利用C和匯編語言混合編程實現DSP軟件設計

編譯器內部函數(Compiler intrinsics)：是指能夠使用專門的宏或函數調用觸發的內建編譯器功能總稱。沒有內部函數支持的編譯器必須調用用戶定義的函數，這樣做可能會令用戶定義函數可能會在一個環路里產生函數調用和返回(見圖4)，從而產生巨大的開銷。

圖4：ETSI的mult_r(乘法和取整)基本操作的C代碼實現(左)和對應的由CEVA-TeakLite-III編譯器生成的匯編代碼(右)。

匯編內部函數：是將匯編代碼內聯進C代碼的一種先進方法，下文將有詳細介紹。

把匯編指令當作C語句一樣來編寫

內聯匯編功能具有顯著的缺點。它會破壞各種編譯器優化操作，因為編譯器不了解內聯代碼的內容，會使用最壞假設；以及它可能迫使編程人員處理底層問題，如寄存器分配和指令調度。

匯編內部函數可以幫助編程人員實現內聯匯編代碼，并且不存在這些缺點。從編程人員的角度看，匯編內部函數就像是C語言宏或函數。它們接收C語言變量，返回C語言輸出結果，同時表現為單個匯編指令。由于涉及該功能的所有代碼都在C語言等級，因此編程人員不必擔心寄存器分配、指令調度和其它底層問題。匯編內部函數不僅不會妨礙編譯器優化操作，還會參與優化過程，就像它們是編譯器正常產生的匯編指令一樣。這些特征使得匯編內部函數的功能非常強大。

利用匯編內部函數，編程人員可以從編譯器不可能產生的獨特匯編指令中受益。例如，CEVA-X1641的bitrev(位反向)指令就是為FFT等算法定制的。由于編譯器不太可能把一個程序看作一個FFT并使用bitrev指令，因此編程人員可以完全把bitrev匯編內部功能嵌入到C代碼中。結合對應用的透徹了解，編程人員還可以使用C應用程序的性能決定段里的精確序列匯編內部函數，從而能夠確保編譯器生成的代碼效率就像手工編寫的一樣高。

圖5是CEVA-X1641編譯器與匯編內部函數一起使用的例子。匯編內部函數還受益于由CEVA-X1641編譯器處理的問題所決定的機器，如寄存器分配、指令調度和硬件單元分配。

圖5：CEVA-X1641編譯器支持的匯編內部函數的使用。

調試混合代碼的應用程序

匯編代碼的調試需要對延遲和存儲器對齊限制等架構和機器級問題有深入的了解。只是簡單地把C代碼和匯編代碼放在一起會使事情更麻煩，因為編程人員現在還必須調試C代碼和匯編代碼之間的連接。

調試混合代碼應用程序的第一步就是分隔問題。假設保持匯編代碼的C語言實現不變以及C語言實現方案工作正常，那么將匯編函數轉換成C語言實現并重新測試應用程序就相對比較容易。為了迅速檢測出問題，編程人員可以在每一步把受懷疑函數的一半轉換為相應的C語言實現方案。

一旦有問題的匯編函數被確定，它就應該同時作為獨立的匯編問題和C與匯編的連接問題加以分析。調試獨立的匯編問題對匯編編程人員來說十分簡單明了，但C與匯編的連接問題就有點麻煩。在考慮匯編函數本身時，C與匯編的連接問題是不可見的，這與獨立的匯編問題有所不同。為了找出這些問題，編程人員必須檢查編譯器的約定，比如調用約定和寄存器使用約定。

編程人員還必須檢查編譯器假設，比如匯編指令的行蹤。為了節省調試時間，編程人員應該在第一次實現匯編函數時驗證是否遵循所有的編譯器約定和假設。

案例研究：H.264視頻編碼器和AMR-NB

本文討論的技術和方法已被CEVA公司用于各種各樣的應用，包括視頻編解碼器、音頻編解碼器、聲音合成器和設備驅動器。而本文所述的功能在這些應用中都可以顯著提高性能。H.264視頻編碼器是一個很好的研究案例。它在處理能力及其它資源方面要求非常嚴格，尤其是相比語音編解碼器等其它類型的編解碼器而言。

CEVA公司的CEVA-X16xx高端DSP內核系列及其MM2000多媒體平臺可以為這種編碼器提供所需的處理能力。先用高級跟蹤技術確定這種編碼器的關鍵函數，然后逐步對之進行優化。首先，利用匯編內部函數在C語言級對這些函數進行全面優化。然后，在匯編語言級對編譯器提供的匯編代碼作進一步優化。

圖6展示了通過對這種編碼器的關鍵函數進行全面優化所獲得的性能提高。只有最后一個優化階段涉及到純匯編編程，所有其它階段都基于帶有匯編內部函數的C代碼。這些匯編內部函數主要用于SIMD操作，如avg_acW_acX_acZ_4b。這條指令對8個輸入字節取平均，產生4字節結果。這種SIMD操作對執行大量字節級計算的視頻編解碼器非常有用。

圖6：對H.264編碼器的關鍵函數進行優化以提升性能。