TMS320C67x DSP Library在程序開發(fā)中的應(yīng)用

O 引言
    美國德州儀器(TI)公司的數(shù)字信號處理器(DSP)以其處理速度快，功能強大，易于使用，且有開發(fā)軟件支撐等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于通信、電子、自動控制等領(lǐng)域。一個完整的DSP系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)由硬件和軟件兩部分組成。在硬件(主要是DSP芯片)相同時，系統(tǒng)的性能將主要取決于軟件部分的效率。而在相同的硬件平臺上，不同程序員編寫的軟件效率相差很大，軟件效率已成為影響DSP系統(tǒng)性能的一個重要因素。要充分發(fā)揮D-SP芯片的性能，就必須編寫高效率的程序。一般在DSP進行運算時，有些操作會頻繁出現(xiàn)(如卷積、FFT、FIR濾波等)，完成這些操作的程序的效率直接影響整個軟件部分的效率。為此，TI公司提供了一系列庫函數(shù)(TI DSP Library，以下簡稱DSP Lib)來完成這些操作。這些庫函數(shù)既可減少程序員的工作量，又可提高程序效率，因此，在程序開發(fā)中，合理地使用這些庫函數(shù)，將大大提高系統(tǒng)性能。

1 TI DSP Library簡介
1．1 TI DSP Library的特點
    DSP Lib的核心實際上是一系列經(jīng)過手工優(yōu)化的匯編程序代碼，這些代碼封裝在后綴名為．lib的文件中，可用于完成各種運算。它們對外是不可見的。這些程序(庫函數(shù)，routines)可被C程序調(diào)用。由于經(jīng)過了手工優(yōu)化，它們的效率都非常高。由于不同系列DSP芯片的指令集不同，因此，不同系列DSP芯片的DSP Lib也是不同的，如TMS320C5000的DSP LIb就不能用于TMS320C6000。但是，各個系列DSP Lib的基本組成是相同的，一個完整的DSP Lib通常由Lib文件夾、include文件夾和其它輔助文件組成。其中l(wèi)ib文件夾用于存放*．lib文件，其內(nèi)部封裝著手工優(yōu)化的匯編程序代碼，是一個DSP Lib的核心部分。有的DSP Lib還有*．src文件，這些*．src文件主要是用C語言和匯編語言編寫的程序源代碼。使用歸檔器可從中提取出這些源代碼；而include文件夾用于存放各個庫函數(shù)的頭文件，通常這些文件分為C程序頭文件和匯編程序頭文件兩部分。
1．2 TI DSP Library的下載和安裝
    由于DSP Lib種類繁多，且屬可選模塊，通常的DSP開發(fā)環(huán)境(CCS，Code Composer Studio)并沒有配備DSP Lib。因此，使用一個DSP Lib之前，必須進行DSP Lib的下載和安裝。
    所謂下載，就是在TI公司網(wǎng)站W(wǎng)WW．ti．com上免費下載各種DSP Lib；而所謂安裝，就是在DSP Lib下載完畢后，雙擊安裝文件，以將它安裝在計算機中選定的位置(默認位置為C：＼ti)。安裝之后，即可在程序開發(fā)中使用DSP Lib的庫函數(shù)。
1．3 TI DSP Library的使用
    按處理數(shù)據(jù)類型的不同，TI DSP分為定點(fixed-point)DSP和浮點(floating-point)DSP。由于浮點DSP既有定點指令集，又有浮點指令集，因此，本文選取浮點DSP系列TMS320C67x的DSP Lib，并且選取了TMS320C67x DSP Library和TMS320C67x FastRTS Library兩個DSP Lib，前者主要針對數(shù)字信號處理的常用操作，后者則針對一般數(shù)學(xué)運算的通用操作。

2 TMS320C67x DSP Library的應(yīng)用
    當(dāng)DSP進行數(shù)據(jù)處理時，卷積、FFT、FIR濾波等操作頻繁出現(xiàn)，故在程序開發(fā)中，使用DSP Lib來完成這些操作將大大提高整個程序的效率并簡化編程。TMS320C67x DSP Library就是這樣的一個DSP Lib，它的lib文件夾內(nèi)含庫文件dsp67x.lib和源文件dsp67x.sr、dsp67x_C.sr-c、dsp67x_sa．src。TMS320C67x DSP Library主要用于TMS320C67x系列DSP芯片的程序開發(fā)，使用它可完成FFT運算。
2．1 TMS320C67x DSP Library的使用
    使用TMS320C67x DSP Library的第一步是將其核心文件“dsp67x．lib”加入到當(dāng)前工程中，相關(guān)編譯鏈接參數(shù)為“-ldsp67x．lib”；接著，將存儲頭文件的include目錄所在路徑添加到工程搜索路徑中，其相關(guān)編譯鏈接參數(shù)為“-i pathname”，具體操作可參考TI公司的有關(guān)文獻。選取該DSP Lib中的庫函數(shù)“DSPF_sp_cfftr2_dit()”可完成FFT運算，它使用的是基2的時間抽取算法，具體形式如下：
[!--empirenews.page--]
    同時，該庫函數(shù)還有一個對應(yīng)的頭文件“dspf_sp_cfftr2_dit．h”，使用時可將其包含到調(diào)用該庫函數(shù)的程序中。此時，該庫函數(shù)就可以像一般子程序一樣被其他程序調(diào)用，具體使用代碼如下：

    為了便于比較，可使用歸檔器指令“ar6x”從該DSP Lib的源文件“dsp67x_c.src”中提取出庫函數(shù)的源代碼，以得到文件“sp_cfftr2_ dit．c”。所有歸檔器指令的命令文件都存儲在CCS的安裝目錄下，這里，“ar6x”的使用格式為：
     ar6x-x dsp67x_c．src sp_cfftr2_dit．c
    從“sp_cfftr2_dit．c”中可得到庫函數(shù)“DSPF_sp_cfftr2_dit()”的C語言源代碼，相應(yīng)的C程序為“void sp_cfftr2_dit(float*x，float*w，short n)”，該程序可以像一般子程序一樣被主程序調(diào)用。源函數(shù)和庫函數(shù)的形式完全相同。實際上，庫函數(shù)就是對源函數(shù)的程序代碼進行手工優(yōu)化的結(jié)果。
2．2 性能分析
    分別使用庫函數(shù)和源函數(shù)可完成FFT運算。并可用CCS自帶的剖析工具“Profiler”來分析兩個函數(shù)由于編程方式的不同所帶來的運行時間上的差異。改變輸入數(shù)組的長度，可得到如表1所列的一組數(shù)據(jù)。由表1可以看出，庫函數(shù)的效率遠遠高于源函數(shù)，其效率的提高量隨著輸入數(shù)據(jù)長度的變化而變化，最高的效率可提高40倍(40．98-1=39．98)，最低仍在25倍左右，而且該DSP Lib的其他庫函數(shù)也有相近的測試結(jié)果。雖然用該DSP Lib的庫函數(shù)后，程序效率可以提高一個數(shù)量級，對于時間限制較為嚴格的系統(tǒng)，特別是實時系統(tǒng)，這仍然是非常有用的。
庫函數(shù)和源函數(shù)相比，其效率有了很大提高，但這種提高是有代價的。它主要表現(xiàn)為通用性降低。其原因是為了最大限度的提高效率，在對代碼進行手工優(yōu)化的過程中，引入了一些強假設(shè)，同時，使用了大量的操作合并、并行處理等簡化手段，這必然導(dǎo)致庫函數(shù)的通用性降低。例如，庫函數(shù)“DSPF_sp_cfftr2_dit()”使用時就會受到以下條件的限制：
    (1)輸入數(shù)組的長度必須是2的冪級數(shù)，且不得小于32；
    (2)輸入數(shù)組x和旋轉(zhuǎn)因子數(shù)組w必須按雙字對齊方式存儲，即數(shù)組起始地址的末3位必須是零；
    (3)數(shù)據(jù)的存儲格式必須是小端模式(Little Endian)；
    (4)執(zhí)行期間可接收中斷，但不予響應(yīng)，這可能導(dǎo)致一些實時事件得不到及時響應(yīng)。

    如果使用“DSPF_sp_cfftr2_dit()”時不考慮到這些限制，就有可能導(dǎo)致程序運行異常。因此，庫函數(shù)的效率雖然高，但不能盲目的濫用，在程序開發(fā)時，必須根據(jù)實際情況在通用性和效率之間進行折衷，以合理的使用庫函數(shù)。

3 TMS320C67x Fast RTS Library的應(yīng)用
    在DSP進行數(shù)據(jù)處理時，除了一些典型的操作外，還存在大量常規(guī)的操作，如除法操作、對數(shù)運算、三角函數(shù)等，這些操作也是很費時的，提高這些操作的代碼效率，也能顯著提高整個軟件的效率。TMS320C67x FastRTS Library就是這樣的一個DSP Lib，它通常由Lib文件夾、include文件夾和doc文件夾組成。其中l(wèi)ib文件夾內(nèi)含庫文件fastrts67x．lib(Little Endian)、fastrts67xe．lib(Big Endian)和源文件fastrts67x．src；include文件夾內(nèi)含頭文件fastrts67x．h和recip．h；而doc文件夾內(nèi)含幫助文件。
3．1 TMS320C67x FastRTS Library的使用
    TMS320C67x FastRTS Library(以下簡稱FastRTS Library)主要用于處理一些常規(guī)的操作。由于在通常情況下，CCS已經(jīng)有一個RTSLib-rary來完成這些操作(例如，“rts6700．lib”就是一個適用于TMS320C67x的RTS Library文件)，因此，如果要使用FastRTS Library，就必須在編譯鏈接過程中先于“rts6700．lib”來編譯鏈接“fastrts67x．lib(或fastrts67xe．lib)”，相應(yīng)的編譯鏈接命令選項為：
    -l fastrts67x．lib - rts6700．lib或 -l fastrts67xe．lib - rts6700．lib
    FastRTS Library同樣需要注意頭文件的使用，它有兩個頭文件： “fastrts67x．h”和“recip．h”。如果使用FastRTS Library中的特殊函數(shù)(三角函數(shù)，對數(shù)函數(shù)等)，則必須包含“fastrts67x．h”；而如果使用求倒數(shù)操作，則必須包含“recip．h”。FastRTS Library的使用方式如下：[!--empirenews.page--]

3．2 性能分析
    分別使用FastRTS Library和RTS Library可完成一些常用操作，使用剖析工具可得到各個操作所需的時鐘周期個數(shù)，具體如表2所列(所有的操作均處理單精度浮點數(shù))。對比表2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，和RTS Library相比，F(xiàn)astRTS Library大大提高了程序的效率。

4 DSP Lib的編寫
    事實上，程序員并非只能被動的使用DSP Lib。只要遵循相應(yīng)的規(guī)則，程序員也可以自己編寫一個DSP Lib。編寫一個最簡單的DSP Lib的步驟如下：
    (1)新建一個工程newLibrary，將其屬性設(shè)為“Library(．lib)”，圖l所示是新工程設(shè)置示意圖；

    (2)編寫高效率代碼文件myLibl．a(chǎn)sm、myLib2．a(chǎn)sm、myLib3．a(chǎn)sm，……
    (3)將myLibl．a(chǎn)sm、myLib2．a(chǎn)sm、myLib3．a(chǎn)sm，……等文件添加到工程new Library中；
    (4)編譯鏈接工程new Library；
    完成上面4步后，工程中就會出現(xiàn)庫文件newLibrary.lib，這樣，一個DSP Lib就制作成功了。為了使DSP Lib具有保密性，通常情況下，只需保留工程中的newLibrary．lib文件，而將其他文件，特別是源代碼文件*．a(chǎn)sm刪除或保密存放。這樣，用戶就只能使用庫文件，而無法從中得到源代碼的信息。

5 結(jié)束語
    本文以TMS320C67x DSP Library和TMS320C67x FastRTS Library為例，詳細介紹了如何在程序開發(fā)中使用TI DSP Library，并分析了使用TI DSP Library所帶來的程序效率的提高。最后，還給出了編寫TI DSP Library的一個應(yīng)用實例。