引 言

DSP(數(shù)字信號處理器)憑借其高速數(shù)字信號處理功能、實時性強、低功耗、高集成度等嵌入式微計算機的特點，已在通信、航空航天、工業(yè)控制、醫(yī)療、國防、汽車等領域得到了廣泛的應用。TMS320LF240xA DSP(以下簡稱LF240xA)是美國TI公司推出的高性能16位數(shù)字信號處理器，它具有運算速度快，在片集成的外設豐富等特點，故又稱其為DSP控制器。應用領域主要針對工業(yè)測控、電機控制、家用電器和消費電子等場合。

LF240xA的軟件開發(fā)過程，既可以使用匯編語言，也可以使用C語言。匯編語言的代碼執(zhí)行效率高、運行速度快，可以直接對寄存器進行操作，充分發(fā)揮了DSP控制器的硬件性能；但其開發(fā)的工作量大，程序可讀性、移植性差。與匯編語言不同的是，C語言可讀性強、編程簡單、調試方便，適合編寫結構和算法比較復雜的程序。然而，對于控制來說，用C語言開發(fā)程序也有其明顯的缺點：首先，C語言代碼有冗余，降低了執(zhí)行效率，對于實時性要求很高的某些控制領域來說不符合要求；其次，C語言無法實現(xiàn)某些底層的操作。

在具體軟件開發(fā)過程中，可以將匯編語言和C語言結合起來編程，發(fā)揮各自的優(yōu)點。這樣既能滿足實時性要求又能實現(xiàn)所需的功能，同時兼顧程序的可讀性和編程效率。為此，了解及掌握C語言和匯編語言的混合編程技術對于DSP的軟件開發(fā)具有重要的意義。

1 準備工作

在進行混合編程之前，首先要創(chuàng)造一個運行的基本環(huán)境。這個基本環(huán)境包括存儲空間的分配、DSP寄存器映射地址的定義以及中斷向量的定義等方面。

(1)存儲空間的分配

命令文件(*．cmd)用來實現(xiàn)對程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間的分配。一是目標存儲器定義(由MEMORY命令定義)，二是各段的定位(由SECTIONS命令定義)。

(2)寄存器映射地址的定義

頭文件(*．h)用來定義所用到的DSP控制器內(nèi)部寄存器的映射地址，以及用戶自定義的常量、寄存器等。通常，頭文件在主程序的開始，使用匯編指示符“．include”和“．copy”對其調用。頭文件的定義有2種方式。第1種是以指針變量的形式定義各種寄存器，即采用如下形式：

volatile unsigned int T1CMPR Ox7402第2種則是用宏定義的方式定義各種寄存器的名稱：

# define T1CMPR Ox7402

(3)中斷向量的定義

LF240xA內(nèi)部提供了多個中斷，如INTl～INT6、TRAP等。復位中斷向量(c_intO)是在實時運行支持庫(rts2xx．1ib)中定義的一種特殊的中斷，它的作用是先進行軟件堆棧操作，然后初始化全局變量，最后調用主程序main()。所以當復位(Reset)時，程序跳轉到c_int0進行相應的處理。中斷向量表則是將主程序中用到的中斷子程序和相應中斷級別類型連接起來的一個簡單的跳轉指令表。表中每個中斷向量占2個字，在命令文件中將其聲明到程序存儲器空間的0000h～003Fh。

2 混合編程的一般方法

對于LF240xA的混合編程一般有3種方法：一、對C語言程序編譯后形成的匯編程序進行手工修改與優(yōu)化；二、在C語言程序中直接嵌人匯編語句；三、分別編寫C語言程序和匯編語言程序，然后獨立編譯成目標代碼模塊，再進行鏈接。第一種編程方式要求對匯編與C語言都極其熟悉，并且這樣的編程方式對程序的可讀性和擴展性的負面影響比較大，一般不建議使用。第二種方法適用于語句執(zhí)行頻率非常高，并且C編程與匯編編程效率差異較大的情況，例如進入中斷的通用中斷子程序等。第三種方式是混合編程最常用的方式之一，在這種方式下，C語言程序與匯編語言程序均可使用另一方定義的函數(shù)與變量。下面著重介紹后兩種方法。

2．1 C語言程序中嵌入?yún)R編語言

C語言程序支持asm指令，所以可以利用這條指令直接將匯編語句嵌入到C語言程序中。LF240xA中一些C語言無法操作的控制位，可以采用這種方式來實現(xiàn)。這種方法只需在匯編語句兩邊加上雙引號并用小括號括起來，前面再加上asm關鍵字，即“asm(“匯編語句”)；”。需要注意的是，匯編語句不能緊挨著前一個雙引號，它們之間必須用空格、Tab或標號開頭。例如，在匯編語言中開中斷指令SETC INTM，嵌入到C語言中為“asm(“SETCINTM”)；”。這種方式雖然操作簡單，但是匯編代碼很有可能破壞原來的C語言環(huán)境，從而導致不可預料的結果。因此只提倡在程序開始的系統(tǒng)初始化部分少量使用，而在C語言中嵌入實現(xiàn)某一完整功能的多句匯編語言時，不提倡采用這種方式。

2．2 C語言與匯編語言程序相互調用

(1)C語言程序調用匯編函數(shù)

C語言程序中調用的匯編函數(shù)，在匯編語言中其名稱以程序標號的形式出現(xiàn)。程序標號作為操作數(shù)用．global進行定義，在前面加下劃線“_”。匯編函數(shù)也可以利用累加器給C語言程序傳遞返回值。

LF240xA有8個輔助寄存器(AR0～AR7)可供使用，在C語言環(huán)境中這些寄存器都有明確的分工。

①AR0：幀指針(Frame Pointer，F(xiàn)P)。LF240xA只提供了大小為8個字的硬件棧，不能滿足需要。因此，C環(huán)境定義了一段特殊的存儲器空間，作為軟件棧。軟件棧的作用是分配局部變量、傳遞函數(shù)的參數(shù)、保存處理器的狀態(tài)、保存臨時結果等。AR0指向軟件棧中函數(shù)局部數(shù)據(jù)空間的起始處。

②ARl：軟件棧的棧頂指針(Stack Pointer，SP)。ARl為指向軟件棧棧頂?shù)膶Ｓ弥羔槨?/p>

③AR2：局部變量指針(Local Variable Pointer，LVP)。AR2存放局部變量的偏移量，與AR0(FP)一起對局部變量進行尋址定位。

④AR6、AR7：寄存器型變量。在C語言程序中用register修飾的變量存放在AR6、AR7中。

⑤AR3～AR5：用戶自定義。AR3～AR5沒有特殊的約定，可以由用戶自由決定其用途。在匯編程序的入口處，假設ARP已經(jīng)被設置為ARl，這是由C編譯器自動完成的。C語言程序調用匯編函數(shù)時，匯編函數(shù)程序必須遵循下述規(guī)范：

①從硬件堆棧中彈出返回地址，然后把它壓入軟件堆棧；

②把C程序的數(shù)據(jù)結構指針FP壓入堆棧；

③如果匯編程序改變了AR6或AR7，也需要把它們壓入堆棧；

④分配局部數(shù)據(jù)結構；

⑤執(zhí)行匯編程序的實際任務代碼；

⑥如果匯編程序有返回值，則把這個返回值放入累加器中；

⑦設置ARP為ARl；

⑧解除分配的局部數(shù)據(jù)結構；

⑨如果AR6和AR7曾經(jīng)被保存過，則從軟件堆棧恢復它們的值；

⑩從軟件堆?；謴虵P；

⑾把軟件堆棧中存儲的返回地址壓入硬件堆棧；

⑿返回。

當匯編函數(shù)調用完畢后，C語言程序要彈出先前壓入堆棧的傳遞參數(shù)。這個操作通過下面的命令語句實現(xiàn)：SBRK i(i是C程序向匯編程序傳遞的參數(shù)個數(shù))。在上述操作過程中，對軟件堆棧的處理至關重要。圖1所示為C語言程序調用時軟件堆棧的分配示意圖，具體步驟如下：

①在C語言程序的局部幀后將匯編函數(shù)的參數(shù)依次壓棧；

②程序指針(PC)跳轉到匯編函數(shù)的代碼段；

③保存出口地址；

④保存C語言程序局部幀指針；

⑤分配局部變量；

⑥調用結束前將以上所有內(nèi)容彈出軟件棧。

下面以具體例子來講述這個操作過程。

(2)匯編語言程序調用C函數(shù)

匯編語言程序中調用C函數(shù)。被調用的C函數(shù)在C語言環(huán)境中需要用extern進行定義，在匯編程序中用．ref說明為外部標號，且函數(shù)名加“_”。在調用C函數(shù)之前應手工編程將參數(shù)以逆序寫入當前運行任務所使用的任務堆棧中，壓棧之前堆棧指針可不作調整。被調用的C函數(shù)即可正常訪問調用者傳遞的參數(shù)，函數(shù)調用完畢后需要調整堆棧指針，清除函數(shù)調用中參數(shù)所占用的堆棧空間。C函數(shù)的返回值可以通過訪問累加器獲得。具體例子如下。

C語言模塊中編寫乘法函數(shù)：

3 注意事項

(1)中斷的處理

LF240xA發(fā)生中斷時，程序指針(PC)就指向相應的中斷向量，并通過中斷向量映射到相應的中斷服務子程序。例如，在0004h～0005h處是INT2的中斷向量，在此存儲了1條跳轉指令，跳轉至INT2的服務子程序。LF240xA的C語言有interrupt修飾符可以用來定義中斷服務子程序，如下所示：

將上述2個模塊分別編譯后鏈接，就能響應INT2中斷了。

(2)字母大小寫

在C語言環(huán)境中，對于字母大小寫的區(qū)分是很嚴格的，因此在混合編程的過程中也應該嚴格遵守這一點。例如，在寫命令文件時，誤將“．data”寫成“．daTA”，此時系統(tǒng)將無法給初始化代碼分配存儲空間，導致程序無法執(zhí)行。

(3)C語言庫函數(shù)應用

TI的C編譯器中內(nèi)置了很多函數(shù)，包含在rts2xx．1ib的函數(shù)庫中。庫函數(shù)并不是C語言的一部分，它是由人們根據(jù)需要編制并提供給用戶直接使用的。每一種C編譯系統(tǒng)都提供了一批庫函數(shù)，不同的編譯系統(tǒng)所提供的庫函數(shù)的數(shù)目、函數(shù)名及函數(shù)功能是不完全相同的。要使用庫函數(shù)，只需在源文件中添加語句“#include”函數(shù)名．h””，就可使用相應的庫函數(shù)了。

結 語

以上提到的LF240xA DSP的C語言和匯編語言混合編程技術已經(jīng)在筆者參與開發(fā)的卷煙機重量控制系統(tǒng)的控制軟件中得到應用。實踐證明，采用混合編程的軟件更加契合一般嵌入式系統(tǒng)對時問和空間的嚴格約束。設計良好的混合編程軟件既能有效地滿足嵌入式系統(tǒng)對功能與性能的需求，同時也可以為程序的擴展和移植預留足夠的空間。混合編程是編制復雜的LF240xA控制軟件的有效方法，同時也是嵌入式系統(tǒng)軟件最優(yōu)化的重要途徑。