嵌入式C語言開發(fā)ADSP21XX系列DSP
關(guān)鍵詞:DSP VisualDSP 嵌入式C語言 匯編語言
引言
長(zhǎng)期以來,在DSP系統(tǒng)開發(fā)中,一直把匯編語言作為主要的開發(fā)工具;但匯編語言與自然語言差距很大,不易常,而且匯編語言是依賴于處理器的,不利于軟件的可重復(fù)利用和系統(tǒng)的穩(wěn)定性,程序不易移植,給開發(fā)工作帶來了很大的困難。隨著嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜程度的不斷提高,用匯編語言編寫一個(gè)巨大的程度將是困難,甚至是不可能的。為此,AD公司推出了針對(duì)ADSP21XX系列DSP的嵌入式C和C++語言集成開發(fā)工具,分別是VisualDSP和VisualDSP++系列,這些開發(fā)工具提供了C語言和C++語音的開發(fā)功能。以下就以筆者在實(shí)際開發(fā)中的一些經(jīng)驗(yàn),結(jié)合VisualDSP6.1版本,介紹用C語言開發(fā)VisualDSP6.1版本,介紹用C語言開發(fā)ADSP21XX的方法。VisualDSP提供了一個(gè)開放源碼軟件組織GNU的C編譯器,和一套成熟穩(wěn)定的C運(yùn)行時(shí)間庫(kù)(C Run time Library)等。GNU的編譯器一向以編譯效率高著稱,在編譯后的代碼長(zhǎng)度和運(yùn)行速度方面非常優(yōu)秀;C運(yùn)行時(shí)間庫(kù)則把很多重復(fù)性的工作,如浮點(diǎn)運(yùn)行、三角函數(shù)、FFT等作為C語言的庫(kù)函數(shù),提供給用戶,大大提高了用戶的開發(fā)效率和程序的穩(wěn)定性,降低了開發(fā)難度,另外,由于把這些庫(kù)函數(shù)的源代碼提供給了用戶,還提高了C語言與匯編語言之間的透明性,使用戶開發(fā)的程序兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)。
1 Visual DSP簡(jiǎn)介
VisualDSP是AD公司的DSP開發(fā)工具,主要由可執(zhí)行文件、庫(kù)文件和各種幫助文檔組成。6.1版本還帶有一個(gè)基于圖形界面,針對(duì)21XX系列DSP的軟件仿真和調(diào)試工具。
VisualDSP的可執(zhí)行文件包括匯編、編譯、鏈接工具以及可執(zhí)行文件重新格式化工具等,見表1。
表1 VisualDSP的可執(zhí)行文件及用途
可執(zhí)行文件名 | 用 途 |
Asmpp.exe* | 匯編預(yù)處理程序 |
Asm2.exe* | 21XX系列匯編程序的匯編程序 |
Asm21.exe | 21XX系列命令行匯編程序 |
Ld21.exe | 21XX系列鏈接工具 |
G21.exe | 基于GNU的21XX系列C編譯器 |
Bld21.exe | 系統(tǒng)編譯工具,產(chǎn)生相應(yīng)于不同硬件體系的.ACH文件 |
Lib21.exe | 21XX系列的庫(kù)管理工具 |
Hspl21.exe | 把21XX系列可執(zhí)行文件變成HIP口可加載的格式 |
Spl21.exe | 把21XX系列可執(zhí)行文件變成PROM可燒寫的格式 |
注:“*”代表該程序一般不單獨(dú)使用,而昌由G21.exe或Asm21.exe調(diào)用。
VisualDSP套件中的軟件仿真調(diào)試工具DEBUGAPP,采用Windows圖形界面,使用方便。它的主要特點(diǎn)是:可以仿真調(diào)試從ADSP2101~2189全系列的DSP;支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、全速運(yùn)行等各種常見調(diào)試方法;可以隨時(shí)查詢和修改DSP的程序RAM(PM)、數(shù)據(jù)RAM(DM)和各寄存器的內(nèi)容;可以仿真中斷,進(jìn)行可執(zhí)行程序性能評(píng)估(Profile),因此可以進(jìn)行時(shí)序仿真。DEBUGAPP是調(diào)試程序和驗(yàn)證復(fù)雜算法的極好工具。
VisualDSP6.1還提供了豐富的幫助文檔,包括21XX系列的用戶手冊(cè)、匯編和C語言工具以及仿真調(diào)試程序的使用手冊(cè);還有C運(yùn)行庫(kù)的參考手冊(cè),列出了所有可用的C庫(kù)函數(shù)。用C語言開發(fā)DSP的典型流程如圖1所示。
2 C語言運(yùn)行庫(kù)結(jié)構(gòu)
C語言運(yùn)行時(shí)間庫(kù)是位于LIB目錄下的*.a文件,是整個(gè)C開發(fā)工具的核心之一,提供了大量的可以直接調(diào)用的庫(kù)函數(shù)。這些庫(kù)函數(shù)的函數(shù)原型包含在INCLUDE目錄下的頭文件中。這些頭文件有的還包含一些宏定義。另外,VisualDSP還把這些庫(kù)函數(shù)的匯編語言源代碼提供給出了用戶,方便了用戶從中提取有用的代碼,甚至修改源代碼,生成新的庫(kù),來適應(yīng)自己的要求。利用LIB21程序,還可以把自己的常用匯編子程序做成庫(kù),或是將實(shí)時(shí)性要求較高的代碼用匯編語言來寫,做成庫(kù),供C語言程序調(diào)用。
VisualDSP的C語言運(yùn)行庫(kù)由兩部分組成:應(yīng)用程序框架和預(yù)定義的各種庫(kù)函數(shù)。
不同的DSP型號(hào)有不同的硬件結(jié)構(gòu)、中斷向量表,所以對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序框架庫(kù)也不同,相應(yīng)的文件是21*_HDR.DSP.其中*代表不同的DSP型號(hào)。應(yīng)用程序框架的主體是中斷向量處理部分,把中斷向量引到合適的地址。其中最重要的是對(duì)系統(tǒng)復(fù)位(RESET_VECTOR)的中斷向量的處理:
_Reset_vector:CALL_lib_setup_everything;
CALL main_;
JUMP_lib_prog_term;
NOP;
第一條指令是調(diào)用C庫(kù)函數(shù)中的_ _lib_setup_everything函數(shù)作程序啟動(dòng)時(shí)的初始化工作。接下來,調(diào)用C語言程序中的main_函數(shù),進(jìn)入C程序的主體,也就是進(jìn)入用戶自己程序,開始正常工作。主程序結(jié)束后,再調(diào)用_lib_prog_term函數(shù),作程序退出時(shí)的結(jié)尾工作。由于嵌入式系統(tǒng)的特性,系統(tǒng)絕大多數(shù)都在主程序運(yùn)行時(shí)被繼電了,所以_lib_prog_term得到執(zhí)行的機(jī)會(huì)很小。
其它的中斷向量由C運(yùn)行庫(kù)來管理,匯編指令如下:
_Interrupt2:JUMP_lib_int2_ctrl;NOP;NOP;NOP;
其中的_lib_int2_crtl就是C語言庫(kù)中控制INT2的函數(shù)。如果用戶要使用該中斷,應(yīng)先把中斷服務(wù)程序用一個(gè)C庫(kù)函數(shù)Interrupt()把服務(wù)函數(shù)指針設(shè)定好,并打開相應(yīng)的中斷允許位,當(dāng)該中斷發(fā)生時(shí),_lib_int2_ctr1函數(shù)就會(huì)控制DSP跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的指針位置。
VisualDSP預(yù)定義的C語言庫(kù)函數(shù)包括數(shù)學(xué)函數(shù)、FFT函數(shù)、ANSI標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存管理和字符串管理函數(shù)的一個(gè)子集。所有的函數(shù)列表可參考VisualDSP的聯(lián)機(jī)文檔。這些庫(kù)函數(shù)以二進(jìn)制代碼的形式,打包集合在lib*.a文件中,用戶的C語言程序可以像使用自己的子程序一樣方便地調(diào)用這些庫(kù)函數(shù)。下面是調(diào)用庫(kù)函數(shù)的一個(gè)例子。
#includemath.h> //包含所需的頭文件
……
float a,b,c; //定義所需的變量
……
c=a*sin(b); //數(shù)學(xué)運(yùn)算
編譯后產(chǎn)生的匯編源代碼中有call sin_指令,就是調(diào)用sin庫(kù)函數(shù)的匯編語言指令語句。
從嵌入式開發(fā)的角度講,VisualDSP的C語言工具已經(jīng)提供了一個(gè)操作系統(tǒng)雛形的功能。在AD公司的ADMC系列DSP中,已經(jīng)把這些庫(kù)函數(shù)和一些電機(jī)控制專用的函數(shù),以及程序加載功能,集成在了DSP的片內(nèi)ROM中。
3 C語言與匯編語言混合編程方法
用C語言開發(fā)的缺點(diǎn)是不能精確控制程序運(yùn)行的時(shí)間,對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用,必須用匯編語言。VisualDSP為用戶提供了兩種與匯編語言的接口方法:用ASM()方法,直接嵌入?yún)R編語言語句;用匯編語言編寫子程序,供C語言程序調(diào)用。為了支持C語言與匯編程序程序的接口,VisualDSP預(yù)定義了諸如FUNCTION_ENTRY、EXIT、SAVE_REG、RESTORE_REG等13個(gè)宏。限于篇幅,不詳細(xì)介紹其功能。使用這些宏以前,要包含asm_sprt.h頭文件。
3.1 使用ASM()嵌入行的方法
使用這一方法時(shí),一定要注意各寄存器和堆棧當(dāng)前的狀態(tài),以免破壞程序運(yùn)行的環(huán)境,產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。VisualDSP保留了一些內(nèi)部寄存器供用戶的匯編代碼使用。用戶可以自由地修改其內(nèi)容,而不會(huì)對(duì)程序造成破壞。這些寄存器包括AR、AF、AY1、M5、11、16、MF、MR0等18個(gè)。如果不夠用,可以用系統(tǒng)定義的宏save_reg和restore_reg保護(hù)現(xiàn)場(chǎng),得到另外11個(gè)可用寄存器。另外要注意的是,在匯編語言中操作C語言中定義的變量時(shí),要在變量名后加下劃線。下面是一個(gè)嵌套匯編語言的例子:
int img228; //定義C語言變量
asm("ax0=0x5c;")
asm("dm(ing228_)=ax0"); //用匯編語言賦值要將Img228變成Img228_
img228=0x5c; //直接用C語言賦值
編譯后的匯編語言代碼是
ax0=0x5c;
dm(img228_)=ax0
my1=92;
dm(img228_)=my1;
注意前者可能會(huì)破壞程序結(jié)構(gòu),因?yàn)樗褂昧宋唇?jīng)保護(hù)的寄存器AX0;而由C語言產(chǎn)生的匯編代碼,則會(huì)自動(dòng)選擇合適的臨時(shí)寄存器MY1。
3.2 使用匯編子程序的方法
使用匯編子程序是C語言程序與匯編語言接口的另一種方法。用戶定義的子程序放在單獨(dú)的匯編文件中,或是做成二進(jìn)制的庫(kù)文件,并將子程序的定義用GLOBEL輸出,匯編后就可以供C語言程序調(diào)用。下面是一個(gè)不需要參數(shù)的子程序的例子:
.MODULE/RAM_delay_;
.external del_cycle; //聲明del_cycle是外部變量
.global delay; //聲明delay為全局函數(shù)
delay_:
runction_entry; //子程序開始標(biāo)志,必須要的
ar=dm(del_cycle_);
cntr=ar;
do d_loop until ce;
d_loop:nop;
exit; //子程序結(jié)束標(biāo)志,必須要的
.ENDMOD;
如果匯編語言子程序中用到了參數(shù),情況就復(fù)雜些。子程序中的入口參數(shù)前兩個(gè)一定要保存在AR、AY1中。如果參數(shù)多于兩個(gè)就要把其余的放在堆棧中。所有子程序的第一個(gè)返回值放在AR中。如果返回值不止一個(gè),就要用到變量型參數(shù)或者指針來獲得取所有的返回值了。下面是一個(gè)有5個(gè)輸入?yún)?shù)、1個(gè)返回值的子程序例子。
add5_:
function_entry;
ar=ar+ay1; //前面的兩個(gè)變量放在AR、AY1中
readsfirst(ay1); //從程序堆棧中讀取第三個(gè)變量
ar=ar+ay1;
ay1=readsnext; //從程序堆棧中讀取第四個(gè)變量
ar=ar+ay1;
ay1=readsnext; //從程序堆棧中讀取第五個(gè)變量
ar=ar+ay1; //返回值放在AR中
exit;
注意其中的readsfirst和readsnext都是匯編語言接口宏。其功能是從堆棧中讀取所有的參數(shù)。
4 C運(yùn)行庫(kù)的匯編源代碼
如果只用C語言來開發(fā)21XX程序,只要有C運(yùn)行庫(kù)的二進(jìn)制版就夠了。幸運(yùn)的是,AD公司把所有C運(yùn)行庫(kù)的匯編源代碼隨VisualDSP提供給了用戶,所以對(duì)那些用匯編語言開發(fā)的工程師來說,這些源代碼也提供了很大的幫助。因此這代表很多功能的子程序不需要自己去編碼、調(diào)試,用到某功能時(shí)只要把相應(yīng)的匯編代碼鏈接進(jìn)自己的程序就可以。C運(yùn)行庫(kù)的源代碼是擴(kuò)展名為DSP的文本文件。基本上一個(gè)庫(kù)函數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)文件,文件名就是函數(shù)名。比如說sin.dsp是正弦、余弦查找、使用都很方便,但是對(duì)于其中的交叉調(diào)用要注意。
反過來,用戶也可以把自己已經(jīng)調(diào)試、驗(yàn)證過的匯編子程序,做成二進(jìn)制庫(kù)文件,供C程序調(diào)用,這樣可以大大提高軟件的可重復(fù)利用率。要制作二進(jìn)制庫(kù)文件,只要用lib21.exe工具處理就行了。注意,生成的二制庫(kù)文件的名字必須以.a作為文件擴(kuò)展名。
筆者在實(shí)際的開發(fā)中,遇到這樣的情況,自制的2181目標(biāo)板上有一個(gè)自己開忍氣吞聲駐留程序,通過軟件模擬的異步串口與PC通信,加載程序。但是這個(gè)駐留程序占據(jù)了0~0x500的空間,用戶開發(fā)的程序只能加載到從0x500開始的空間內(nèi),而用C語言開發(fā)的程序起始地址都是從0開始的。為了解決這個(gè)問題,只能自己修改2181_hdr.dsp源文件。首先把第一行的.MODULE/ABS=0改成.MODULE/ABS=0x500,然后匯編成obj文件,代替原來的文件。另外,在自己的程序中定義一個(gè)從0開始0x500大小的PM區(qū)域,并初始化成0,就可以防止編譯器在該區(qū)域內(nèi)分配別的變量或程序代碼,這樣編譯后的可執(zhí)行文件的0~0x500空間都是0,加載時(shí)把它剔除,而其它有用的指令代碼都在0x500之后,解決了這一個(gè)問題。
5 總結(jié)
從實(shí)際開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)來看,VisualDSP的C語言開發(fā)功能十分豐富。雖然提供的庫(kù)函數(shù)只是ANSI的一個(gè)不完備子集,但是對(duì)于一般的工程開發(fā)來說已經(jīng)足夠用了,而且VisualDSP還提供了C運(yùn)行庫(kù)的源代碼,這對(duì)于解決函數(shù)不完備的問題也好處。用C語言開發(fā)的好處還包括開發(fā)時(shí)間大大減少,程序的穩(wěn)定性大大提高,這對(duì)于面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),對(duì)于減輕設(shè)計(jì)工程師的工作量都很有好處。最后,用C語言開發(fā)是趨勢(shì),必將更加流行。
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