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(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程的優(yōu)點(diǎn)；詳細闡述了混合編程方法的特點(diǎn)、應遵循的規則和詳細接口規范；給出了程序設計實(shí)例。

關(guān)鍵詞：數字信號處理（DSP） TMS320C54X 混合編程

數字信號處理技術(shù)是一門(mén)涉及許多學(xué)科的新技術(shù)，廣泛應用于軍事、工業(yè)、航空、航天等諸多領(lǐng)域。數字信號處理技術(shù)由于其運行量大和實(shí)現算法復雜，通常采用專(zhuān)用的DSP芯片來(lái)實(shí)現。美國TI公司的TMS320C54X系列芯片是為實(shí)現低功耗和高性能而專(zhuān)門(mén)設計的定點(diǎn)DSP芯片。

TMS320C54X的主要特點(diǎn)包括：高運算速度、優(yōu)化的CPU結構、低功耗方式和智能外設等。

使用專(zhuān)用DSP芯片進(jìn)行設計與開(kāi)發(fā)包括硬件和軟件兩個(gè)方面。通常有以下三種軟件設計方式：

（1）完全用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。TI公司提供了用于C語(yǔ)言開(kāi)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(kāi)發(fā)調方式。這種方式大大提高了軟件的開(kāi)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(wú)法與手工編寫(xiě)的匯編代碼的效率相比，如FFT編程。這是因為即使最佳的C編譯器，也無(wú)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(yǔ)言實(shí)現DSP芯片的某些硬件控制也不如匯編程序方便，有些甚至無(wú)法用C語(yǔ)言實(shí)現。

（2）完全有匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，TI公司提供了用于匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的針對TMS320C54X的匯編語(yǔ)言。用戶(hù)可以用它進(jìn)行軟件開(kāi)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，程序執行速度快。但是用DSP芯片的匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序是比較繁雜的。一般來(lái)說(shuō)，不同公司的芯片匯編語(yǔ)言是不同的，即使是同一公司的芯片，由于片類(lèi)型的不同（如定點(diǎn)和浮點(diǎn)），芯片的升級換代，其匯編語(yǔ)言也不同。因此，用匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)基于某種DSP芯片的產(chǎn)品周期較長(cháng)，并且軟件的修改和升級較困難，這些都是因為匯編語(yǔ)言的可讀性和可移植性較差所致。

（3）用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程開(kāi)發(fā)。為了充分利用DSP芯片的資源，更好地發(fā)揮C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)的各自的優(yōu)點(diǎn)，可以將兩者有機結合起來(lái)，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到設計要求，完成設計功能。但是，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程必須遵循一些有關(guān)的規則，否則會(huì )遇到一些意想不到的問(wèn)題，給開(kāi)發(fā)設計帶來(lái)許多麻煩。

本文提出了基于DSP（TMS320C54X）的C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程的程序設計方法，并給出了混合編程應遵循的規則和需要注意的一些問(wèn)題。

1 TMS320C54X的C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程方法

C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合編程有以下幾種方法：

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

（2）在C程序中直接內嵌匯編語(yǔ)句。此種方法可以在C程序中實(shí)現C語(yǔ)言無(wú)法實(shí)現的一些硬件控制功能，如修改中斷控制寄存器、中斷標志寄存器等。嵌入匯編語(yǔ)句的方法比較簡(jiǎn)單，只需在匯編語(yǔ)句的兩邊加上括號和雙引號，并且在括號前加上asm標識符即可，即asm(“匯編語(yǔ)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(yǔ)句必須以標號、空格、tab、分號開(kāi)頭，這和通常的匯編編程的語(yǔ)法一樣。

②不要破壞C環(huán)境，因為C編譯器并不檢查和分析嵌入的匯編語(yǔ)句。

③插入跳轉語(yǔ)句和標號會(huì )產(chǎn)生不可預測的結果。

④匯編語(yǔ)句不要改變C程序中變量的值。

⑤不要在匯編語(yǔ)句中加入匯編器選項而改變匯編環(huán)境。

（3）將C程序編譯生成相應的匯編程序，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(gè)有交叉列表的匯編程序，而且程序員可能對其中的匯編語(yǔ)句進(jìn)行修改。之后，對匯編程序進(jìn)行匯編可產(chǎn)生目標文件。注意，修改匯編語(yǔ)句時(shí)切勿破壞C環(huán)境。

2 混合編程應遵循的規則和詳細的接口規范

2.1 寄存器規則

在C環(huán)境中，定義了嚴格的寄存器規則。寄存器規則明確了編譯器如何使用寄存器以及在函數調用過(guò)程中如何保護寄存器。調用函數時(shí)，被調用函數負責保護某些寄存器，這些寄存器不必由調用者來(lái)保護。如果調用者需要使用沒(méi)有保護的寄存器，則調用者在調用函數前必須予以保護。下面具體說(shuō)明寄存器規則：

（1）輔助寄存器AR1、AR6、AR7由被調用函數保護，即可以在函數執行過(guò)程中修改，但在函數返回時(shí)必須恢復。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(gè)寄存器變量，AR6被有作第二個(gè)寄存器變量，其順序不能改變。

AR0、AR2、AR3、AR4、AR5可以自由使用，即在函數執行過(guò)程中可以修改，而且不必恢復。

（2）堆棧指針SP在函數調用時(shí)必須予以保護，但其是自動(dòng)保護的，即在返回時(shí)，壓入椎棧的內容都將被全部彈出。

（3）ARP在函數進(jìn)入和返回時(shí)，必須為0，即當前輔助寄存器為AR0。函數執行時(shí)可以是其它值。

（4）在缺省的情況下，編譯器總是認為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(shí)，必須將其恢復為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。

2.2 標識符合名規則

C編譯器將C程序定義的所有標識符前都加一下劃線(xiàn)（-）。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(xiàn)（-）。如果變量?jì)H在匯編模塊中使用，則不加下劃線(xiàn)（-）的變量名可以任意使用，而不會(huì )與C標識符發(fā)生沖突。

2.3 函數調用規則

C編譯器規定了一組嚴格的函數調用規則。除了特殊的運行支持函數外，任何調用C函數或被C函數所調用的函數都必須遵循這些規則，否則就會(huì )破壞C環(huán)境，造成不可預測的結果。

2.3.1 參數傳遞

函數調用前，將參數以逆序壓入運行堆棧，即最右邊的參數最先入棧，然后自右向左將參數依次入棧。但是，對于TMS320C54X，在函數調用時(shí)，第一個(gè)參數放入累加器A中進(jìn)行傳遞。若參數是長(cháng)整型和浮點(diǎn)數時(shí)，則低位字先壓棧，高位字后壓棧。若參數中有結構形式，則調用函數給結構分配空間，其地址通過(guò)累加器A傳遞給被調用函數。

2.3.2 結果返回

函數調用結束后，將返回值置于累加器A中。整數和指針在累加器A的低16位中返回。浮點(diǎn)數和長(cháng)整型數在累加器A的32位中返回。

2.3.3 函數調用時(shí)需注意的一些問(wèn)題

參數不是由被調用函數彈出椎棧，而是由調用函數彈出。因此調用函數可以傳遞任意數目的參數至函數，而且函數不必知道有多少個(gè)參數傳遞。

在匯編程序中，除了自動(dòng)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(dòng)程序認為.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)生不可預料的結果。

如果要定義在C程序中訪(fǎng)問(wèn)的匯編變量或調用的匯編子程序，則必須在匯編程序中用.global說(shuō)明為外部；同樣，如果要定義在匯編程序中要調用的C函數或訪(fǎng)問(wèn)變量，也必須在C程序中將其以exterm說(shuō)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*/

/*注意函數名前不要加下劃線(xiàn)*/

int gvar; /*定義全局變量*/

main( )

{

int I=3;

I=asmfunc(i); /*進(jìn)行函數調用*/

}

匯編程序：

_asmfunc: ；函數名膠一定要有下劃線(xiàn)

ADD *(-gvar),A ；I的值在累加器A中

STL A，*（-gvar） ；返回結果在累加器A中

RETD ；子程序返回

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

在智能測試儀表的軟件設計中，要完成對振動(dòng)信號進(jìn)行數據采集，從而進(jìn)行頻譜分析的主要功能。在這個(gè)具體實(shí)例中，主程序要完成系統的實(shí)始化，進(jìn)行用戶(hù)操作界面顯示，并且進(jìn)行鍵值查詢(xún)，根據按鍵值決定程序的流程，從而完成儀器設計要求的各項功能。主程序對運行速度和代碼效率要求不高，但要求可讀性強且修改維護容易，因此采和C語(yǔ)言實(shí)現。另外一些子程序如FFT算法，對運行速度要求較高，可用匯編語(yǔ)言實(shí)現。而DSP與PC機的通訊與硬件串口有關(guān)，采用匯編語(yǔ)言易于實(shí)現編程，因此也采用匯編語(yǔ)言鈄其做成子程序，而在C語(yǔ)言編寫(xiě)的主程序中調用它。

在實(shí)際的系統軟件設計中，可以根據具體情況來(lái)選擇將某一模塊或某一子程序用C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現，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設計中。

在此，僅以A/D數據采集為例來(lái)具體說(shuō)明C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的相互調用問(wèn)題。由于篇幅有限，僅列出與混合編程及相互調用相關(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*/

/*函數名前不必加下劃線(xiàn)*/

main( ) /*主程序*/

{

int adlength=2048； /*數據的采樣長(cháng)度*/

int adfreq=40; /*數據采樣頻率*/

.

.

}

匯編程序：

.mmregs

FP .set AR7

.sect.text

.global_ad1247 ;定義匯編子程序，以global說(shuō)明要被外部的C程序調用，函數名前要有劃線(xiàn)

.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(xiàn)

.

.

.

_ad1247 ;程序入口

PSHM AR6 ；保護AR6

PSHM AR7 ；保護AR6

PSHM AR1 ；保護AR1

FRAME #-16 ；為建立的局部幀分配空間函數體

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

SSBX CPL ；用SP的直接尋址方式

LD @17，A ；第二個(gè)參數的偏移地址

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

.

.

.

FRAME #16 ；釋放局部幀的空間

POPM AR1 ；恢復 AR1

POPM AR7 ；恢復 AR7

POPM AR6 ；恢復 AR6

RET ；返回

其中有關(guān)函數調用中堆棧的使用和分配，詳見(jiàn)圖1.

注意：為局部幀分配的空間由三部分構成：傳遞的參數所占的空間；局部變量所占的文憑間；一個(gè)字節空間（這一部分可能不存在），其有無(wú)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(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合諧和的方法，可以大大提高編程的效率，使程序設計者可以把精力更多地集中到算法的實(shí)現上，而不必關(guān)心寄存器的使用和安排；在一些要求代碼執行效率高的地方可以用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現，從而可以編寫(xiě)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設計中。