基于DSP的混合編程關(guān)鍵技術(shù)研究

引 言

DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)憑借其高速數(shù)字信號(hào)處理功能、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、低功耗、高集成度等嵌入式微計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，已在通信、航空航天、工業(yè)控制、醫(yī)療、國(guó)防、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。TMS320LF240xA DSP(以下簡(jiǎn)稱LF240xA)是美國(guó)TI公司推出的高性能16位數(shù)字信號(hào)處理器，它具有運(yùn)算速度快，在片集成的外設(shè)豐富等特點(diǎn)，故又稱其為DSP控制器。應(yīng)用領(lǐng)域主要針對(duì)工業(yè)測(cè)控、電機(jī)控制、家用電器和消費(fèi)電子等場(chǎng)合。

LF240xA的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，既可以使用匯編語(yǔ)言，也可以使用C語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言的代碼執(zhí)行效率高、運(yùn)行速度快，可以直接對(duì)寄存器進(jìn)行操作，充分發(fā)揮了DSP控制器的硬件性能；但其開(kāi)發(fā)的工作量大，程序可讀性、移植性差。與匯編語(yǔ)言不同的是，C語(yǔ)言可讀性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、調(diào)試方便，適合編寫結(jié)構(gòu)和算法比較復(fù)雜的程序。然而，對(duì)于控制來(lái)說(shuō)，用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)程序也有其明顯的缺點(diǎn)：首先，C語(yǔ)言代碼有冗余，降低了執(zhí)行效率，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高的某些控制領(lǐng)域來(lái)說(shuō)不符合要求；其次，C語(yǔ)言無(wú)法實(shí)現(xiàn)某些底層的操作。

在具體軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以將匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言結(jié)合起來(lái)編程，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。這樣既能滿足實(shí)時(shí)性要求又能實(shí)現(xiàn)所需的功能，同時(shí)兼顧程序的可讀性和編程效率。為此，了解及掌握C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合編程技術(shù)對(duì)于DSP的軟件開(kāi)發(fā)具有重要的意義。

1 準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行混合編程之前，首先要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)運(yùn)行的基本環(huán)境。這個(gè)基本環(huán)境包括存儲(chǔ)空間的分配、DSP寄存器映射地址的定義以及中斷向量的定義等方面。

(1)存儲(chǔ)空間的分配

命令文件(*．cmd)用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的分配。一是目標(biāo)存儲(chǔ)器定義(由MEMORY命令定義)，二是各段的定位(由SECTIONS命令定義)。

(2)寄存器映射地址的定義

頭文件(*．h)用來(lái)定義所用到的DSP控制器內(nèi)部寄存器的映射地址，以及用戶自定義的常量、寄存器等。通常，頭文件在主程序的開(kāi)始，使用匯編指示符“．include”和“．copy”對(duì)其調(diào)用。頭文件的定義有2種方式。第1種是以指針變量的形式定義各種寄存器，即采用如下形式：

volatile unsigned int T1CMPR Ox7402第2種則是用宏定義的方式定義各種寄存器的名稱：

# define T1CMPR Ox7402

(3)中斷向量的定義

LF240xA內(nèi)部提供了多個(gè)中斷，如INTl～I(xiàn)NT6、TRAP等。復(fù)位中斷向量(c_intO)是在實(shí)時(shí)運(yùn)行支持庫(kù)(rts2xx．1ib)中定義的一種特殊的中斷，它的作用是先進(jìn)行軟件堆棧操作，然后初始化全局變量，最后調(diào)用主程序main()。所以當(dāng)復(fù)位(Reset)時(shí)，程序跳轉(zhuǎn)到c_int0進(jìn)行相應(yīng)的處理。中斷向量表則是將主程序中用到的中斷子程序和相應(yīng)中斷級(jí)別類型連接起來(lái)的一個(gè)簡(jiǎn)單的跳轉(zhuǎn)指令表。表中每個(gè)中斷向量占2個(gè)字，在命令文件中將其聲明到程序存儲(chǔ)器空間的0000h～003Fh。

2 混合編程的一般方法

對(duì)于LF240xA的混合編程一般有3種方法：一、對(duì)C語(yǔ)言程序編譯后形成的匯編程序進(jìn)行手工修改與優(yōu)化；二、在C語(yǔ)言程序中直接嵌人匯編語(yǔ)句；三、分別編寫C語(yǔ)言程序和匯編語(yǔ)言程序，然后獨(dú)立編譯成目標(biāo)代碼模塊，再進(jìn)行鏈接。第一種編程方式要求對(duì)匯編與C語(yǔ)言都極其熟悉，并且這樣的編程方式對(duì)程序的可讀性和擴(kuò)展性的負(fù)面影響比較大，一般不建議使用。第二種方法適用于語(yǔ)句執(zhí)行頻率非常高，并且C編程與匯編編程效率差異較大的情況，例如進(jìn)入中斷的通用中斷子程序等。第三種方式是混合編程最常用的方式之一，在這種方式下，C語(yǔ)言程序與匯編語(yǔ)言程序均可使用另一方定義的函數(shù)與變量。下面著重介紹后兩種方法。

2．1 C語(yǔ)言程序中嵌入?yún)R編語(yǔ)言

C語(yǔ)言程序支持asm指令，所以可以利用這條指令直接將匯編語(yǔ)句嵌入到C語(yǔ)言程序中。LF240xA中一些C語(yǔ)言無(wú)法操作的控制位，可以采用這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方法只需在匯編語(yǔ)句兩邊加上雙引號(hào)并用小括號(hào)括起來(lái)，前面再加上asm關(guān)鍵字，即“asm(“匯編語(yǔ)句”)；”。需要注意的是，匯編語(yǔ)句不能緊挨著前一個(gè)雙引號(hào)，它們之間必須用空格、Tab或標(biāo)號(hào)開(kāi)頭。例如，在匯編語(yǔ)言中開(kāi)中斷指令SETC INTM，嵌入到C語(yǔ)言中為“asm(“SETCINTM”)；”。這種方式雖然操作簡(jiǎn)單，但是匯編代碼很有可能破壞原來(lái)的C語(yǔ)言環(huán)境，從而導(dǎo)致不可預(yù)料的結(jié)果。因此只提倡在程序開(kāi)始的系統(tǒng)初始化部分少量使用，而在C語(yǔ)言中嵌入實(shí)現(xiàn)某一完整功能的多句匯編語(yǔ)言時(shí)，不提倡采用這種方式。

2．2 C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言程序相互調(diào)用

(1)C語(yǔ)言程序調(diào)用匯編函數(shù)

C語(yǔ)言程序中調(diào)用的匯編函數(shù)，在匯編語(yǔ)言中其名稱以程序標(biāo)號(hào)的形式出現(xiàn)。程序標(biāo)號(hào)作為操作數(shù)用．global進(jìn)行定義，在前面加下劃線“_”。匯編函數(shù)也可以利用累加器給C語(yǔ)言程序傳遞返回值。

LF240xA有8個(gè)輔助寄存器(AR0～AR7)可供使用，在C語(yǔ)言環(huán)境中這些寄存器都有明確的分工。

①AR0：幀指針(Frame Pointer，F(xiàn)P)。LF240xA只提供了大小為8個(gè)字的硬件棧，不能滿足需要。因此，C環(huán)境定義了一段特殊的存儲(chǔ)器空間，作為軟件棧。軟件棧的作用是分配局部變量、傳遞函數(shù)的參數(shù)、保存處理器的狀態(tài)、保存臨時(shí)結(jié)果等。AR0指向軟件棧中函數(shù)局部數(shù)據(jù)空間的起始處。

②ARl：軟件棧的棧頂指針(Stack Pointer，SP)。ARl為指向軟件棧棧頂?shù)膶Ｓ弥羔槨?/p>

③AR2：局部變量指針(Local Variable Pointer，LVP)。AR2存放局部變量的偏移量，與AR0(FP)一起對(duì)局部變量進(jìn)行尋址定位。

④AR6、AR7：寄存器型變量。在C語(yǔ)言程序中用register修飾的變量存放在AR6、AR7中。

⑤AR3～AR5：用戶自定義。AR3～AR5沒(méi)有特殊的約定，可以由用戶自由決定其用途。在匯編程序的入口處，假設(shè)ARP已經(jīng)被設(shè)置為ARl，這是由C編譯器自動(dòng)完成的。C語(yǔ)言程序調(diào)用匯編函數(shù)時(shí)，匯編函數(shù)程序必須遵循下述規(guī)范：

①?gòu)挠布褩Ｖ袕棾龇祷氐刂?，然后把它壓入軟件堆棧?/p>

②把C程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針FP壓入堆棧；

③如果匯編程序改變了AR6或AR7，也需要把它們壓入堆棧；

④分配局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

⑤執(zhí)行匯編程序的實(shí)際任務(wù)代碼；

⑥如果匯編程序有返回值，則把這個(gè)返回值放入累加器中；

⑦設(shè)置ARP為ARl；

⑧解除分配的局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

⑨如果AR6和AR7曾經(jīng)被保存過(guò)，則從軟件堆棧恢復(fù)它們的值；

⑩從軟件堆棧恢復(fù)FP；

⑾把軟件堆棧中存儲(chǔ)的返回地址壓入硬件堆棧；

⑿返回。

當(dāng)匯編函數(shù)調(diào)用完畢后，C語(yǔ)言程序要彈出先前壓入堆棧的傳遞參數(shù)。這個(gè)操作通過(guò)下面的命令語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)：SBRK i(i是C程序向匯編程序傳遞的參數(shù)個(gè)數(shù))。在上述操作過(guò)程中，對(duì)軟件堆棧的處理至關(guān)重要。圖1所示為C語(yǔ)言程序調(diào)用時(shí)軟件堆棧的分配示意圖，具體步驟如下：

①在C語(yǔ)言程序的局部幀后將匯編函數(shù)的參數(shù)依次壓棧；

②程序指針(PC)跳轉(zhuǎn)到匯編函數(shù)的代碼段；

③保存出口地址；

④保存C語(yǔ)言程序局部幀指針；

⑤分配局部變量；

⑥調(diào)用結(jié)束前將以上所有內(nèi)容彈出軟件棧。

下面以具體例子來(lái)講述這個(gè)操作過(guò)程。

(2)匯編語(yǔ)言程序調(diào)用C函數(shù)

匯編語(yǔ)言程序中調(diào)用C函數(shù)。被調(diào)用的C函數(shù)在C語(yǔ)言環(huán)境中需要用extern進(jìn)行定義，在匯編程序中用．ref說(shuō)明為外部標(biāo)號(hào)，且函數(shù)名加“_”。在調(diào)用C函數(shù)之前應(yīng)手工編程將參數(shù)以逆序?qū)懭氘?dāng)前運(yùn)行任務(wù)所使用的任務(wù)堆棧中，壓棧之前堆棧指針可不作調(diào)整。被調(diào)用的C函數(shù)即可正常訪問(wèn)調(diào)用者傳遞的參數(shù)，函數(shù)調(diào)用完畢后需要調(diào)整堆棧指針，清除函數(shù)調(diào)用中參數(shù)所占用的堆棧空間。C函數(shù)的返回值可以通過(guò)訪問(wèn)累加器獲得。具體例子如下。

C語(yǔ)言模塊中編寫乘法函數(shù)：

3 注意事項(xiàng)

(1)中斷的處理

LF240xA發(fā)生中斷時(shí)，程序指針(PC)就指向相應(yīng)的中斷向量，并通過(guò)中斷向量映射到相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。例如，在0004h～0005h處是INT2的中斷向量，在此存儲(chǔ)了1條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)至INT2的服務(wù)子程序。LF240xA的C語(yǔ)言有interrupt修飾符可以用來(lái)定義中斷服務(wù)子程序，如下所示：

將上述2個(gè)模塊分別編譯后鏈接，就能響應(yīng)INT2中斷了。

(2)字母大小寫

在C語(yǔ)言環(huán)境中，對(duì)于字母大小寫的區(qū)分是很嚴(yán)格的，因此在混合編程的過(guò)程中也應(yīng)該嚴(yán)格遵守這一點(diǎn)。例如，在寫命令文件時(shí)，誤將“．data”寫成“．daTA”，此時(shí)系統(tǒng)將無(wú)法給初始化代碼分配存儲(chǔ)空間，導(dǎo)致程序無(wú)法執(zhí)行。

(3)C語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)應(yīng)用

TI的C編譯器中內(nèi)置了很多函數(shù)，包含在rts2xx．1ib的函數(shù)庫(kù)中。庫(kù)函數(shù)并不是C語(yǔ)言的一部分，它是由人們根據(jù)需要編制并提供給用戶直接使用的。每一種C編譯系統(tǒng)都提供了一批庫(kù)函數(shù)，不同的編譯系統(tǒng)所提供的庫(kù)函數(shù)的數(shù)目、函數(shù)名及函數(shù)功能是不完全相同的。要使用庫(kù)函數(shù)，只需在源文件中添加語(yǔ)句“#include”函數(shù)名．h””，就可使用相應(yīng)的庫(kù)函數(shù)了。

結(jié) 語(yǔ)

以上提到的LF240xA DSP的C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程技術(shù)已經(jīng)在筆者參與開(kāi)發(fā)的卷煙機(jī)重量控制系統(tǒng)的控制軟件中得到應(yīng)用。實(shí)踐證明，采用混合編程的軟件更加契合一般嵌入式系統(tǒng)對(duì)時(shí)問(wèn)和空間的嚴(yán)格約束。設(shè)計(jì)良好的混合編程軟件既能有效地滿足嵌入式系統(tǒng)對(duì)功能與性能的需求，同時(shí)也可以為程序的擴(kuò)展和移植預(yù)留足夠的空間?；旌暇幊淌蔷幹茝?fù)雜的LF240xA控制軟件的有效方法，同時(shí)也是嵌入式系統(tǒng)軟件最優(yōu)化的重要途徑。