基于ADSP-TS101S嵌入式系統(tǒng)的混合編程

ADSP-TS101S是美國(guó)ADI公司推出的一款具有極高性能的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片，其專為大信號(hào)處理任務(wù)和通信應(yīng)用進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在嵌人式信號(hào)處理中得到廣泛應(yīng)用。ADSP-TS101S的軟件設(shè)計(jì)可以采用匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言(C/C )或高級(jí)語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程。完全采用匯編編程，執(zhí)行效率高，但對(duì)于復(fù)雜算法編寫難度大，開發(fā)周期長(zhǎng)，可讀性和可移植性差；而完全采用C編程雖然可以彌補(bǔ)匯編的缺陷，但是程序的執(zhí)行效率相對(duì)較低，大概只有匯編程序的10％～20％，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高的處理，如雷達(dá)信號(hào)處理，很難滿足要求。采用混合語(yǔ)言編程，用c語(yǔ)言構(gòu)建框架，用匯編完成運(yùn)算量較大的核心處理模塊及硬件底層管理，就可以把兩者的優(yōu)點(diǎn)有效地結(jié)合起來(lái)。C和匯編語(yǔ)言的混合編程有三種形式：一是對(duì)C程序編譯后形成的匯編程序進(jìn)行手工修改與優(yōu)化；二是直接在C代碼中插入?yún)R編語(yǔ)句，只需在匯編語(yǔ)句兩邊加上雙引號(hào)和括號(hào)，在括號(hào)前面加上標(biāo)識(shí)“asm"，如asm(“匯編語(yǔ)句”)；三是分別編寫C程序和匯編程序，再獨(dú)立編譯成目標(biāo)代碼模塊鏈接。第一種方法對(duì)程序可讀性負(fù)面影響較大。第二種方法適用于C與匯編效率差異較大的情況，如進(jìn)入中斷的中斷子程序等。第三種方法最常用，需要遵循一些規(guī)定的接口規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

1 混合編程的接口規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

①在C／C 環(huán)境下，TigerSHARC定義了一套嚴(yán)格的寄存器規(guī)則，它分為三類：

第一類是保留寄存器，j16～j25、k16～k25、xr24～xr31、yr24～yr31，共40個(gè)，作為編譯系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)專門使用的寄存器。編寫程序時(shí)應(yīng)避免使用這些寄存器，以免誤改了系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)。若在子程序中使用到，必須在被調(diào)用時(shí)保存，調(diào)用完后釋放。
第二類是堆棧專用寄存器，k26、27和j26、j27四個(gè)，這些寄存器在調(diào)用時(shí)都需要保護(hù)。
第三類是高速暫存寄存器，包括除了以上兩類寄存器以外的所有寄存器。用法和匯編中的普通寄存器是一樣的，使用前不需要保存寄存器內(nèi)容。

在默認(rèn)情況下，cjmp寄存器用作存放被調(diào)函數(shù)的返回地址，但在嵌套調(diào)用中，這個(gè)值會(huì)被修改。為了保證安全返回，一般把返回地址存放在堆棧頂偏移地址為0的地方。

函數(shù)調(diào)用有時(shí)需要參數(shù)傳遞，通常，若參數(shù)少于5個(gè)，則通過(guò)寄存器傳遞，如表1所列。



如果在C／C 調(diào)用函數(shù)中作了正確的函數(shù)返回聲明，則被調(diào)用的匯編函數(shù)可使用寄存器j8、xr8和xr9返回有效值。j8用于返回整數(shù)或地址；xr9：8可提供雙字結(jié)果返回。若返回值大于2個(gè)字長(zhǎng)，則必須為它們分配存儲(chǔ)空間，令j8為返回值，指向該空間的首地址即可。

②在C／C 中聲明的全局變量及函數(shù)，匯編中加“一”前綴才能使用；在匯編中的對(duì)象必須用”一”前綴命名，并用．g10bal聲明為全局變量，才可在C／C 中訪問(wèn)到。具體格式如表2所列。

2 混合編程的調(diào)用和中斷

2.1 函數(shù)調(diào)用

C編譯器對(duì)函數(shù)調(diào)用有一系列嚴(yán)格的規(guī)則。除了特殊的運(yùn)行支持函數(shù)外．任何函數(shù)與c函數(shù)互調(diào)都必須遵循這些規(guī)則。函數(shù)調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行模式為：①調(diào)用者將參數(shù)莊人堆棧。壓入時(shí)按照反序進(jìn)行，即最右邊的參數(shù)位于堆棧的頂部。②調(diào)用函數(shù)。③調(diào)用結(jié)束時(shí)，調(diào)用者將參數(shù)彈出堆棧并返回。整個(gè)過(guò)程離不開堆棧操作。函數(shù)調(diào)用中的堆棧結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。



ADSP-TS101S的堆棧是一個(gè)先入后出存儲(chǔ)區(qū)(如圖1)，用堆棧指針(j／k27)和幀指針(j／k26)來(lái)管理堆棧。調(diào)用函數(shù)時(shí)，編譯器在運(yùn)行棧中建立一個(gè)幀以存儲(chǔ)信息，當(dāng)前函數(shù)幀稱為局部幀。j／k26指向當(dāng)前函數(shù)的局部幀的開始，即棧底。j／k27指向棧頂，工作方式是向低地址變化。每調(diào)用一次函數(shù)，就建立一個(gè)新幀。C環(huán)境利用局部幀來(lái)實(shí)現(xiàn)如下功能：

①保護(hù)函數(shù)的返回地址及相關(guān)寄存器：把函數(shù)返回地址保存在j27 0的位置(棧頂)，同時(shí)設(shè)置jZ6為j27-0x40(棧底)，得到長(zhǎng)度為64的棧區(qū)，并在棧區(qū)內(nèi)保護(hù)相關(guān)寄存器。
②分配局部變量：在局部變量賦初值的時(shí)候，系統(tǒng)在堆棧內(nèi)給它分配一個(gè)空間。
③傳遞函數(shù)參數(shù)：前4個(gè)參數(shù)傳遞給相應(yīng)寄存器(見表1)，后續(xù)參數(shù)按順序裝載到堆棧j27 0xC起始的空間中。注意，如果傳遞的參數(shù)是結(jié)構(gòu)類型，則其所有元素將入棧。例：第五個(gè)參數(shù)是兩元素的結(jié)構(gòu)體，則元素一放于jZ7 0xC，元素二放于j27 0xD，匯編子程序在使用參數(shù)時(shí)只需從對(duì)應(yīng)的位置上讀取即可。

C環(huán)境在調(diào)用C函數(shù)時(shí)自動(dòng)管理這些操作，當(dāng)匯編與C接口時(shí)，必須采用與C一樣的方式進(jìn)行操作。這個(gè)過(guò)程可用圖1詳細(xì)描述。特別需要注意的是，由于C編譯器不提供檢查堆棧溢出的任何手段，因此必須保證有足夠的空間用于堆棧；否則若發(fā)生溢出現(xiàn)象，將破壞程序的運(yùn)行環(huán)境，從而導(dǎo)致程序的癱瘓。

2.2 中 斷

中斷是DSP控制程序執(zhí)行的重要方式。通常，DSP工作在包含多個(gè)外部異步事件的環(huán)境中，這些異步事件的隨機(jī)發(fā)生要求DSP能中斷當(dāng)前的處理程序并轉(zhuǎn)向執(zhí)行該事件處理程序，執(zhí)行完后又要求返回被中斷的原程序繼續(xù)處理步驟，這一過(guò)程就是中斷。中斷源可以來(lái)自片內(nèi)或片外的設(shè)備，例如時(shí)鐘、A／D等。中斷的設(shè)置包含兩步——①打開中斷屏蔽寄存器的相應(yīng)中斷位，②設(shè)置中斷服務(wù)程序的入口地址，這樣就能實(shí)現(xiàn)中斷的正常運(yùn)行。中斷服務(wù)程序是特殊的函數(shù)，不能帶返回值，不能傳遞參數(shù)，內(nèi)容須短而有效。標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行模式為：①保存斷點(diǎn)地址并保護(hù)所有用到的寄存器，②執(zhí)行中斷服務(wù)程序，③釋放寄存器并返回。

ADSP-TS101s中C語(yǔ)言中斷實(shí)現(xiàn)有兩種方法：一種是采用interrupt(int，vuid(*func(int)))函數(shù)來(lái)設(shè)置中斷矢量表，這個(gè)函數(shù)定義在signal.h頭文件中。第一個(gè)參量表示需響應(yīng)的中斷位，在這個(gè)頭文件中也有定義；第二個(gè)參數(shù)即是中斷服務(wù)程序。應(yīng)該引起注意的是，采用這種方法時(shí)，IMASK寄存器的異常中斷位必須打開，因?yàn)閕nterrupt()庫(kù)函數(shù)要使用trap語(yǔ)句來(lái)產(chǎn)生陷阱，必須打開異常中斷，陷阱才能設(shè)置成功，中斷矢量表的設(shè)置才能完成，否則，中斷來(lái)l臨并不會(huì)進(jìn)入指定的中斷服務(wù)程序。另一種與匯編語(yǔ)言中斷服務(wù)程序的實(shí)現(xiàn)類似。以定時(shí)器O為例，設(shè)置好IMASK后，用_builtin_sysreg_write(_ⅣTIMEROHP，(int)timer0h_isr)函數(shù)設(shè)置中斷矢量表，用#pragma interrupt來(lái)標(biāo)識(shí)中斷服務(wù)程序即可。這種方法更簡(jiǎn)單快捷，但它只適用于Visua1DSP 3.5以上版本，而第一種方法適用于任何版本。

3 程序優(yōu)化

程序優(yōu)化包括匯編優(yōu)化和C優(yōu)化。手寫匯編程序的優(yōu)化空間相當(dāng)大，可以產(chǎn)生非常高效的程序代碼。由于許多相關(guān)書籍都有介紹，就不再贅述，這里主要介紹C程序的優(yōu)化。

一般DSP的C編譯器都會(huì)提供優(yōu)化編譯器，采用優(yōu)化編譯就可以生成效率更高的匯編代碼，在某些情況下，執(zhí)行優(yōu)化的程序代碼要快10～20倍。從某種程度上說(shuō)，C程序的效率主要取決于C編譯器所能進(jìn)行優(yōu)化的范圍和數(shù)量。應(yīng)說(shuō)明的是，TSl01S編譯器的默認(rèn)設(shè)置是不使用優(yōu)化器，它可以進(jìn)行以下幾個(gè)不同級(jí)別的優(yōu)化，優(yōu)化程度由低到高：

①Debugging：“-g”開啟。編譯器產(chǎn)生調(diào)試信息，以確保目標(biāo)碼與相應(yīng)的源代碼匹配。
②DefauIt：編譯器進(jìn)行基本的高級(jí)優(yōu)化。例如對(duì)明確標(biāo)明的內(nèi)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行內(nèi)聯(lián)。
③Procedural optimization：“-o”啟動(dòng)。編譯器對(duì)要編譯的文件中的每一過(guò)程進(jìn)行高級(jí)優(yōu)化。如果同時(shí)開啟“-g”，由于“-O”項(xiàng)有更高的優(yōu)先級(jí)，會(huì)限制調(diào)試功能。
④Interprocedural optimization：“-ipa"打開。除了基本優(yōu)化外，編譯器將對(duì)所有源文件的整個(gè)程序進(jìn)行高級(jí)優(yōu)化操作，將刪除從沒被調(diào)用的函數(shù)和變量，會(huì)明顯減少代碼長(zhǎng)度。

以上“-g”、“-O”、“-ipa”在編譯信息中可以看到。優(yōu)化級(jí)越高，優(yōu)化的范圍就越廣。應(yīng)注意的是，使用C優(yōu)化編譯可以提高程序的運(yùn)行效率，但由于優(yōu)化時(shí)采用了一些優(yōu)化措施，使得C和匯編的交叉列表文件不如在不用優(yōu)化時(shí)得到的那樣清晰。因此，在調(diào)試程序時(shí)，最好先不用優(yōu)化編譯進(jìn)行調(diào)試，待程序調(diào)試成功后再用優(yōu)化編譯進(jìn)行優(yōu)化。采用C優(yōu)化編譯時(shí)，為了保證程序的正確性，特別需要注意幾點(diǎn)：

①使用asm行匯編語(yǔ)句時(shí)必須特別小心。優(yōu)化器在優(yōu)化過(guò)程中會(huì)對(duì)程序代碼重新進(jìn)行組織，寄存器使用也比較靈活，同時(shí)程序中的有些變量或表達(dá)式可能會(huì)被刪除。雖然asm語(yǔ)句不會(huì)被刪除，但asm語(yǔ)句的前后環(huán)境可能因優(yōu)化而發(fā)生很大的變化。因此，當(dāng)asm語(yǔ)句涉及到C環(huán)境或訪問(wèn)C變量時(shí)，使用優(yōu)化器可能會(huì)得到不正確的結(jié)果。此時(shí)，必須對(duì)編譯后得到的匯編語(yǔ)句進(jìn)行仔細(xì)的檢查，以確保asm語(yǔ)句在程序中的正確性。一般而言，當(dāng)asm語(yǔ)句僅涉及諸如控制中斷寄存器或I／0口等硬件操作時(shí)，使用優(yōu)化是比較安全的。

②在高級(jí)優(yōu)化中，C語(yǔ)言源函數(shù)中從未使用過(guò)的變量和函數(shù)將被刪除。若匯編子函數(shù)的C外部變量在C程序中從未使用過(guò)，有可能被刪除并導(dǎo)致編譯失敗。使用retain_name pragma可以避免變量和函數(shù)因優(yōu)化而被刪除。例如：
保留函數(shù)



③使用volatile變量避免優(yōu)化。一個(gè)定義為volatile的變量是說(shuō)這個(gè)變量可能會(huì)被意想不到地改變，比如，并行設(shè)備的硬件寄存器(如狀態(tài)寄存器)，一個(gè)中斷服務(wù)子程序中會(huì)訪問(wèn)到的非自動(dòng)變量，多線程應(yīng)用中被幾個(gè)任務(wù)共享的變量。采用volatile限定詞，優(yōu)化器在用到這個(gè)變量時(shí)必須每次都重新讀取這個(gè)變量的值，而不是使用保存在寄存器里的備份。
④C語(yǔ)言程序應(yīng)盡量避免使用指針運(yùn)算。指針轉(zhuǎn)換會(huì)在一定程度上降低運(yùn)行效率。
⑤在“-ipa‘’使能的情況下，在循環(huán)前使用#pragmann_alias可以起到進(jìn)一步優(yōu)化程序的功能。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于循環(huán)中不存在迭代運(yùn)算(使用上一次結(jié)果)的情況，優(yōu)化效果很好。
⑥使用PM限定詞定義數(shù)據(jù)塊。默認(rèn)情況下數(shù)組存放在DM區(qū)，即第一塊數(shù)據(jù)區(qū)(0x80000-0x8ffff)中。使用PM限定的數(shù)組放在第二塊數(shù)據(jù)區(qū)(0x100000-0x10ffff)中。由于兩塊數(shù)據(jù)區(qū)有獨(dú)立的128位數(shù)據(jù)總線相連，因此可以實(shí)現(xiàn)單周期內(nèi)的雙數(shù)據(jù)同時(shí)訪問(wèn)。

4 混合編程在系統(tǒng)程序管理中的應(yīng)用

下面是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)管理實(shí)例。系統(tǒng)由4片DSP構(gòu)成，作為系統(tǒng)管理的DSP0負(fù)責(zé)通過(guò)IRQ0接收控制臺(tái)從RS232串口傳來(lái)的控制字，譯碼，并通過(guò)控制flag3產(chǎn)生下降沿觸發(fā)IRQ3中斷來(lái)啟動(dòng)其他各片DSP。這里用C搭建框架，匯編控制底層硬件，效率高，可讀性強(qiáng)。由于篇幅限制，這里略去了串口初始化、串口數(shù)據(jù)接收函數(shù)以及其他芯片的處理程序。

以下是系統(tǒng)管理中的混合編程。
Main.c文件：

5 總 結(jié)

實(shí)踐證明，采用混合編程的軟件更加符合一般系統(tǒng)對(duì)時(shí)間和空間的嚴(yán)格約束。設(shè)計(jì)良好的混合編程軟件既能有效滿足嵌入式系統(tǒng)對(duì)功能與性能的需求，也可以為程序的擴(kuò)展和移植預(yù)留足夠的空間?？傊旌暇幊淌乔度胧较到y(tǒng)軟件優(yōu)化的重要途徑。