指令对流水线性能的影响分析

TMS320C6x系列DSP由于引入流水线而大大提高了DSP的性能。当程序中的算法保持流水线充满时，流水线是最有效的。为了使DSP获得最高的效率，必须考虑流水线性能。

1.一个取指包中具有多个执行包的流水线操作

一个取指包（FP）包含8条指令，每个取指包可分成1～8个执行包，每个执行包是并行执行的指令，每条指令在一个独立的功能单元内执行。当一个取指包包含多个执行包时，将会出现流水线阻塞的问题。

流水线阻塞产生的原因：在TMS320C6xDSP的流水线上，每一个执行包（EP）占用一个指令分配节拍（DP），如果第n个取指包内有3个EP，则该FP会占用3个DP。因为第n+1个FP和第n个FP在取指阶段只相差一个节拍，所以，当第n+1个FP到达DP节拍时，第n个FP的EP还没有完成，造成了TMS320C6xDSP产生流水线阻塞。

图2-15为流水线冲突的情况。图2-15中取指包n包含3个执行包，取指包n+1到n+6每个只有1个执行包。定义取指包n到n+6的所有指令代号依次按照A、B、C、D…的顺序排列。在取指包n的8条指令中，A和B是一个执行包，C、D和E是一个执行包，F、G和H是一个执行包。

上述情况的程序代码如下。

图2-15　流水线冲突的情况

第一个取指包n在周期1到周期4通过取指级的4个节拍，同时在周期1到周期4的每个周期都有一个新的取指包进入取指的第一个节拍。在周期5的DP节拍，CPU扫描FPn的p位，检测出在FPn中有3个执行包EP_k～EP_k+2，这就迫使流水线冲突，允许EP_k+1和EP_k+2在周期6和周期7进入DP节拍。一旦EP_k+2准备进入DC节拍（周期8），流水线冲突就被释放。当EP_k+2完成指令分配后，流水线脱离阻塞状态，重新开始执行。

FP_n+1～FP_n+4在周期6和周期7出现流水冲突，以便CPU有时间处理EP_k～EP_k+2进入DP节拍。FP_n+5在周期6和周期7也出现流水冲突，直到周期8流水线冲突释放后进入PG节拍。周期8以后流水线连续操作直到有包含多个执行包的取指包进入DP节拍，或者发生中断。(www.xing528.com)

TMS320C67xDSP的流水线阻塞情况和TMS320C62x/C64xDSP的流水线阻塞类似。

2.多个NOP指令

一个FP中的EP数量是确定指令通过流水线形式的一个因素，另一个因素是EP中指令的类型。

NOP指令是一种特殊指令类型，是指不使用功能单元的空操作。单周期NOP指令和其他指令在一个执行包（EP）下，不会对其他指令产生影响。但多周期NOP（NOPn）指令，和其他指令在同一个执行包下时，其作用相当于在该执行包的后面，增加了n-1个NOP指令。如图2-16所示为一个多周期NOP指令与其他指令并行操作的执行情况。

图2-16　多周期NOP指令与其他指令并行操作的执行情况

在图2-16a中，仅有一个单周期NOP指令与其他指令在一个执行包中。LD、ADD和MPY指令的结果都在适当周期期间可用。此时，NOP指令对执行包没有任何影响。

在图2-16b中，单周期的NOP指令改为多周期的NOP5指令，因为NOP5指令的存在，在时钟周期i+1、i+2、i+3和i+4时，不会有该执行包以外的其他任何指令执行，执行效果同以下代码。

跳转指令可以提前结束多周期NOP指令，在跳转指令的5个延迟时隙后，跳转目标代码进入执行操作，而不管多周期NOP指令是否结束。例如，在图2-17中，如果EP1中没有跳转指令，EP7的执行，要等到EP6中的NOP5指令执行完毕，在时钟周期11开始执行。如果EP1中的跳转指令，目标代码是EP7，该跳转指令，提前结束EP6中的NOP5指令，在EP1的5个延迟时隙后，即在时钟周期7，开始执行EP7。