基于DSP的混合編程關(guān)鍵技術(shù)研究
引 言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/257551.htmDSP(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、國防、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。TMS320LF240xA DSP(以下簡稱LF240xA)是美國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)測控、電機(jī)控制、家用電器和消費(fèi)電子等場合。
LF240xA的軟件開發(fā)過程,既可以使用匯編語言,也可以使用C語言。匯編語言的代碼執(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;但其開發(fā)的工作量大,程序可讀性、移植性差。與匯編語言不同的是,C語言可讀性強(qiáng)、編程簡單、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)于控制來說,用C語言開發(fā)程序也有其明顯的缺點(diǎn):首先,C語言代碼有冗余,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)域來說不符合要求;其次,C語言無法實(shí)現(xiàn)某些底層的操作。
在具體軟件開發(fā)過程中,可以將匯編語言和C語言結(jié)合起來編程,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語言和匯編語言的混合編程技術(shù)對(duì)于DSP的軟件開發(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(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)別類型連接起來的一個(gè)簡單的跳轉(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語言程序中直接嵌人匯編語句;三、分別編寫C語言程序和匯編語言程序,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語言程序與匯編語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語言程序中嵌入?yún)R編語言
C語言程序支持asm指令,所以可以利用這條指令直接將匯編語句嵌入到C語言程序中。LF240xA中一些C語言無法操作的控制位,可以采用這種方式來實(shí)現(xiàn)。這種方法只需在匯編語句兩邊加上雙引號(hào)并用小括號(hào)括起來,前面再加上asm關(guān)鍵字,即“asm(“匯編語句”);”。需要注意的是,匯編語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)開頭。例如,在匯編語言中開中斷指令SETC INTM,嵌入到C語言中為“asm(“SETCINTM”);”。這種方式雖然操作簡單,但是匯編代碼很有可能破壞原來的C語言環(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始的系統(tǒng)初始化部分少量使用,而在C語言中嵌入實(shí)現(xiàn)某一完整功能的多句匯編語言時(shí),不提倡采用這種方式。
2.2 C語言與匯編語言程序相互調(diào)用
(1)C語言程序調(diào)用匯編函數(shù)
C語言程序中調(diào)用的匯編函數(shù),在匯編語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從硬件堆棧中彈出返回地址,然后把它壓入軟件堆棧;
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,則從軟件堆?;謴?fù)它們的值;
⑩從軟件堆?;謴?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)操作通過下面的命令語句實(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))。在上述操作過程中,對(duì)軟件堆棧的處理至關(guān)重要。圖1所示為C語言程序調(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。
下面以具體例子來講述這個(gè)操作過程。
(2)匯編語言程序調(diào)用C函數(shù)
匯編語言程序中調(diào)用C函數(shù)。被調(diào)用的C函數(shù)在C語言環(huán)境中需要用extern進(jìn)行定義,在匯編程序中用.ref說明為外部標(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??臻g。C函數(shù)的返回值可以通過訪問累加器獲得。具體例子如下。
C語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語言有interrupt修飾符可以用來定義中斷服務(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)將無法給初始化代碼分配存儲(chǔ)空間,導(dǎo)致程序無法執(zhí)行。
(3)C語言庫函數(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)庫中。庫函數(shù)并不是C語言的一部分,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)都提供了一批庫函數(shù),不同的編譯系統(tǒng)所提供的庫函數(shù)的數(shù)目、函數(shù)名及函數(shù)功能是不完全相同的。要使用庫函數(shù),只需在源文件中添加語句“#include”函數(shù)名.h””,就可使用相應(yīng)的庫函數(shù)了。
結(jié) 語
以上提到的LF240xA DSP的C語言和匯編語言混合編程技術(shù)已經(jīng)在筆者參與開發(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。
評(píng)論