摘要：XScale是一款具有高性能、低功耗特性的ARM兼容嵌入式微处理器架构。XScale引入了多种硬件特性提高其处理能力，但也给应用程序的优化带来了困难。本文介绍XScale体系结构的特点，从开发工具选择、系统设计和编程开发等多个角度讨论对XScale应用程序进行优化的策略和技术。

     关键词：XScale 编译优化 优化策略ARM

引言

XScale体系结构是采用Intel Pentium技术实现的ARM兼容的嵌入式微处理器架构，并对ARM体系结构进行了增强，具有业界领先的高性能和低功耗特性被广泛应用于消费电子、无线通信、多媒体和网络交换等嵌入式应用领域。XScale引入了一系列高性能微处理器的设计技术，总体性能显著地超出同主频的ARM微处理器。然而，由于受功耗、成本和体积等因素的制约，嵌入式微处理器的处理能力与桌面系统相比仍存在较大差距。通常需要对嵌入式应用程序进行性能优化，以满足嵌入式应用的性能需求。

业界对嵌入式系统的性能优化进行了很多研究与实践。文献为XScale优化编译器的设计提供了多种优化技术，也可用于一些应用程序的手工优化；文献从应用程序编程的角度讨论了ARM嵌入式系统软件设计优化技术；文献讨论了提高C/C++嵌入式应用程序性能的一些技巧，其中多数技术可以由优化编译器中实现。

本文在总结XScale优化编译器设计和XScale嵌入式系统设计开发工作的基础上，从系统设计、开发工具选择、编译优化和编程开发等角度讨论和提出了XScale应用程序的优化策略和技术。

1 XScale体系结构

XScale微架构引入了Pentium处理器工艺和系统结构技术，实现了Pentium微处理器体系结构的一系列高性能技术，达到了高性能、低功耗和小体积等嵌入式系统要求的特性。

（1）超流水线

Xscale的超流水线（SuperPipeline）技术，如图1所示，由整数处理（integer）、乘加（MAC）和存储（memory）3条流水线组成。3条流水线的长度是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处理器性能。

（2）高主频

采用Pentium工艺技术，XScale主频可以超出普通ARM微处理器主频数倍，在保持较低能量消耗的前提下，高达600MHz以上。如PXA27X的主频可高达724MHz。

（3）存储体系

XScale实现了一个高效的存储器体系结构，为其超流水线的高效运行提供数据资源。XScale存储体系功能主要包括32KB D-Cache、32KB I-Cache、2KB Mini Dcache、Fill Buffers、ending Buffers以及4.8GB/s带宽的存储总线，使处理器可以高效访问存储器。

（4）分支预测

XScale实现了基于统计分析的分支预测功能部件，减少由于分支转移冲刷指令流水线的次数，也有效地提高了处理器的性能。

（3）指令集体系结构

针对ARM数据处理能力的不足，XScale对ARM的乘加逻辑进行了增强，增加了8条DSP指令。XScale处理器还可集成Flash闪存和无线MMX逻辑功能。这些特性有效地提高了XScale数据处理能力。带有无线MMX的PXA27X在312MHz主频运行处理多媒体应用时，其性能与520MHz ARM处理器相当。

（6）省去不常用的逻辑功能

为了节省处理器芯片体积和降低运行功耗，XScale体系结构没有实现昂贵的浮点运算部件和除法部件。这些是嵌入式应用中不常用的运算。当需要这类运算时，可以通过软件方法实现。

XScale复杂的体系结构给嵌入式应用程序的优化带来了更大的困难。

2 性能优化技术

XScale处理器性能的发挥很大程度上依赖于应用程序的优化技术。XScale嵌入式应用系统的性能优化可以下几个方面考虑。

2.1 算法结构优化

实现某种应用功能通常可采用多种算法或方法，不同算法的复杂度和效率差别很大。选择一种高效的算法或对算法进行优化，可以使应用程序获得最大的优化性能。常用的优化技术有以下几种。

（1）选择高效算法

如果算法效率低下，再快的处理器也会显得不够