TMS320C54XDSP混合編程的方法研究

摘要：提出并分析了在考慮程序代碼效率、執(zhí)行效率和程序的可讀性及可移植性的情況下，對于TMS320C54X系列，采用C語言和匯編語言混合編程的優(yōu)點(diǎn)；詳細(xì)闡述了混合編程方法的特點(diǎn)、應(yīng)遵循的規(guī)則和詳細(xì)接口規(guī)范；給出了程序設(shè)計實(shí)例。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理（DSP） TMS320C54X 混合編程

數(shù)字信號處理技術(shù)是一門涉及許多學(xué)科的新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、航空、航天等諸多領(lǐng)域。數(shù)字信號處理技術(shù)由于其運(yùn)行量大和實(shí)現(xiàn)算法復(fù)雜，通常采用專用的DSP芯片來實(shí)現(xiàn)。美國TI公司的TMS320C54X系列芯片是為實(shí)現(xiàn)低功耗和高性能而專門設(shè)計的定點(diǎn)DSP芯片。

TMS320C54X的主要特點(diǎn)包括：高運(yùn)算速度、優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu)、低功耗方式和智能外設(shè)等。

使用專用DSP芯片進(jìn)行設(shè)計與開發(fā)包括硬件和軟件兩個方面。通常有以下三種軟件設(shè)計方式：

（1）完全用C語言開發(fā)。TI公司提供了用于C語言開發(fā)的CCS（CODE COMPOSER STUDIO）平臺。該平臺包括了優(yōu)化ANSI C編譯器，從而可以在C源程序級進(jìn)行開發(fā)調(diào)方式。這種方式大大提高了軟件的開發(fā)速度和可讀性，方便了軟件的修改和移植。但是，在某些情況下，C代碼的效率還是無法與手工編寫的匯編代碼的效率相比，如FFT編程。這是因?yàn)榧词棺罴训腃編譯器，也無法在所有的飛速下都能夠最合理地利用DSP芯片所提供的各種資源。此外，用C語言實(shí)現(xiàn)DSP芯片的某些硬件控制也不如匯編程序方便，有些甚至無法用C語言實(shí)現(xiàn)。

（2）完全有匯編語言開發(fā)，TI公司提供了用于匯編語言開發(fā)的針對TMS320C54X的匯編語言。用戶可以用它進(jìn)行軟件開發(fā)。此種方式可以更為合理地充分利用DSP芯片提供的硬件資源，其代碼效率高，程序執(zhí)行速度快。但是用DSP芯片的匯編語言編寫程序是比較繁雜的。一般來說，不同公司的芯片匯編語言是不同的，即使是同一公司的芯片，由于片類型的不同（如定點(diǎn)和浮點(diǎn)），芯片的升級換代，其匯編語言也不同。因此，用匯編語言開發(fā)基于某種DSP芯片的產(chǎn)品周期較長，并且軟件的修改和升級較困難，這些都是因?yàn)閰R編語言的可讀性和可移植性較差所致。

（3）用C語言和匯編語言混合編程開發(fā)。為了充分利用DSP芯片的資源，更好地發(fā)揮C語言和匯編語言進(jìn)行軟件開發(fā)的各自的優(yōu)點(diǎn)，可以將兩者有機(jī)結(jié)合起來，兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn)，避免其弊端。因此，在很多情況下，采用混合編程方法能更好地達(dá)到設(shè)計要求，完成設(shè)計功能。但是，采用C語言和匯編語言混合編程必須遵循一些有關(guān)的規(guī)則，否則會遇到一些意想不到的問題，給開發(fā)設(shè)計帶來許多麻煩。

本文提出了基于DSP（TMS320C54X）的C語言和匯編語言混合編程的程序設(shè)計方法，并給出了混合編程應(yīng)遵循的規(guī)則和需要注意的一些問題。

1 TMS320C54X的C語言和匯編語言混合編程方法

C語言和匯編語言的混合編程有以下幾種方法：

（1）獨(dú)立編寫編編程序和C程序，分開編譯或匯編形成各自的目標(biāo)代碼模塊，用鏈接器將C模塊和匯編模塊鏈接起來，這是一種靈活性較大的方法。采用這種方法，C程序可以調(diào)用匯編程序，并且可以訪問匯編程序中定義的變量。同樣，匯編程序也可以調(diào)用C程序或訪問C程序中定義的變量。但用戶必須自己維護(hù)各匯編模塊的入口和出口代碼，自己計算傳遞的參數(shù)在堆棧中的偏移量，工作量稍大，但能做到對程序的絕對控制。

（2）在C程序中直接內(nèi)嵌匯編語句。此種方法可以在C程序中實(shí)現(xiàn)C語言無法實(shí)現(xiàn)的一些硬件控制功能，如修改中斷控制寄存器、中斷標(biāo)志寄存器等。嵌入?yún)R編語句的方法比較簡單，只需在匯編語句的兩邊加上括號和雙引號，并且在括號前加上asm標(biāo)識符即可，即asm(“匯編語句”)。

但是，采用此種方法必須注意以下幾點(diǎn)：

①括號中的匯編語句必須以標(biāo)號、空格、tab、分號開頭，這和通常的匯編編程的語法一樣。

②不要破壞C環(huán)境，因?yàn)镃編譯器并不檢查和分析嵌入的匯編語句。

③插入跳轉(zhuǎn)語句和標(biāo)號會產(chǎn)生不可預(yù)測的結(jié)果。

④匯編語句不要改變C程序中變量的值。

⑤不要在匯編語句中加入?yún)R編器選項(xiàng)而改變匯編環(huán)境。

（3）將C程序編譯生成相應(yīng)的匯編程序，手工修改和優(yōu)化C編譯器生成的匯編代碼。采用此種方法可以控制C編程器從而產(chǎn)生個有交叉列表的匯編程序，而且程序員可能對其中的匯編語句進(jìn)行修改。之后，對匯編程序進(jìn)行匯編可產(chǎn)生目標(biāo)文件。注意，修改匯編語句時切勿破壞C環(huán)境。

2 混合編程應(yīng)遵循的規(guī)則和詳細(xì)的接口規(guī)范

2.1 寄存器規(guī)則

在C環(huán)境中，定義了嚴(yán)格的寄存器規(guī)則。寄存器規(guī)則明確了編譯器如何使用寄存器以及在函數(shù)調(diào)用過程中如何保護(hù)寄存器。調(diào)用函數(shù)時，被調(diào)用函數(shù)負(fù)責(zé)保護(hù)某些寄存器，這些寄存器不必由調(diào)用者來保護(hù)。如果調(diào)用者需要使用沒有保護(hù)的寄存器，則調(diào)用者在調(diào)用函數(shù)前必須予以保護(hù)。下面具體說明寄存器規(guī)則：

（1）輔助寄存器AR1、AR6、AR7由被調(diào)用函數(shù)保護(hù)，即可以在函數(shù)執(zhí)行過程中修改，但在函數(shù)返回時必須恢復(fù)。在TMS320C54X中，編譯器將AR1和AR6用作寄存器變量。其中，AR1被用作第一個寄存器變量，AR6被有作第二個寄存器變量，其順序不能改變。

AR0、AR2、AR3、AR4、AR5可以自由使用，即在函數(shù)執(zhí)行過程中可以修改，而且不必恢復(fù)。

（2）堆棧指針SP在函數(shù)調(diào)用時必須予以保護(hù)，但其是自動保護(hù)的，即在返回時，壓入椎棧的內(nèi)容都將被全部彈出。

（3）ARP在函數(shù)進(jìn)入和返回時，必須為0，即當(dāng)前輔助寄存器為AR0。函數(shù)執(zhí)行時可以是其它值。

（4）在缺省的情況下，編譯器總是認(rèn)為OVM為0。因此，若在匯編程序中將OVM置為1，則在返回C環(huán)境時，必須將其恢復(fù)為0。

（5）其它狀態(tài)位和寄存器在子程序中可以任意使用，不必恢復(fù)。

2.2 標(biāo)識符合名規(guī)則

C編譯器將C程序定義的所有標(biāo)識符前都加一下劃線（-）。因此，必須將在C程序中要引用的匯編變量和匯編模塊子程序的名字前加上下劃線（-）。如果變量僅在匯編模塊中使用，則不加下劃線（-）的變量名可以任意使用，而不會與C標(biāo)識符發(fā)生沖突。

2.3 函數(shù)調(diào)用規(guī)則

C編譯器規(guī)定了一組嚴(yán)格的函數(shù)調(diào)用規(guī)則。除了特殊的運(yùn)行支持函數(shù)外，任何調(diào)用C函數(shù)或被C函數(shù)所調(diào)用的函數(shù)都必須遵循這些規(guī)則，否則就會破壞C環(huán)境，造成不可預(yù)測的結(jié)果。

2.3.1 參數(shù)傳遞

函數(shù)調(diào)用前，將參數(shù)以逆序壓入運(yùn)行堆棧，即最右邊的參數(shù)最先入棧，然后自右向左將參數(shù)依次入棧。但是，對于TMS320C54X，在函數(shù)調(diào)用時，第一個參數(shù)放入累加器A中進(jìn)行傳遞。若參數(shù)是長整型和浮點(diǎn)數(shù)時，則低位字先壓棧，高位字后壓棧。若參數(shù)中有結(jié)構(gòu)形式，則調(diào)用函數(shù)給結(jié)構(gòu)分配空間，其地址通過累加器A傳遞給被調(diào)用函數(shù)。

2.3.2 結(jié)果返回

函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，將返回值置于累加器A中。整數(shù)和指針在累加器A的低16位中返回。浮點(diǎn)數(shù)和長整型數(shù)在累加器A的32位中返回。

2.3.3 函數(shù)調(diào)用時需注意的一些問題

參數(shù)不是由被調(diào)用函數(shù)彈出椎棧，而是由調(diào)用函數(shù)彈出。因此調(diào)用函數(shù)可以傳遞任意數(shù)目的參數(shù)至函數(shù)，而且函數(shù)不必知道有多少個參數(shù)傳遞。

在匯編程序中，除了自動初始化全局變量外，不要將.cinit段用作其它用途。C程序在boot.asm中的啟動程序認(rèn)為.cinit段中放置的全部是初始化表，因此將其它一些信息放入.cinit段將產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。

如果要定義在C程序中訪問的匯編變量或調(diào)用的匯編子程序，則必須在匯編程序中用.global說明為外部；同樣，如果要定義在匯編程序中要調(diào)用的C函數(shù)或訪問變量，也必須在C程序中將其以exterm說明為外部。

下面給出具體例子。

C程序：

Extern int asmfunc ( ); /*聲明外部的匯編子程序*/

/*注意函數(shù)名前不要加下劃線*/

int gvar; /*定義全局變量*/

main( )

{

int I=3;

I=asmfunc(i); /*進(jìn)行函數(shù)調(diào)用*/

}

匯編程序：

_asmfunc: ；函數(shù)名膠一定要有下劃線

ADD *(-gvar),A ；I的值在累加器A中

STL A，*（-gvar） ；返回結(jié)果在累加器A中

RETD ；子程序返回

3 C語言和匯編語言混合編程軟件設(shè)計要點(diǎn)和具體設(shè)計實(shí)例

在智能測試儀表的軟件設(shè)計中，要完成對振動信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而進(jìn)行頻譜分析的主要功能。在這個具體實(shí)例中，主程序要完成系統(tǒng)的實(shí)始化，進(jìn)行用戶操作界面顯示，并且進(jìn)行鍵值查詢，根據(jù)按鍵值決定程序的流程，從而完成儀器設(shè)計要求的各項(xiàng)功能。主程序?qū)\(yùn)行速度和代碼效率要求不高，但要求可讀性強(qiáng)且修改維護(hù)容易，因此采和C語言實(shí)現(xiàn)。另外一些子程序如FFT算法，對運(yùn)行速度要求較高，可用匯編語言實(shí)現(xiàn)。而DSP與PC機(jī)的通訊與硬件串口有關(guān)，采用匯編語言易于實(shí)現(xiàn)編程，因此也采用匯編語言鈄其做成子程序，而在C語言編寫的主程序中調(diào)用它。

在實(shí)際的系統(tǒng)軟件設(shè)計中，可以根據(jù)具體情況來選擇將某一模塊或某一子程序用C語言或匯編語言來實(shí)現(xiàn)，從而更充分地發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，將DSP技術(shù)更加充分地利用于各種系統(tǒng)設(shè)計中。

在此，僅以A/D數(shù)據(jù)采集為例來具體說明C語言和匯編語言的相互調(diào)用問題。由于篇幅有限，僅列出與混合編程及相互調(diào)用相關(guān)的部分程序以供分析和參考。

C程序：

Extern void ad1247( ); /*定義外部的匯編函數(shù)*/

/*函數(shù)名前不必加下劃線*/

main( ) /*主程序*/

{

int adlength=2048； /*數(shù)據(jù)的采樣長度*/

int adfreq=40; /*數(shù)據(jù)采樣頻率*/

.

.

}

匯編程序：

.mmregs

FP .set AR7

.sect.text

.global_ad1247 ;定義匯編子程序，以global說明要被外部的C程序調(diào)用，函數(shù)名前要有劃線

.bss len,1 ；定義局部變量len

.bss freq,1 ；定義局站變量freq,變量名前不必加下劃線

.

.

.

_ad1247 ;程序入口

PSHM AR6 ；保護(hù)AR6

PSHM AR7 ；保護(hù)AR6

PSHM AR1 ；保護(hù)AR1

FRAME #-16 ；為建立的局部幀分配空間函數(shù)體

STL A，*（len） ；將置于累加器A的第一個參數(shù)傳給變量len

SSBX CPL ；用SP的直接尋址方式

LD @17，A ；第二個參數(shù)的偏移地址

STL A，*（freq） ；將置于堆棧中的第二個參數(shù)傳給變量freq

.

.

.

FRAME #16 ；釋放局部幀的空間

POPM AR1 ；恢復(fù) AR1

POPM AR7 ；恢復(fù) AR7

POPM AR6 ；恢復(fù) AR6

RET ；返回

其中有關(guān)函數(shù)調(diào)用中堆棧的使用和分配，詳見圖1.

注意：為局部幀分配的空間由三部分構(gòu)成：傳遞的參數(shù)所占的空間；局部變量所占的文憑間；一個字節(jié)空間（這一部分可能不存在），其有無主要取決于保證使堆棧指針SP為偶地址。

由以上的例子可以看出，采用C語言和匯編語言混合諧和的方法，可以大大提高編程的效率，使程序設(shè)計者可以把精力更多地集中到算法的實(shí)現(xiàn)上，而不必關(guān)心寄存器的使用和安排；在一些要求代碼執(zhí)行效率高的地方可以用匯編語言來實(shí)現(xiàn)，從而可以編寫出高效的處理程序，將DSP技術(shù)更加充分地利用于各種系統(tǒng)設(shè)計中。