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Blackfin DSP学习心得

2019-07-13 14:51发布

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呵，学习DSP，特别是Blackfin系列的，没数据手册简直是没法学的。
该系列基本上只有英文资料，而就我目前翻过的所有教材基本上都是从数据手册上摘录一个片段，翻译一下就完事了，连个总结都没有。很多关键的地方（比如中断），要想理解完整，必须同时参考多个数据手册，因此只看教材基本上是云里雾里的。
附件里是bf548与bf533的相关手册，与bf561大部分是一样的。bf561是双核的，在编译与链接库参考手册（6389974860119950_BF_cc_man.pdf）里有关于双核编程的指导。
好吧，再讲讲Blackfin DSP与ARM的区别。
可以把嵌入式分成DSP与MCU两种
MCU一般用于管理任务，更注重代码密度，而不是性能的极限（比如只做一个管理系统，更多的是对外设读写，而外设一般是很慢（想想IIC，SPI，速度再快也不过几M比特）的，因此大部分时间都在等待，很少需要考虑算法的优化），ARM便是这类MCU。
DSP一般用于处理图像、音频、视频（不仅是读写，而是处理，比如编码解码，或者从图像完成人脸检测），它更注重地是发挥处理器的极限性能，而其架构（后讲）也自然地与MCU有较大区别。
以前的话，大部分DSP对管理任务的能力很差，而像ARM这种MCU对于算法性能要求高的（比如图像处理）的任务基本是无能为力。于是，既能有MCU出 {MOD} 的管理功能，又能有DSP出 {MOD}的计算性能便是很多人的一个目标，Blackfin DSP便是这样诞生的。它既能作为100%的MCU使用，也能作为100%的DSP使用（这句是从U-boot的应用笔记抄的，呵，100%，哥可不敢乱 说）。
好的，以一个例子说明一下图像处理的艰巨来体现DSP的必要性。
我们现在拍摄的图像再一般都是动辄130W像素，或者300W像素，假设想要从图像中识别出人脸（或车牌号识别，都是一样的）。那么便需要用一些图像处理 与机器视觉的算法对图像进行处理。无论对图像作怎样简单的处理，都需要遍历每个像素，对于130W像素的图像，再快也得运算130W次（计算上寻址之类， 得130W*3~7）。那么对于PC的单核3G的CPU来说，一秒只能遍历几千次图像（这里只是举例说明，实际上由于现代CPU的架构良好，GPU、协处 理器的存在，速度并不会这么慢）。把遍历一次图像看成一次加法，那么3G的CPU就相当于一个只能计算几千次加法的CPU，这样的处理速度难以满足实时要 求。而DSP便是为解决这些问题而存在的。
这里看一下Blackfin DSP的一些特点（为了防止太多废话，这里假设大家有一点CPU的架构知识与汇编知识）：
零周期循环：
for (i = 0; i < 1000;i++)
   for (j = 0; j < 1000 ;j++)
          x = 0;
看上例，对于一般的CPU来说，循环都是模拟实现的，即判断是否计数完成，然后减计数，再JUMP，这至少得３个周期（更要命的是，流水线必须重新填充， 这个隐含了更多的周期浪费），也就是说上面的执行至少得消费4M(3 * 1000 000 + 1000 000)个周期。
而Blackfin DSP使用硬件循环，上面的两个for不消耗周期，即只消费了1M个周期，这个节省是很可观的。
同时Blackfin DSP还使用一个缓存区存放循环体内的4条指令，以进一步提高效率。
循环寻址：
for (i = 0; i < 1000;i++)
    a[i % 100] += 1;
大家要知道，%运算不是由硬件支持（对于PC与DSP都一样）的，它的执行效率很低，对于DSP，估计一次得上百个周期。在形态学图像处理中，循环寻址是 很常见的，而每理一个像素要上百个周期，这对DSP是无法接受的。因此DSP提供了一组寄存器，叫DAG，通过合适的配置，可以使地址循环，为了让大家更 明白，将上例改成DSP的实现形式：
p = a;
for (i = 0; i < 1000;i++)
    *p++ += 1;
这里假设p已经配置好循环长度为１００（这里其实应该用汇编写，不过只是为了演示，而忽略了晦涩的细节），当p累加到100时（依此类推），会自动把p重设为a的起地址。相比于上面的代码，每执行一次循环可节省１００多个周期。
特别设计的指令集（对应于特别设计的架构）：
１、一些高效指令：
Blackfin DSP有两个MAC，可以在一个周期内同时完成２个16位乘法，而PC的CPU一般是几个周期完成一次乘法。
各种专为视频流处理设置的指令（至今没用过，没法细讲）。
更多高效指令与细节，参考指令集参考手册。
３、并行指令：
一个周期内最高可以同时实现一条32位指令加两条16位指令。这里通过一个例子，大家去体会其中的独到之处：
A1+=R0.L*R2.H,A0+=R0.L*R2.L || R2.L=W[I2++] || R0=[I1--] ;
这是一条汇编指令，在单周期内完成，它完成了两次乘法，并累加到专用累加器，完成两次数据存取，同时移动两次指针。将它换到PC上实现，至少得１０个周期。
更多的关于DSP与众不同之处就不多说了，数据手册多看些自然也就明白了。

那么学习Blackfin DSP应该学什么？
虽然它既能完成MCU的功能，又有DSP的强悍，我认为还是侧重DSP的方面的学习，因为它比较贵，还有想学MCU，学ARM更合适，资料多。
要学会DSP，至少得学会汇编（Blackfin的汇编与C类似，好学，但是加了限制），才能深刻理解它的架构（有人说，不会汇编的DSP工程师称不上合 格的工程师，而一般一个高度优化的DSP项目的核心部分都会包含一部分汇编）。不会汇编去看架构，我认为最多只能走马观花（至少不会汇编前，哥是看得糊里 糊涂）。
然后实践一些比较需要DSP的例子（一边看例子，一边学汇编），比如FFT、形态学处理之类的。更深入的也就不用说了，入门后大家就会渐渐明白适合自己的了。
谈得比较空泛，更具体的还是只能通过实际的例子才讲得明白。

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