《DSP技术及应用》课件第7章

第7章C语言编程与混合编程7.1

C语言编程7.2

C程序编译7.3

C语言与汇编语言混合编程

7.1

C语言编程

7.1.1

C54x支持的基本数据类型

C54xDSP的基本数据类型如表7.1所示，字长为16位或32位。7.1.2常量与变量

常量名和变量名都以字母或下划线开头，最多可以有100个字符，不能使用C语言的关键字来命名常量名和变量名。常量在编译后直接嵌入代码中。变量名经C编译器编译后，代表一个变量的内存地址，并自动在变量名前加下划线(_)，

如变量“a”经编译后，在内存单元显示为“_a”。这样的好处就是C语言定义的变量和汇编文件定义的变量可以重名且不会混淆，还有一个好处就是汇编文件可以调用C

语言定义的变量和函数(C语言定义的函数名在编译后也在函数名前加“_”)，以实现混合编程。

符号的常量名通常用大写字母表示，变量名用小写字母表示，以示区别。变量名常采用著名的匈牙利命名规则，当然，变量较少时，也可以简单地命名变量。7.1.3运算符与表达式

将常量或变量用运算符连在一起就构成了表达式，再在句末加上分号(；)即成为语句。

(1)赋值运算符：=。对DSP寄存器进行赋值时，先将寄存器定义为指针，然后与C语言变量赋值类似地进行赋值。如中断屏蔽寄存器(IMR)的地址为0地址,其定义和赋值如下：

#define IMR *(int*)0x0

IMR=0;对外部端口进行赋值时，先用关键字ioport和端口地址定义端口名，然后也是与C语言变量赋值类似地进行赋

值，其定义和赋值如下：

ioportunsignedintport8000;//定义一个外部端口，地址为0x8000

port8000=0；

(2)算术运算符：+(加)、-(减)、*(乘)、/(除)、%(取模)。在C54xDSP中，取模运算按分子的符号确定取值的符号，如10%-3=1;-10%3=-1等。类似地，C54xDSP也支持组合运算符，如+=、-=、*=、/=、%=及++、--等。

在表达式中，只能使用小括号改变运算的优先顺序。

(3)关系运算符：==(等于)、![KG-*2]=(不等于)、>(大于)、>=(大于等于)、<(小于)、<=(小于等于)。

作为关系运算表达式的输入，0为假，非0为真;作为运算结果，0表示假，1表示真。

(4)位运算符：&(按位与)、|(按位或)、∧(按位异或)、~(取反)、<<(左移)、>>(右移)。

(5)逻辑运算符：&&(逻辑与)、‖(逻辑或)、!(逻辑非)。

(6)三元运算符：“？：”，它有三个参加运算的元素，而且有返回值，其使用格式为

(express)？(val1)：(val2);[HT5]

如果express的值为真，则返回表达式val1的值，否则返回val2的值。这条语句也可用if语句代替，可不必记忆。

运算符的优先级自高到低为逻辑非、算术运算符、关系运算符、逻辑运算符&&或‖、赋值运算符。7.1.4函数及调用规则

一个C语言编写的函数就是一个功能模块，多个函数可以组成更大的功能模块。main函数包括除中断函数外的其他全部函数的功能，DSP程序总从main函数开始执行。为了能正确执行main函数，需要一个C语言运行环境。通过适当设置TMS320C54xC/C++编译器，DSP项目中会自动添加相应的C语言初始化代码，以适合main函数的执行。

1.全局变量和局部变量

在主函数体中定义的变量或主函数体外的变量为全局变量，在编译时有固定的存储地址；而在其他函数体中定义的变量称为局部变量，存储单元是在堆栈中分配局部变量的，称为局部帧。一旦函数执行完毕，局部帧必须被收回，局部变量就消失了，所以局部变量的作用域仅限于函数体内部。

2.参数传递

如果函数存在参数传递，则调用者将第一个参数(最左边)载入累加器A，而将剩下的参数以逆序压入堆栈，最右边的先压栈，最左边的参数最后一个压栈，即在最低的地址。

这些压入堆栈的参数称为局部帧，参数传递就是将实参的值复制到形参的值的过程。若参数为实浮点数或长整型数，则是低字先入栈，高字后入栈。若参数中有结构形式，则调用函数会给结构分配空间，其地址通过累加器A传递给被调用函数。一旦函数执行完毕，局部帧被收回，形参则消失。

3.函数返回

若函数返回一个值，则被调用函数将返回值载入累加器A中，再从A复制到实参中;如果是返回一个结构体，则将结构体的内容复制到累加器A所指向的存储空间;如果没有返回值，则A被置0,然后撤销局部帧和恢复函数中所有保护的寄

存器。

4.main函数

main函数主要由程序初始化代码、硬件初始化代码以及定时扫描代码等组成。main函数往往是死循环函数，定义死循环的语句有for(;;)或while(1)等。

5.中断函数

中断函数利用关键字interrupt来定义。如定义一个名称为time的中断函数如下：

interruptvoidtime();

{

…

}

用C语言编写的中断函数，其执行效率不高。因为当系统调用中断函数时，会将所有CPU寄存器的内容压栈保护，中断返回时，系统又会将这些CPU寄存器的内容出栈恢复。7.1.5

C语言库函数

在C5000DSP的C语言编程中,有很多现成的库函数可以调用。假设CCS默认安装在c:＼ti目录下，则c:＼ti＼c5400＼cgtools＼include和c:＼ti＼c5500＼cgtools＼include两个目录下的文件即为C/C++库函数文件。这里对C库文件进行介绍，C++库文件从略。在c:＼ti＼c5400＼cgtools＼include目录下的C语言头文件(.h)有19个，它们分别是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。

头文件中的函数实现存储在c:＼ti＼c5400＼cgtools＼lib＼rts.src文件中，打开文件即可以看到具体的实现代码。

(1)math.h：浮点数学函数。它包含下列函数：

sin(正弦)、cos(余弦)、tan(正切)、asin(反正弦)、acos(反余弦)、atan(反正切)、atan2(两数商的反正切)、sinh(双曲正弦)、cosh(双曲余弦)、tanh(双曲正切)、ceil(向上取整)、floor(向下取整)、fmod(两数商的浮点型余数)、fabs(绝对值)、exp(以e为底的指数)、frexp(返回一个数的尾数和以2为底的指数)、ldexp(已知尾数和以2为底的指数，求幂)、log(自然对数)、log10(以10为底的对数)、modf(分解成有符号整数部分和有符号小数部分)、pow(计算x的y次方)、sqrt(开平方)。

(2)stdlib.h：通用函数。它包含下列函数:

abort(非正常程序中止)、abs(求整数绝对值)、labs(长整数绝对值)、atof(字符串转换为浮点数)、atoi(字符串转换为整数型)、atol(字符串转换为长整型)、div(整型除法)、ldiv(长整型除法)、ltoa(长整数转换为字符串)、rand(产生伪随机整数)、srand(复位随机数产生器)、strtod(字符串转换为浮点值)、strtol(字符串转换为长整型值)、strtoul(字符串转换为无符号长整型值)。

(3)ctype.h：字符转换。它包含下列函数：

isalnum(是否是字母或数字)、isalpha(是否是字母)、iscntrl(是否是控制字符)、isdigit(是否是数字)、isgraph(是否是除空格外的可打印字符)、islower(是否是小写字母)、

isprint[JP](是否是可打印字符(包括空格))、ispunct(是否是标点符号)、isspace(是否是空格、制表符、回车符、换页符或换行符)、isupper(是否是大写字母)、isxdigit(是否是十六进制数)、isascii(是否是ASCII码字符)、toupper(转换成大写字母)、tolower(转换成小写字母)、toascii(转换成一个合法的ASCII码值)。

(4)其他头文件。它包括下列函数：

assert.h(诊断信息)、errno.h(出错报告)、file.h(低级I/O函数)、float.h、limits.h(取值范围限制)、setjmp.h(非局部跳转)、stdarg.h(可变参数)、stddef.h(标准定义)、stdio.h(输入/输出函数)、string.h(字符串函数)、time.h(时间函数)。7.1.6

DSPLIB汇编库函数

CCS开发环境还为C5400和C5500提供了通用数字信号处理算法库(DSPLIB库)。这些库函数用汇编语言编写，编译效率高，多数为16位数据格式，执行速度快，采用C函数格式直接调用或略加修改后调用，可大大加快项目的开发速度。如果采用默认安装的CCS软件，则DSPLIB库在c:＼ti＼c5400＼dsplib目录下。在此目录下的＼include＼dsplib.h头文件中列出了DSPLIB库函数的原型，其源程序在c:＼ti＼c5400＼dsplib＼54xdsp.src文件或54x_src文件夹中，主要有以下相关函数。

(1)实数或复数FFT算法函数。

cfft8~cfft1024：16位数据的复数FFT算法，点数在8~1024点之间，取2的整数次幂。

rfft8~rfft1024：16位数据的实数FFT算法，点数同上。

cfft8~cfft1024：16位数据的复数IFFT算法，点数同上。

rfft8~rfft1024：16位数据的实数IFFT算法，点数同上。

cfft32_8~cfft32_1024：32位数据的复数FFT算法，点数

同上。

cifft32_8~cifft32_1024：32位数据的复数IFFT算法，

点数同上。

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

算法，也就是将一个N/2点的复数IFFT变成N点的实数IFFT算法,点数在16~1024点之间，取2的整数次幂。

cbrev、cbrev32：16位、32位的复数倒位序程序。

(2)数字滤波和卷积函数。

convol：计算2个实序列的卷积。

fir：fir滤波函数。

firs：系数对称的fir滤波函数。

cfir：复数fir滤波函数。

iircas4：使用直接II型结构计算二阶IIR级联滤波，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型结构计算二阶IIR级联滤波,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位数据的二阶IIR级联滤波。

firdec：带抽取的fir滤波，允许分段连续滤波。

firinterp：带内插的fir滤波，允许分段连续滤波。

(3)自适应滤波函数。

dlms：带延迟的自适应LMSfir滤波算法。

(4)相关函数。

acorr_raw、acorr_bias、acorr_unbias：

计算自相关及有偏、无偏处理，仅输出自相关序列的半边，而corr函数输出自相关的全部序列值。

(5)数学函数。

add：向量加法。

sub：向量减法。

neg、neg32：16位、32位数据向量取相反数。

ldiv16：Q31除以Q15的长除法。

recip16：Q15格式浮点数倒数运算。

expn：利用泰勒级数计算一个向量以e为底的指数值。

logn：利用泰勒级数计算一个向量的自然对数值。

log_2、log_10：利用泰勒级数计算一个向量以2为底、以10为底的对数值。

sqrt_16：开平方。

maxidx、minidx：返回一个向量最大值、最小值的索引。maxval、minval：计算一个向量的最大值、最小值。

rand16：向量随机数产生器。

rand16init：初始化向量随机数产生器。

mul32：Q31数与Q31数向量乘法，结果为Q31数据。

pow：求平方。

(6)三角函数。

sine：使用泰勒级数计算一个向量的正弦。

(7)矩阵运算函数。

mmul：矩阵乘法。

mtrans：矩阵转置。

(8)其他杂函数，如数据格式转换等。

fltoq15：浮点数转化为Q15格式数。

q15tofl：Q15格式数转化为浮点数。

在c:＼ti＼docs＼pdf下的spra480b.pdf文档中，详细说明了这些函数的用法。在c:＼ti＼c5400＼dsplib＼EXAMPLES文件夹中还列出了这些函数的应用示例，阅读这些函数和应用示例将大大提高对算法的编程和应用能力。

7.2

C程序编译

C语言开发的程序具有可移植性好的特点，除底层的硬件控制和对时间有严格要求的函数外，一般尽可能用C语言开发，以加快DSP的开发速度，同时使程序的修改和移植也变得非常容易。

C语言代码通过C编译器先转化为汇编程序，然后由汇编器编译转化为机器执行码。在将C语言编译成汇编程序时，有一些固定的规则，学习这些规则对优化代码和混合编程都非常有好处。7.2.1

C编译器生成的段

C54x有两种存储器:程序存储器和数据存储器，程序存储器包含可执行代码，数据存储器包含外部变量、静态变量和系统堆栈等。C编译器对C语言进行编译后，生成若干个

可以进行重新定位的代码和数据块。除了生成3个基本的段.text、.data、.bss外，还有.cinit、.const、.stack、.sysmem段等。这些段分为两类：已初始化段和未初始化段。已初始化段主要包含可执行代码和数据表，C编译器共创建4种已初始化段。

(1).text段：包含可执行代码、字符串及编译器产生的

常数。

(2).cinit段：包含初始化变量和常数表。

(3).const段：包含字符串和用const定义的常量。

(4).switch段：包含用.switch语句建立的表格。未初始化段用于为变量或函数执行分配存储空间，但没有初始化,程序利用这些空间在运行时创建和存储变量，C编译器共创建3种未初始化段。

(1).bss段：为全局变量和静态变量分配存储空间。在

程序启动后，C语言初始化引导程序将数据从.cinit段复制到

.bss段。

(2).stack段：为C语言堆栈分配存储空间，用于传递变量、分配局部变量和保护函数现场等。

(3).sysmem段：为动态存储器函数malloc、calloc和realloc分配存储器空间。若C语言没有用到这些函数，编译器就不创建这个模块。

其中堆栈段主要完成以下功能：保护函数的返回地址、分配局部变量、传递函数变量、保护调用函数现场及其他一些临时结果。C编译器定义的堆栈大小默认为1K字，也可以在连接命令行加上一个stack选项重新定义堆栈大小。C编译器用堆栈指针(SP)指向堆栈的顶部。通常，.text、.cinit和.switch段必须映射到程序存储器的PAGE0页，具体存储器可以是ROM或RAM；.const段必须映射到数据存储器的PAGE1页，具体存储器可以是ROM或RAM；而.bss、.stack和.sysmem段必须映射到数据存储器的PAGE1页，具体存储器只能是RAM。7.2.2

C编译器的寄存器规则

在C语言环境中，不同的寄存器有不同的使用规则。在混合编程时，如果遵守这些规则，可有效地提高编程效率和程序的执行效率。

寄存器在使用上分两类：进入保存和调用保存。进入保存是由被调用函数负责保存，调用函数自由使用；调用保存是由调用函数分组保存，被调用函数自由使用。寄存器的使用和保护规则如表7.2所示。从表7.2中可以看出，被调用函数需保护AR1、AR6和AR7，其余寄存器由调用函数保护，所以调用函数只可自由地使用AR1、AR6、AR7。要使用其他寄存器，需在调用函数前压栈保护。调用函数执行完毕后再恢复为原来的值，而被调用函数则相反。SP无论是在调用函数还是被调用函数中，都不允许自由使用，但可以用汇编指令“FRAME#k”来管理。7.2.3

C程序的系统初始化

C程序在运行之前，必须创建C语言的运行环境，创建过程由C初始化程序完成，其函数名为c_int00。

这个函数包含在rts.lib的运行支持库中，rts.lib库中函数的源代码都包含在rts.src中。要调用c_int00函数，只需在链接器使用“lrts.lib”选项即可，也可手动将其加入到项目中。c_int00初始化C语言运行环境时主要完成以下工作：

(1)为系统堆栈定义.stack段，并初始化堆栈指针。

(2)将.cinit段的初始化数据复制到.bss段中，对全局变量和静态变量进行初始化。

(3)调用main()函数，开始运行程序。

7.3

C语言与汇编语言混合编程

C语言是一种通用编程语言，适用于对时间要求不高的场合。但如果运算时间非常紧张，C编译器则很难充分利用DSP独特的硬件结构来提高执行效率，如充分利用循环寻址、位反转寻址等。另外，C语言对底层的硬件操作比较困难，甚至无法实现，而用汇编语言编程则比较容易，如初始化McBSP接口等。因此，采用C语言与汇编语言混合编程能充分发挥两者的优势，达到最佳的效果。7.3.1混合编程方式

(1)独立编写C程序和汇编程序，只要两者的接口满足函数调用要求，就不会相互影响。如FFT程序一般先用汇编语言编写，然后在C程序中调用。只要调用函数和FFT函数都满足函数调用规则就能实现混合编程，达到优势互补的目的。(2)直接在C程序的相应位置插入汇编语句。这类汇编语句一般是对硬件进行操作，要求不能对C环境造成影响。如下面一条语句是在C程序中设置开中断：

asm(″ RSBXINTM″); //开中断7.3.2

C程序访问汇编变量

C文件定义的变量名在编译时均在名称前加一下划线“_”，以区别汇编文件定义的变量名，C文件中定义的函数名也如此。这样即使两种文件的变量名和函数名相同，也不

会产生冲突。变量名和函数名经编译后都代表变量的存储地址和函数的入口地址,由此可推出C文件与汇编文件相互访问的方法。要使C文件能访问汇编变量和函数，则需要在汇编文件定义这些变量名和函数名时，在其名称前加下划线“_”，而在C文件引用时不要加下划线,具体实现方式如下：

(1)在汇编文件.bss段定义汇编全局变量。

①用.bss段定义变量，并在变量前加一下划线；

②用.global命令声明外部变量；

③在C文件中声明外部变量。例7.1

C程序访问汇编变量。

①汇编文件定义：

.global_input;声明全局变量，名称必须包含“_”

.bss_input,1

②C文件引用：

externintinput//声明外部变量及数量类型,变量名要去掉“_”input=ioport0002;//读外部端口0x0002到input中

(2)访问汇编常数表。

①用.sect段定义常数表，并在变量前加一下划线；

②用.global命令声明外部变量；

③在C文件中声明外部指针。

声明的指针像C文件定义的指针一样使用。例7.2

C程序访问汇编常数表。

①汇编文件定义：

.global_sine;声明全局变量，名称必须包含“_”

.sect″sine_table″

_sine:

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

;8点正弦表②C文件引用：

externintsine［］//声明外部指针及数量类型，变量名要去掉“_”

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

x=sine［i］;

(3)访问汇编常数。

①用.set定义常数，并在变量前加一下划线；

②用.global命令将其声明为外部变量；

③在C文件中用#define声明常数。常数名前去掉“_”，但在其前加“&”，表示取地址。汇编文件定义的常数像C文件定义的常数一样使用。例7.3

C程序访问汇编常数。

①汇编文件定义：

.global_table_size,_sine

_table_size .set8//汇编文件定义的常数

_sine:

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

;8点正弦表②C文件引用：

externintsine［］

#defineTABLE_SIZE(int)(&table_size)//C文件引用汇编常数

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

x=