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title="TMS320C54X">TMS320C54X系列，采用C語言和匯編語言混合編程的優(yōu)點;詳細闡述了混合編程方法的特點、應遵循的規(guī)則和詳細接口規(guī)范;給出了程序設計實例。
關鍵詞: 數(shù)字信號處理(DSP) TMS320C54X 混合編程
數(shù)字信號處理技術是一門涉及許多學科的新技術，廣泛應用于軍事、工業(yè)、航空、航天等諸多領域。數(shù)字信號處理技術由于其運算量大和實現(xiàn)算法復雜，通常采用專用的DSP芯片來實現(xiàn)。美國TI公司的TMS320C54X系列芯片是為實現(xiàn)低功耗和高性能而專門設計的定點DSP芯片。
TMS320C54X的主要特點包括:高運算速度、優(yōu)化的CPU結構、低功耗方式和智能外設等。
使用專用DSP芯片進行設計與開發(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源程序級進行開發(fā)調(diào)試。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程序。這是因為即使最佳的C編譯器，也無法在所有的情況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語言實現(xiàn)。
(2)完全用匯編語言開發(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，由于芯片類型的不同(如定點和浮點)，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，這些都是因為匯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語言和匯編語言進行軟件開發(fā)的各自的優(yōu)點，可以將兩者有機結合起來，兼顧兩者的優(yōu)點，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語言和匯編語言混合編程必須遵循一些有關的規(guī)則，否則會遇到一些意想不到的問題，給開發(fā)設計帶來許多麻煩。
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計方法，并給出了混合編程應遵循的規(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)獨立編寫匯編程序和C程序，分開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，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程序中實現(xiàn)C語言無法實現(xiàn)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?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:
?、倮ㄌ栔械膮R編語句必須以標號、空格、tab、分號開頭，這和通常的匯編編程的語法一樣。
?、诓灰茐腃環(huán)境，因為C編譯器并不檢查和分析嵌入的匯編語句。
?、鄄迦胩D(zhuǎn)語句和標號會產(chǎn)生不可預測的結果。
?、軈R編語句不要改變C程序中變量的值。
?、莶灰趨R編語句中加入?yún)R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編譯器從而產(chǎn)生具有交叉列表的匯編程序，而且程序員可以對其中的匯編語句進行修改。之后，對匯編程序進行匯編可產(chǎn)生目標文件。注意，修改匯編語句時切勿破壞C環(huán)境。
2 混合編程應遵循的規(guī)則和詳細的接口規(guī)范
2.1 寄存器規(guī)則
在C環(huán)境中，定義了嚴格的寄存器規(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)用過程中如何保護寄存器。調(diào)用函數(shù)時，被調(diào)用函數(shù)負責保護某些寄存器，這些寄存器不必由調(diào)用者來保護。如果調(diào)用者需要使用沒有保護的寄存器，則調(diào)用者在調(diào)用函數(shù)前必須予以保護。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，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。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被用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。
(2)堆棧指針SP在函數(shù)調(diào)用時必須予以保護，但其是自動保護的，即在返回時，壓入堆棧的內(nèi)容都將被全部彈出。
(3)ARP在函數(shù)進入和返回時，必須為0，即當前輔助寄存器為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 標識符命名規(guī)則
C編譯器將C程序中定義的所有標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)定了一組嚴格的函數(shù)調(diào)用規(guī)則。除了特殊的運行支持函數(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，造成不可預測的結果。
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中進行傳遞。若參數(shù)是長整型和浮點數(shù)時，則低位字先壓棧，高位字后壓棧。若參數(shù)中有結構形式，則調(diào)用函數(shù)給結構分配空間，其地址通過累加器A傳遞給被調(diào)用函數(shù)。
2.3.2 結果返回
函數(shù)調(diào)用結束后，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)彈出堆棧，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extern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)； /*進行函數(shù)調(diào)用*/
}
匯編程序:
_asmfunc： ；函數(shù)名前一定要有下劃線
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計要點和具體設計實例
在智能測振儀表的軟件設計中，要完成對振動信號進行數(shù)據(jù)采集，從而進行頻譜分析的主要功能。在這個具體實例中，主程序要完成系統(tǒng)的初始化，進行用戶操作界面顯示，并且進行鍵值查詢，根據(jù)按鍵值決定程序的流程，從而完成儀器設計要求的各項功能。主程序?qū)\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，因此采用C語言實現(xiàn)。另外一些子程序如FFT算法，對運行速度要求較高，可用匯編語言實現(xiàn)。而DSP與PC機的通訊與硬件串口有關，采用匯編語言易于實現(xiàn)編程，因此也采用匯編語言將其做成子程序，而在C語言編寫的主程序中調(diào)用它。
在實際的系統(tǒng)軟件設計中，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現(xiàn)，從而更充分地發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，將DSP技術更加充分地利用于各種系統(tǒng)設計中。
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)的采樣頻率*/
.
.
ad1247( adfreq，adlength)；/*調(diào)用匯編函數(shù)*/
.
.
}
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)名前要有下劃線
.bss len，1 ；定義局部變量len
.bss freq，1 ；定義局部變量freq，變量名前不必加下劃線
.
.
.
_ad1247： ；程序入口
PSHM AR6 ；保護AR6
PSHM AR7 ；保護AR7
PSHM AR1 ；保護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 AR1
POPM AR7 ；恢復 AR7
POPM AR6 ；恢復 AR6
RET ；返回
其中有關函數(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成:傳遞的參數(shù)所占的空間;局部變量所占的空間;一個字的空間(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編程的方法，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現(xiàn)上，而不必關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現(xiàn)，從而可以編寫出高效的處理程序，將DSP技術更加充分地利用于各種系統(tǒng)設計中。
參考文獻
1 TMS320C54X Optimizing C Compiler.Texas Insruments，1999
2 TMS320C54X DSP CPU and Peripherals. Texas Instruments，1999
3 張雄偉，曹鐵勇. DSP 芯片的原理與開發(fā)應用(第2版).北京:電子工業(yè)出版社，2000.9
4 戴明楨.TMS320C54X 數(shù)字信號處理器結構原理及應用. 南京航空航天大學，2000.6
5 莊健敏，余松煜. TMS320C5X的混合語言編程. 電子技術，2000(2)