《DSP技術及應用》課件第7章

第7章C語言編程與混合編程7.1

C語言編程7.2

C程序編譯7.3

C語言與匯編語言混合編程

7.1

C語言編程

7.1.1

C54x支持的基本數據類型

C54xDSP的基本數據類型如表7.1所示，字長為16位或32位。7.1.2常量與變量

常量名和變量名都以字母或下劃線開頭，最多可以有100個字符，不能使用C語言的關鍵字來命名常量名和變量名。常量在編譯后直接嵌入代碼中。變量名經C編譯器編譯后，代表一個變量的內存地址，并自動在變量名前加下劃線(_)，

如變量“a”經編譯后，在內存單元顯示為“_a”。這樣的好處就是C語言定義的變量和匯編文件定義的變量可以重名且不會混淆，還有一個好處就是匯編文件可以調用C

語言定義的變量和函數(C語言定義的函數名在編譯后也在函數名前加“_”)，以實現(xiàn)混合編程。

符號的常量名通常用大寫字母表示，變量名用小寫字母表示，以示區(qū)別。變量名常采用著名的匈牙利命名規(guī)則，當然，變量較少時，也可以簡單地命名變量。7.1.3運算符與表達式

將常量或變量用運算符連在一起就構成了表達式，再在句末加上分號(；)即成為語句。

(1)賦值運算符：=。對DSP寄存器進行賦值時，先將寄存器定義為指針，然后與C語言變量賦值類似地進行賦值。如中斷屏蔽寄存器(IMR)的地址為0地址,其定義和賦值如下：

#define IMR *(int*)0x0

IMR=0;對外部端口進行賦值時，先用關鍵字ioport和端口地址定義端口名，然后也是與C語言變量賦值類似地進行賦

值，其定義和賦值如下：

ioportunsignedintport8000;//定義一個外部端口，地址為0x8000

port8000=0；

(2)算術運算符：+(加)、-(減)、*(乘)、/(除)、%(取模)。在C54xDSP中，取模運算按分子的符號確定取值的符號，如10%-3=1;-10%3=-1等。類似地，C54xDSP也支持組合運算符，如+=、-=、*=、/=、%=及++、--等。

在表達式中，只能使用小括號改變運算的優(yōu)先順序。

(3)關系運算符：==(等于)、![KG-*2]=(不等于)、>(大于)、>=(大于等于)、<(小于)、<=(小于等于)。

作為關系運算表達式的輸入，0為假，非0為真;作為運算結果，0表示假，1表示真。

(4)位運算符：&(按位與)、|(按位或)、∧(按位異或)、~(取反)、<<(左移)、>>(右移)。

(5)邏輯運算符：&&(邏輯與)、‖(邏輯或)、!(邏輯非)。

(6)三元運算符：“？：”，它有三個參加運算的元素，而且有返回值，其使用格式為

(express)？(val1)：(val2);[HT5]

如果express的值為真，則返回表達式val1的值，否則返回val2的值。這條語句也可用if語句代替，可不必記憶。

運算符的優(yōu)先級自高到低為邏輯非、算術運算符、關系運算符、邏輯運算符&&或‖、賦值運算符。7.1.4函數及調用規(guī)則

一個C語言編寫的函數就是一個功能模塊，多個函數可以組成更大的功能模塊。main函數包括除中斷函數外的其他全部函數的功能，DSP程序總從main函數開始執(zhí)行。為了能正確執(zhí)行main函數，需要一個C語言運行環(huán)境。通過適當設置TMS320C54xC/C++編譯器，DSP項目中會自動添加相應的C語言初始化代碼，以適合main函數的執(zhí)行。

1.全局變量和局部變量

在主函數體中定義的變量或主函數體外的變量為全局變量，在編譯時有固定的存儲地址；而在其他函數體中定義的變量稱為局部變量，存儲單元是在堆棧中分配局部變量的，稱為局部幀。一旦函數執(zhí)行完畢，局部幀必須被收回，局部變量就消失了，所以局部變量的作用域僅限于函數體內部。

2.參數傳遞

如果函數存在參數傳遞，則調用者將第一個參數(最左邊)載入累加器A，而將剩下的參數以逆序壓入堆棧，最右邊的先壓棧，最左邊的參數最后一個壓棧，即在最低的地址。

這些壓入堆棧的參數稱為局部幀，參數傳遞就是將實參的值復制到形參的值的過程。若參數為實浮點數或長整型數，則是低字先入棧，高字后入棧。若參數中有結構形式，則調用函數會給結構分配空間，其地址通過累加器A傳遞給被調用函數。一旦函數執(zhí)行完畢，局部幀被收回，形參則消失。

3.函數返回

若函數返回一個值，則被調用函數將返回值載入累加器A中，再從A復制到實參中;如果是返回一個結構體，則將結構體的內容復制到累加器A所指向的存儲空間;如果沒有返回值，則A被置0,然后撤銷局部幀和恢復函數中所有保護的寄

存器。

4.main函數

main函數主要由程序初始化代碼、硬件初始化代碼以及定時掃描代碼等組成。main函數往往是死循環(huán)函數，定義死循環(huán)的語句有for(;;)或while(1)等。

5.中斷函數

中斷函數利用關鍵字interrupt來定義。如定義一個名稱為time的中斷函數如下：

interruptvoidtime();

{

…

}

用C語言編寫的中斷函數，其執(zhí)行效率不高。因為當系統(tǒng)調用中斷函數時，會將所有CPU寄存器的內容壓棧保護，中斷返回時，系統(tǒng)又會將這些CPU寄存器的內容出?；謴?。7.1.5

C語言庫函數

在C5000DSP的C語言編程中,有很多現(xiàn)成的庫函數可以調用。假設CCS默認安裝在c:＼ti目錄下，則c:＼ti＼c5400＼cgtools＼include和c:＼ti＼c5500＼cgtools＼include兩個目錄下的文件即為C/C++庫函數文件。這里對C庫文件進行介紹，C++庫文件從略。在c:＼ti＼c5400＼cgtools＼include目錄下的C語言頭文件(.h)有19個，它們分別是access.h、assert.h、ctype.h、errno.h、file.h、float.h、intrindefs.h、iso646.h、limits.h、

linkage.h、math.h、setjmp.h、stdarg.h、stddef.h、stdio.h、stdlib.h、string.h、time.h、unaccess.h。

頭文件中的函數實現(xiàn)存儲在c:＼ti＼c5400＼cgtools＼lib＼rts.src文件中，打開文件即可以看到具體的實現(xiàn)代碼。

(1)math.h：浮點數學函數。它包含下列函數：

sin(正弦)、cos(余弦)、tan(正切)、asin(反正弦)、acos(反余弦)、atan(反正切)、atan2(兩數商的反正切)、sinh(雙曲正弦)、cosh(雙曲余弦)、tanh(雙曲正切)、ceil(向上取整)、floor(向下取整)、fmod(兩數商的浮點型余數)、fabs(絕對值)、exp(以e為底的指數)、frexp(返回一個數的尾數和以2為底的指數)、ldexp(已知尾數和以2為底的指數，求冪)、log(自然對數)、log10(以10為底的對數)、modf(分解成有符號整數部分和有符號小數部分)、pow(計算x的y次方)、sqrt(開平方)。

(2)stdlib.h：通用函數。它包含下列函數:

abort(非正常程序中止)、abs(求整數絕對值)、labs(長整數絕對值)、atof(字符串轉換為浮點數)、atoi(字符串轉換為整數型)、atol(字符串轉換為長整型)、div(整型除法)、ldiv(長整型除法)、ltoa(長整數轉換為字符串)、rand(產生偽隨機整數)、srand(復位隨機數產生器)、strtod(字符串轉換為浮點值)、strtol(字符串轉換為長整型值)、strtoul(字符串轉換為無符號長整型值)。

(3)ctype.h：字符轉換。它包含下列函數：

isalnum(是否是字母或數字)、isalpha(是否是字母)、iscntrl(是否是控制字符)、isdigit(是否是數字)、isgraph(是否是除空格外的可打印字符)、islower(是否是小寫字母)、

isprint[JP](是否是可打印字符(包括空格))、ispunct(是否是標點符號)、isspace(是否是空格、制表符、回車符、換頁符或換行符)、isupper(是否是大寫字母)、isxdigit(是否是十六進制數)、isascii(是否是ASCII碼字符)、toupper(轉換成大寫字母)、tolower(轉換成小寫字母)、toascii(轉換成一個合法的ASCII碼值)。

(4)其他頭文件。它包括下列函數：

assert.h(診斷信息)、errno.h(出錯報告)、file.h(低級I/O函數)、float.h、limits.h(取值范圍限制)、setjmp.h(非局部跳轉)、stdarg.h(可變參數)、stddef.h(標準定義)、stdio.h(輸入/輸出函數)、string.h(字符串函數)、time.h(時間函數)。7.1.6

DSPLIB匯編庫函數

CCS開發(fā)環(huán)境還為C5400和C5500提供了通用數字信號處理算法庫(DSPLIB庫)。這些庫函數用匯編語言編寫，編譯效率高，多數為16位數據格式，執(zhí)行速度快，采用C函數格式直接調用或略加修改后調用，可大大加快項目的開發(fā)速度。如果采用默認安裝的CCS軟件，則DSPLIB庫在c:＼ti＼c5400＼dsplib目錄下。在此目錄下的＼include＼dsplib.h頭文件中列出了DSPLIB庫函數的原型，其源程序在c:＼ti＼c5400＼dsplib＼54xdsp.src文件或54x_src文件夾中，主要有以下相關函數。

(1)實數或復數FFT算法函數。

cfft8~cfft1024：16位數據的復數FFT算法，點數在8~1024點之間，取2的整數次冪。

rfft8~rfft1024：16位數據的實數FFT算法，點數同上。

cfft8~cfft1024：16位數據的復數IFFT算法，點數同上。

rfft8~rfft1024：16位數據的實數IFFT算法，點數同上。

cfft32_8~cfft32_1024：32位數據的復數FFT算法，點數

同上。

cifft32_8~cifft32_1024：32位數據的復數IFFT算法，

點數同上。

unpacki_16~unpacki_1024：IFFT算法解包裝(unpack)

算法，也就是將一個N/2點的復數IFFT變成N點的實數IFFT算法,點數在16~1024點之間，取2的整數次冪。

cbrev、cbrev32：16位、32位的復數倒位序程序。

(2)數字濾波和卷積函數。

convol：計算2個實序列的卷積。

fir：fir濾波函數。

firs：系數對稱的fir濾波函數。

cfir：復數fir濾波函數。

iircas4：使用直接II型結構計算二階IIR級聯(lián)濾波，其算法如下：

d(n)=x(n)－a1d(n－1)－a2d(n－2)

(7.1)

y(n)=d(n)+b1d(n－1)－b2d(n－2)(7.2)

iircas5：使用直接II型結構計算二階IIR級聯(lián)濾波,其算法如下：

d(n)=x(n)－a1d(n－1)－a2d(n－2)(7.3)

y(n)=b0d(n)+b1d(n－1)－b2d(n－2)(7.4)

iir32：32位數據的二階IIR級聯(lián)濾波。

firdec：帶抽取的fir濾波，允許分段連續(xù)濾波。

firinterp：帶內插的fir濾波，允許分段連續(xù)濾波。

(3)自適應濾波函數。

dlms：帶延遲的自適應LMSfir濾波算法。

(4)相關函數。

acorr_raw、acorr_bias、acorr_unbias：

計算自相關及有偏、無偏處理，僅輸出自相關序列的半邊，而corr函數輸出自相關的全部序列值。

(5)數學函數。

add：向量加法。

sub：向量減法。

neg、neg32：16位、32位數據向量取相反數。

ldiv16：Q31除以Q15的長除法。

recip16：Q15格式浮點數倒數運算。

expn：利用泰勒級數計算一個向量以e為底的指數值。

logn：利用泰勒級數計算一個向量的自然對數值。

log_2、log_10：利用泰勒級數計算一個向量以2為底、以10為底的對數值。

sqrt_16：開平方。

maxidx、minidx：返回一個向量最大值、最小值的索引。maxval、minval：計算一個向量的最大值、最小值。

rand16：向量隨機數產生器。

rand16init：初始化向量隨機數產生器。

mul32：Q31數與Q31數向量乘法，結果為Q31數據。

pow：求平方。

(6)三角函數。

sine：使用泰勒級數計算一個向量的正弦。

(7)矩陣運算函數。

mmul：矩陣乘法。

mtrans：矩陣轉置。

(8)其他雜函數，如數據格式轉換等。

fltoq15：浮點數轉化為Q15格式數。

q15tofl：Q15格式數轉化為浮點數。

在c:＼ti＼docs＼pdf下的spra480b.pdf文檔中，詳細說明了這些函數的用法。在c:＼ti＼c5400＼dsplib＼EXAMPLES文件夾中還列出了這些函數的應用示例，閱讀這些函數和應用示例將大大提高對算法的編程和應用能力。

7.2

C程序編譯

C語言開發(fā)的程序具有可移植性好的特點，除底層的硬件控制和對時間有嚴格要求的函數外，一般盡可能用C語言開發(fā)，以加快DSP的開發(fā)速度，同時使程序的修改和移植也變得非常容易。

C語言代碼通過C編譯器先轉化為匯編程序，然后由匯編器編譯轉化為機器執(zhí)行碼。在將C語言編譯成匯編程序時，有一些固定的規(guī)則，學習這些規(guī)則對優(yōu)化代碼和混合編程都非常有好處。7.2.1

C編譯器生成的段

C54x有兩種存儲器:程序存儲器和數據存儲器，程序存儲器包含可執(zhí)行代碼，數據存儲器包含外部變量、靜態(tài)變量和系統(tǒng)堆棧等。C編譯器對C語言進行編譯后，生成若干個

可以進行重新定位的代碼和數據塊。除了生成3個基本的段.text、.data、.bss外，還有.cinit、.const、.stack、.sysmem段等。這些段分為兩類：已初始化段和未初始化段。已初始化段主要包含可執(zhí)行代碼和數據表，C編譯器共創(chuàng)建4種已初始化段。

(1).text段：包含可執(zhí)行代碼、字符串及編譯器產生的

常數。

(2).cinit段：包含初始化變量和常數表。

(3).const段：包含字符串和用const定義的常量。

(4).switch段：包含用.switch語句建立的表格。未初始化段用于為變量或函數執(zhí)行分配存儲空間，但沒有初始化,程序利用這些空間在運行時創(chuàng)建和存儲變量，C編譯器共創(chuàng)建3種未初始化段。

(1).bss段：為全局變量和靜態(tài)變量分配存儲空間。在

程序啟動后，C語言初始化引導程序將數據從.cinit段復制到

.bss段。

(2).stack段：為C語言堆棧分配存儲空間，用于傳遞變量、分配局部變量和保護函數現(xiàn)場等。

(3).sysmem段：為動態(tài)存儲器函數malloc、calloc和realloc分配存儲器空間。若C語言沒有用到這些函數，編譯器就不創(chuàng)建這個模塊。

其中堆棧段主要完成以下功能：保護函數的返回地址、分配局部變量、傳遞函數變量、保護調用函數現(xiàn)場及其他一些臨時結果。C編譯器定義的堆棧大小默認為1K字，也可以在連接命令行加上一個stack選項重新定義堆棧大小。C編譯器用堆棧指針(SP)指向堆棧的頂部。通常，.text、.cinit和.switch段必須映射到程序存儲器的PAGE0頁，具體存儲器可以是ROM或RAM；.const段必須映射到數據存儲器的PAGE1頁，具體存儲器可以是ROM或RAM；而.bss、.stack和.sysmem段必須映射到數據存儲器的PAGE1頁，具體存儲器只能是RAM。7.2.2

C編譯器的寄存器規(guī)則

在C語言環(huán)境中，不同的寄存器有不同的使用規(guī)則。在混合編程時，如果遵守這些規(guī)則，可有效地提高編程效率和程序的執(zhí)行效率。

寄存器在使用上分兩類：進入保存和調用保存。進入保存是由被調用函數負責保存，調用函數自由使用；調用保存是由調用函數分組保存，被調用函數自由使用。寄存器的使用和保護規(guī)則如表7.2所示。從表7.2中可以看出，被調用函數需保護AR1、AR6和AR7，其余寄存器由調用函數保護，所以調用函數只可自由地使用AR1、AR6、AR7。要使用其他寄存器，需在調用函數前壓棧保護。調用函數執(zhí)行完畢后再恢復為原來的值，而被調用函數則相反。SP無論是在調用函數還是被調用函數中，都不允許自由使用，但可以用匯編指令“FRAME#k”來管理。7.2.3

C程序的系統(tǒng)初始化

C程序在運行之前，必須創(chuàng)建C語言的運行環(huán)境，創(chuàng)建過程由C初始化程序完成，其函數名為c_int00。

這個函數包含在rts.lib的運行支持庫中，rts.lib庫中函數的源代碼都包含在rts.src中。要調用c_int00函數，只需在鏈接器使用“l(fā)rts.lib”選項即可，也可手動將其加入到項目中。c_int00初始化C語言運行環(huán)境時主要完成以下工作：

(1)為系統(tǒng)堆棧定義.stack段，并初始化堆棧指針。

(2)將.cinit段的初始化數據復制到.bss段中，對全局變量和靜態(tài)變量進行初始化。

(3)調用main()函數，開始運行程序。

7.3

C語言與匯編語言混合編程

C語言是一種通用編程語言，適用于對時間要求不高的場合。但如果運算時間非常緊張，C編譯器則很難充分利用DSP獨特的硬件結構來提高執(zhí)行效率，如充分利用循環(huán)尋址、位反轉尋址等。另外，C語言對底層的硬件操作比較困難，甚至無法實現(xiàn)，而用匯編語言編程則比較容易，如初始化McBSP接口等。因此，采用C語言與匯編語言混合編程能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，達到最佳的效果。7.3.1混合編程方式

(1)獨立編寫C程序和匯編程序，只要兩者的接口滿足函數調用要求，就不會相互影響。如FFT程序一般先用匯編語言編寫，然后在C程序中調用。只要調用函數和FFT函數都滿足函數調用規(guī)則就能實現(xiàn)混合編程，達到優(yōu)勢互補的目的。(2)直接在C程序的相應位置插入匯編語句。這類匯編語句一般是對硬件進行操作，要求不能對C環(huán)境造成影響。如下面一條語句是在C程序中設置開中斷：

asm(″ RSBXINTM″); //開中斷7.3.2

C程序訪問匯編變量

C文件定義的變量名在編譯時均在名稱前加一下劃線“_”，以區(qū)別匯編文件定義的變量名，C文件中定義的函數名也如此。這樣即使兩種文件的變量名和函數名相同，也不

會產生沖突。變量名和函數名經編譯后都代表變量的存儲地址和函數的入口地址,由此可推出C文件與匯編文件相互訪問的方法。要使C文件能訪問匯編變量和函數，則需要在匯編文件定義這些變量名和函數名時，在其名稱前加下劃線“_”，而在C文件引用時不要加下劃線,具體實現(xiàn)方式如下：

(1)在匯編文件.bss段定義匯編全局變量。

①用.bss段定義變量，并在變量前加一下劃線；

②用.global命令聲明外部變量；

③在C文件中聲明外部變量。例7.1

C程序訪問匯編變量。

①匯編文件定義：

.global_input;聲明全局變量，名稱必須包含“_”

.bss_input,1

②C文件引用：

externintinput//聲明外部變量及數量類型,變量名要去掉“_”input=ioport0002;//讀外部端口0x0002到input中

(2)訪問匯編常數表。

①用.sect段定義常數表，并在變量前加一下劃線；

②用.global命令聲明外部變量；

③在C文件中聲明外部指針。

聲明的指針像C文件定義的指針一樣使用。例7.2

C程序訪問匯編常數表。

①匯編文件定義：

.global_sine;聲明全局變量，名稱必須包含“_”

.sect″sine_table″

_sine:

.word0x0,0x5a82,0x7fff,0x5a82,0x0,0xa57f,0x8002,0xa57f

;8點正弦表②C文件引用：

externintsine［］//聲明外部指針及數量類型，變量名要去掉“_”

for(i=0;i<8;i++)

x=sine［i］;

(3)訪問匯編常數。

①用.set定義常數，并在變量前加一下劃線；

②用.global命令將其聲明為外部變量；

③在C文件中用#define聲明常數。常數名前去掉“_”，但在其前加“&”，表示取地址。匯編文件定義的常數像C文件定義的常數一樣使用。例7.3

C程序訪問匯編常數。

①匯編文件定義：

.global_table_size,_sine

_table_size .set8//匯編文件定義的常數

_sine:

.word0x0,0x5a82,0x7fff,0x5a82,0x0,0xa57f,0x8002,0xa57f

;8點正弦表②C文件引用：

externintsine［］

#defineTABLE_SIZE(int)(&table_size)//C文件引用匯編常數

for(i=0;i<TABLE_SIZE;i++)

x=