如何用C語言開發(fā)DSP嵌入式系統(tǒng)

摘要:目前很多嵌入式系統(tǒng)以DSP為核心構建，但是，采用匯編語言開發(fā)DSP系統(tǒng)存在開發(fā)難度大、開發(fā)周期長、維護性差等缺點，應用C語言開發(fā)DSP系統(tǒng)是廣大嵌入式開發(fā)者的迫切要求。有關單片機的C語言開發(fā)有相當多的資料可以參考，而DSP系統(tǒng)的C語言開發(fā)卻很少見。本文以TI公司的DSP器件TMS320F24X系列為例，講述怎樣用C語言開發(fā)一個完整的DSP嵌入式系統(tǒng)。

引言

大家在開發(fā)嵌入式產(chǎn)品時首先會想到用控制器的匯編語言編寫監(jiān)控程序，主要原因是：①匯編語言生成的程序?qū)亩M制代碼少，程序執(zhí)行要比高級語言生成的程序快；②控制器剛問世時，沒有相應的高級語言可供使用；③存儲器的價格問題和尋址空間的限制。

以上所述問題目前已基本解決，在這就不闡述了。實際情況是：在單片機的應用領域，開發(fā)者已開始使用C語言進行開發(fā)。大家發(fā)現(xiàn)用高級語言開發(fā)嵌入式產(chǎn)品是如此輕松，并且C語言程序編譯后的二進制代碼也非常短小精練。

目前使用最多的數(shù)字信號處理器（DSP）是美國TI公司的TMS320家族，而工業(yè)控制上用得最多的又是TMS320F2XX系列。TI公司為每一個DSP芯片提供了匯編語言和C語言供開發(fā)者選用。本人一直使用C語言進行產(chǎn)品開發(fā)，而目前很少見到這方面的介紹、所以特撰此文，以TMS320F240為例，向各位同行推薦用C語言開發(fā)DSP嵌入式系統(tǒng)。

1 DSP的C語言的特殊性

大家在使用51系列C語言時已經(jīng)注意到，控制器的C語言和PC機上使用的C有一個顯著的特點：經(jīng)常要對硬件操作，程序中有大量針對控制器內(nèi)部資源進行操作的語句。所以，開發(fā)者要明白怎樣用C語言來操縱控制器的內(nèi)部資源，即怎樣用C語句操作寄存器和內(nèi)部存儲器等。

舉個例子：在51匯編中我們寫 MOV A，＃20H；匯編程序能夠識別A是指累加器；而在51的C程序中我們寫ACC＝32；，編譯器能夠識別ACC是指累加器而不是一般的變量。即每一個寄存器都有一個專有名字供開發(fā)者使用，它們定義在一個頭文件reg51．h中，程序員只需在程序的開始部分用＃include“reg51．h”語句將該文件包含進來即可。注意：這些寄存器的名字不能用作變量名。

同樣，在TMS320F240的C語言中也有一個頭文件C240．H定義各個寄存器的名稱，這里摘錄幾條語句進行介紹。
比如：
＃define IMR（（PORT）0x0004）
＃define XINTI＿CR（（PORT） 0x07070）
IMR、XINT1_CR就對應兩個寄存器，實際是寄存器的地址，用高級語言的說法是指針。我們也在程序的開始部分用＃include“c240．h”語句將該文件包含進來。這樣，在DSP的C語言中使用它們只需在前面加一個星號（*），例如，
*IMR＝0X1010；/*將十六進制數(shù)1010H賦給IMR寄存器*/
*XINT1_CR＝0X0A0B0；/*將十六進制數(shù)A0B0H賦給XINT1＿CR寄存器*/

開發(fā)者最好將c240．h這個文件打印出來，弄清楚各個寄存器的定義名稱。至于不涉及硬件的語法和ANSI語法一樣。需要注意的是，有些ANSI標準中的函數(shù)在DSP的編譯器中不提供，讀者可以參考DSP編譯器的C語言手冊。搞清楚了這些特殊性，由匯編語言轉(zhuǎn)到C語言開發(fā)是很容易的事。當然，沒有匯編語言編程基礎的人同樣可以用C語言開發(fā)DSP應用系統(tǒng)。

有關嵌入式系統(tǒng)的C語言編程可參考《單片機與嵌入式系統(tǒng)應用》2001年1~6期《嵌入式C編程技術》，本文不作討論。下面只針對以TMS320F240芯片為處理器的嵌入式C語言編程進行闡述，希望能夠指導讀者進行具體操作。

2 TMS320F240芯片的C語言開發(fā)過程

簡單地說，整個過程包括以下5個步驟：
①編輯C語言源程序；
②編譯源程序（注意編譯參數(shù)）；
③鏈接目標文件（注意用CMD文件）；
④在線仿真；
⑤固化程序。

2．1源程序的編輯

可以用任何一個編輯器書寫源程序，如EDIT。NOTEPAD等，最后以．C為后綴存盤。源代碼可以寫在一個C文件中，也可寫在多個C文件中；有些預定義變量和函數(shù)原型聲明可以集中放在一個頭文件中。

注意事項：不要忘記在C程序的前面用 ＃in－clude “c240．h”將寄存器定義文件包括進來。

2．2源程序的編譯

源程序編輯好后可以用DSPCL編譯程序進行編譯，生成OBJ文件。

使用格式：DSPCL源文件名 參數(shù)

例如： DSPCL EX1．C－V2XX－GK－MN
　
常用參數(shù)的意義：
V2XX——表示C編譯器選擇處理器2XX系列；
GK——保留編譯生成的匯編文件（．ASM文件）；
MN——進行正常優(yōu)化。

其它參數(shù)請參考DSP編譯器的手冊。如果有多個源文件分別編譯，每一個源文件經(jīng)編譯后產(chǎn)生一個OBJ文件和ASM文件。

2．3 目標文件的鏈接

2．3．1 TI公司的COFF文件格式

TI公司新的匯編器和編譯器創(chuàng)建的目標文件采用COFF（Common Object File Format）的目標文件格式。采用COFF格式有利于模塊化編程，為管理代碼段和目標系統(tǒng)存儲器提供更加有力和靈活的方法?；贑OFF格式編寫匯編程序或C語言程序時，不必為程序代碼和變量指定目標地址；為程序編寫和程序移植提供了極大的方便。

COFF格式的基本思想是：鼓勵程序員在用匯編語言或C語言編程時運用代碼塊和數(shù)據(jù)塊的概念。這種塊稱為SECTION，是目標文件中的最小單位。

所有的塊分為兩大類：已初始化塊和未初始化塊。已初始化塊包含程序代碼和數(shù)據(jù)，未初始化塊是為未初始化的數(shù)據(jù)在存儲器中的保留塊。C編譯器對C程序編譯后產(chǎn)生已初始化塊和未初始化塊，已初始化塊如．text塊、．const塊、．cinit塊；未初始化塊如．bss塊。

舉個例子，當程序員用C語句float data［100］；定義一個數(shù)組時，不需要指定這100個數(shù)組元素的具體位置，編譯器會在數(shù)據(jù)區(qū)預留所需空間。到鏈接時鏈接器會具體定位。

2.3.2 鏈接器對塊的處理鏈接器對塊的處理有兩個功能：其一，將COFF目標文件中的塊用來建立程序塊和數(shù)據(jù)塊，并將這些塊組合成可以被DSP芯片執(zhí)行的COFF輸出模塊；其二，鏈接器為輸出塊指定存儲位置。

鏈接器提供兩個命令實現(xiàn)上述功能：MEMORY和SECTIONS。MEMORY命令定義目標系統(tǒng)的存儲器，程序員可以定義每一塊存儲器并指定起始地址和長度；SECTIONS命令用來定義輸入塊的組合和輸出塊在存儲器中的存放位置。若不用MEMORY和SECTIONS命令，鏈接器采用缺省的分配算法。推薦使用這兩個命令，但要注意這兩個命令在CMD文件（鏈接器命令文件）中使用。

下面分析一個TMS320F240芯片的典型CMD文件。（假設文件名 EX1．CMD。）

（1）CMD文件的構成及其詳細解釋
BOOT．OBJ /*F240的中斷矢量表，參見后面的說明*/
EX1．OBJ /*源程序編譯后對應的目標文件*/
/*若程序有多個目標文件，一塊寫在這里*/
-STACK 0X400 /*設定系統(tǒng)堆棧*/
-C /*ROM初始化*/
-O EX1．OUT /*輸出的文件名*/
－M EX1．MAP /*輸出映像文件名*/
－L RTS2XX．LIB /*漣接RTS2XX．LIB庫*/
MEMORY /*MEMORY命令規(guī)定系統(tǒng)的存儲器配置*/
｛
PAGEO：ROM0：origin＝0000h，length=003fh
/*FLASH ROM*/
PAGE0：ROM1：origin＝0040h，length＝0200h
/*FLASH ROM*/
PAGEO：ROM2：origin＝0240h，length＝3000h
/*FLASH ROM*/
PAGE1：RAM_B2：origin=0060h,length＝0020h
/*內(nèi)部RAMB2*/
PAGE1：RAM_B1：origin＝0300h，length=0100h
/*內(nèi)部RAM B1*/
PAGE1：RAM_B0：origin=0100h，length=0100h
/*內(nèi)部RAM B0*/
PAGE1：RAM_EX：origin=0d000h，length=2800h
/*外部擴展RAM*/
}
SECTIONS /*SECTIONS命令規(guī)定了程序中塊的具體分配方法*/
{
.vectors：load＝ROM0 /*規(guī)定矢量表的存放位置*/
.cinit：load＝rom1 /*C初始化表的存放位置*/
．text： load＝ROM2 /*系統(tǒng)程序的存放位置*/
．bSS load＝RAM＿B0 /*未初始化數(shù)據(jù)的存放位置*/
.const load＝RAM_B1 *已初始化數(shù)據(jù)的存放位置*/
｝

（2）TMS320F240鏈接時所需的中斷矢量表文件

TMS320F240的目標文件在鏈接時要用到中斷矢量表。中斷矢量表用匯編語言編寫，和具體的DSP芯片有關。假設TMS320F240的中斷矢量表對應的匯編程序為BOOT．ASM，匯編后的文件名為BOOT．OBJ。

下面是一個典型的矢量表文件。（假設程序名為BOOT．ASM。）

．port /*定義中斷函數(shù)的名字*/
.globl＿c_int0 /*中斷0對應的函數(shù)名*/
．globl_c_int1 /*中斷1對應的函數(shù)名，以下語句的意義相同*/
．globl＿c＿int2 /*可以將中斷函數(shù)名看作中斷入口地址*/
．globl_c_int3 /*矢量表的存放不需程序員干預*/
．globl_c_int4
．globl_c_int5
．globl_c_int6
．globl_c_int7
．globl_c_int8
·sect“.vectors”/*用.sect命令自定義一個塊，用于存放中斷矢量表*/
RSVECT B _c_int0 /*中斷0發(fā)生后，程序的跳轉(zhuǎn)目的地址*/
INT1 B _c_int1 /*中斷1發(fā)生后，則跳到c_int1（）函數(shù)處*/
INT2 B _c_int2 /*意義同上，下同*/
INT3 B _c_int3
INT4 B _c_int4
INT5 B _c_int5
INT6 B _c_int6

用匯編器匯編該程序，命令形式：DSPABOOT．ASM－V2XX生成BOOT．OBJ文件供鏈接器使用。這樣，就可以按如下形式在C源程序中編寫中斷函數(shù)：

voidc_inx（） /*x為1~8中之一*/
｛
中斷程序的C語句系列；
｝

注意事項：c_int0（）是系統(tǒng)入口函數(shù)，用戶不能編寫。

經(jīng)過上面對命令文件（CMD文件）和中斷矢量表的介紹，接下來可以鏈接命令文件來生成所需要的OUT文件供DSP芯片執(zhí)行或進行軟仿真。

命令形式：DSPLNK CMD文件名

例如：DSPLNK EX1．CMD

另一種情況是，不使用CMD文件，使用缺省配置，簡單介紹如下：

命令形式：DSPLNK OBJ文件名參數(shù)

例如：DSPLNK EX1．OBJ BOOT.OBJ－O XX1．OUT-M XX1．MAP

2.4程序的仿真

用EMURST仿真器復位命令

EMU2XXW EX1．OUT

載入COFF格式的二進制代碼仿真運行。有關調(diào)試器的使用略。
　
2．5程序的固化

程序仿真運行正確后，需要固化到Flash ROM中。TMS320F240內(nèi)部有16K字的Flash ROM可以用來固化程序，而不需要外擴EPROM（程序不大于16K字的情況下）。

TI公司提供有固化程序的軟件，可以通過仿真器經(jīng)JTAG口將程序?qū)懭胄酒瑑?nèi)、目前發(fā)展了一種新的固化技術，可以通過串口寫入DSP芯片，特別適合于現(xiàn)場調(diào)試。下面介紹通過JTAG口的固化方法。

首先用EMURST命令復位調(diào)試器，然后執(zhí)行下面三個批處理文件。

第一步，執(zhí)行BCO．BAT批處理文件，將FlashROM清除（CLEAR），使全為0。

第二步，執(zhí)行BE0．BAT批處理文件，將FlashROM擦除（ERASE），使全為1。

（以上兩步不需要修改軟件包中自帶的這兩個BAT文件。）

第三步，執(zhí)行BP16K．BAT批處理文件，將自己的OUT文件寫入到DSP內(nèi)部的Flash ROM中。執(zhí)行這一步之前，要先修改BP16K，BAT，將待寫入的OUT文件替換成自己的OUT文件。下面看一下這個批處理文件。假設軟件包的安裝目錄為C：DSP，該目錄下有一個子目錄SRC。

prg2xx－p240－m0x0006－w6srcc2xx_bpx．out要寫入的OUT文件

如果要將EX1．OUT寫入到DSP的Flash中，則執(zhí)行下面的命令：

prg2xx－p240－m0x0006－w6srcc2xx_bpX．out c：dspEX1.out

經(jīng)過以上步驟即完成了程序固化，可以將系統(tǒng)放到現(xiàn)場實驗了。

注意：固化程序時，CPU一定要工作在20MHz的頻率下。在SRC子目錄下有一個配置文件C240＿CFG．I，讀者可以根據(jù)程序說明并結(jié)合自己系統(tǒng)的外部晶振頻率將CPU的工作頻率設為20MHz（寫入時的頻率）。

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