摘要：XScale是一款具有高性能、低功耗特性的ARM兼容嵌入式微處理器架構。XScale引入了多種硬件特性提高其處理能力，但也給應用程序的優化帶來了困難。本文介紹XScale體系結構的特點，從開發工具選擇、系統設計和編程開發等多個角度討論對XScale應用程序進行優化的策略和技術。

     關鍵詞：XScale 編譯優化 優化策略ARM

引言

XScale體系結構是采用Intel Pentium技術實現的ARM兼容的嵌入式微處理器架構，并對ARM體系結構進行了增強，具有業界領先的高性能和低功耗特性被廣泛應用于消費電子、無線通信、多媒體和網絡交換等嵌入式應用領域。XScale引入了一系列高性能微處理器的設計技術，總體性能顯著地超出同主頻的ARM微處理器。然而，由于受功耗、成本和體積等因素的制約，嵌入式微處理器的處理能力與桌面系統相比仍存在較大差距。通常需要對嵌入式應用程序進行性能優化，以滿足嵌入式應用的性能需求。

業界對嵌入式系統的性能優化進行了很多研究與實踐。文獻為XScale優化編譯器的設計提供了多種優化技術，也可用于一些應用程序的手工優化；文獻從應用程序編程的角度討論了ARM嵌入式系統軟件設計優化技術；文獻討論了提高C/C++嵌入式應用程序性能的一些技巧，其中多數技術可以由優化編譯器中實現。

本文在總結XScale優化編譯器設計和XScale嵌入式系統設計開發工作的基礎上，從系統設計、開發工具選擇、編譯優化和編程開發等角度討論和提出了XScale應用程序的優化策略和技術。

1 XScale體系結構

XScale微架構引入了Pentium處理器工藝和系統結構技術，實現了Pentium微處理器體系結構的一系列高性能技術，達到了高性能、低功耗和小體積等嵌入式系統要求的特性。

（1）超流水線

Xscale的超流水線（SuperPipeline）技術，如圖1所示，由整數處理（integer）、乘加（MAC）和存儲（memory）3條流水線組成。3條流水線的長度是6到9段，前4到5段共享，后面分支部分并行工作可有效提高處理器性能。

（2）高主頻

采用Pentium工藝技術，XScale主頻可以超出普通ARM微處理器主頻數倍，在保持較低能量消耗的前提下，高達600MHz以上。如PXA27X的主頻可高達724MHz。

（3）存儲體系

XScale實現了一個高效的存儲器體系結構，為其超流水線的高效運行提供數據資源。XScale存儲體系功能主要包括32KB D-Cache、32KB I-Cache、2KB Mini Dcache、Fill Buffers、ending Buffers以及4.8GB/s帶寬的存儲總線，使處理器可以高效訪問存儲器。

（4）分支預測

XScale實現了基于統計分析的分支預測功能部件，減少由于分支轉移沖刷指令流水線的次數，也有效地提高了處理器的性能。

（3）指令集體系結構

針對ARM數據處理能力的不足，XScale對ARM的乘加邏輯進行了增強，增加了8條DSP指令。XScale處理器還可集成Flash閃存和無線MMX邏輯功能。這些特性有效地提高了XScale數據處理能力。帶有無線MMX的PXA27X在312MHz主頻運行處理多媒體應用時，其性能與520MHz ARM處理器相當。

（6）省去不常用的邏輯功能

為了節省處理器芯片體積和降低運行功耗，XScale體系結構沒有實現昂貴的浮點運算部件和除法部件。這些是嵌入式應用中不常用的運算。當需要這類運算時，可以通過軟件方法實現。

XScale復雜的體系結構給嵌入式應用程序的優化帶來了更大的困難。

2 性能優化技術

XScale處理器性能的發揮很大程度上依賴于應用程序的優化技術。XScale嵌入式應用系統的性能優化可以下幾個方面考慮。

2.1 算法結構優化

實現某種應用功能通常可采用多種算法或方法，不同算法的復雜度和效率差別很大。選擇一種高效的算法或對算法進行優化，可以使應用程序獲得最大的優化性能。常用的優化技術有以下幾種。

（1）選擇高效算法

如果算法效率低下，再快的處理器也會顯得不夠