DSP集成開發環境中的混合編程及FFT算法的實現

 1  引言

       CCS(Code Composer Studio)是TI公司的DSP集成開發環境。它提供了環境配置、源文件編輯、程序調試、跟蹤和分析等工具，幫助用戶在一個軟體環境下完成編輯、編譯連結、調試和數據分析等工作。與TI提供的早期軟體開發工具相比，利用CCS能夠加快軟體開發進程，提高工作效率。CCS一般工作在兩種模式下:軟體仿真器和與硬體開發板相結合的在線編程。前者可以脫離DSP晶片，在PC機上模擬DSP指令集與工作機制，主要用於前期算法實現和調試。後者實時運行在DSP晶片上，可以在線編制和調試應用程式。 

       2  C語言和彙編語言的混合編程

       TMS320 C5000系列的軟體設計通常有三種方法:

       (1  
) 用C語言開發;

       (2) 用彙編語言開發;

       (3) C和彙編的混合開發。

       其中用C語言開發具有兼容性和可移植的優點，有利於縮短開發周期和減少開發難度，但是在運算量較大的情況下，C代碼的效率還是無法和手工編寫的彙編代碼的效率相比，比如FFT運算，用彙編語言開發的效率高，程序執行速度快，而且可以合理利用晶片的硬體資源，但是開發難度較大，開發周期長，而且可讀性和可移植性差。C和彙編的混合編程則可以充分利用前兩者的優點，以達到最佳利用DSP資源的目的。但是，採用C和彙編語言混合編程必須遵循相關函數調用規則和寄存器調用規則，否則會給程序的開發帶來意想不到的問題。

       2.1  C語言和彙編語言混合編程的四種方法

       (1) 獨立編寫彙編程序和C程序，分開編譯或彙編成各自的目標代碼模塊，再用連結器將二者連結起來。這種方法比較靈活，但是設計者必須自己維護各彙編模塊的入口和出口代碼，自己計算傳遞的參數在堆棧中的偏移量，工作量較大，但是能做到對程序的絕對控制。

       (2) 在C程序中使用彙編程序中定義的變量和常數。

       (3) 在C程序中內嵌彙編語句。這種方法可以實現C語言無法實現的一些硬體控制功能，如修改中斷控制寄存器。

       (4) 將C語言編譯生成相應的彙編代碼，手工修改和優化C編譯器生成的彙編代碼。採用這種方法可以控制C編譯器，從而產生具有交叉列表的彙編程序，而設計者可以對其中的彙編語句進行修改，然後對彙編程序進行編譯，產生目標文件。

       後3種方法由於在C中直接嵌入了彙編語言,易造成程序混亂，破壞C環境，甚至導致程序崩潰，而開發者又很難對不良結果進行預期和有效控制。而如果採用第一種方法，只要遵循有關C語言函數調用規則和寄存器規則，就能預見到程序運行的結果，保證程序正確。

       2.2  編程注意事項

       C編譯器對函數調用制定了一組嚴格的規則。除了特殊的運行時間支持庫函數外，任何調用函數和被C函數調用的函數都必須遵守這些規則。結合作者在編程中的實際情況和切身體會，提出在編程時要注意以下幾點:

       (1) 必須保護任何被函數修正的專用寄存器。這些專用寄存器包括:AR1，AR6，AR72和堆棧指針(SP)。其中，如果對SP正常使用，則不必明顯的保存。換句話說，只要彙編函數在調用返回時彈出壓入的對象，實際上就已經保護了SP。

       (2) 中斷函數必須保存其使用的所有寄存器。

       (3) 從彙編函數中調用C函數時，第一個參數(最左邊的)必須放入累加器A中，剩下的參數按照自右向左的順序壓入堆棧。 

      (4) 如果函數有返回值，則返回值存放在累加器A中。

       (5) 調用C函數時，注意C函數隻保護了幾個特定的寄存器，對於其他寄存器C函數是可以自由使用的。

       (6) 長整數和浮點數存儲在存儲器中的方法是最高有效字在低位地址。

       (7) 彙編語言模塊不能改變由C模塊產生的.cinit段，如果改變其中的內容將會引起不可預測的後果。

       (8) 在彙編語言模塊中，對可以從C中訪問的變量和函數名需加上前綴「_」。對於僅用於彙編語言模塊中的標識符，不用加下劃線。而且如果僅在彙編中使用，只要不加下劃線，即使與C程序中定義的對象名相同，也不會造成衝突。

   
       (9) 任何在彙編語言模塊中聲明的將要從C訪問或調用的對象或函數，都必須在彙編語言中用.global偽指令聲明為全局變量。同樣，任何在C程序中定義而將在彙編中訪問或調用的對象或函數，在彙編中也必須用.global聲明。

       (10) 在默認的情況下，編譯器總是認為CPL為1。因此，若在彙編程序中將CPL清0，則在返回C環境時，必須將其恢復為1;在默認的情況下，編譯器總是認為 OVM為0。因此，若在彙編程序中將OVM置為1，則返回C環境時，必須將其恢復為0;ARP在函數進入和返回時，必須為0，即當前輔助寄存器為AR0。函數執行時可以為其他值。 {{分頁}} 


       3  編程實例

       3.1  FFT算法簡介

       FFT是一種高效實現離散傅立葉變換的算法，在數位訊號處理系統中，FFT作為一個非常重要的工具，甚至成為DSP運算能力的一個考核因素。如何將FFT算法很好的應用到DSP系統中對於DSP系統的設計具有重要的意義。

       一個優化的實數FFT算法是一個組合以後的算法。該算法主要分為以下幾步，首先將輸入的2N點實序列進行位倒序組合成一個N點的復序列，之後對復序列進行N 點的FFT運算，最後再由N點的複數輸出拆散成2N點的複數序列，這2N點的複數序列與原始的2N點的實數輸入序列的DFT輸出一致。(詳細的算法介紹可參考相關信號處理書籍)。

       3.2  C主程序

#include "stdlib.h"
extern void fft();  // FFT運算函數
int DisData[256];  // 輸出結果
int SimData[256]={
0,6270,11585,15137, 16384, 15137, 11585,6270,
0, -6270, -11585,-15137,-16384,-15137,-11585,-6270,
……
0,6270,11585,15137,16384,15137,11585,6270,
0,-6270,-11585,-15137,-16384,-15137,-11585,-6270
};  
// 輸入數據
int  main()
{
rfft();  
// 調用FFT函數
while(1)  ;
}

       本程序中FFT運算所用到的數據是通過matlab仿真產生的，然後通過全局數組進行傳值，這種方式的優點是數據的通用性強，方便對數據進行其他相關處理; 也可通過其他C程序產生然後保存到一個文本文件中，再由彙編程序將該數據文件拷到數據存儲器中參與FFT運算。這種方式的優點是程序的可讀性強，缺點是當輸入數據修改後，必須進行重新編譯、彙編和連結。

3.3  彙編程序

  .mmregs
  .global  sav_sin,sav_idx,sav_grp,_rFFT,_DisData
  .data 
DATA .space 1024   ;數據緩衝區
INPUT .set     0x9000 ;輸入數據起始地址
N  .set 128  ;複數點數
LOGN .set 7     ;碟形運算級數
sav_grp .usect "tempv",3 ;定義組變量值
sav_sin .set sav_grp+1 ;定義旋轉因子表
sav_idx .set sav_grp+2
  .copy  "twiddle1.inc" ;正弦表係數
  .copy  "twiddle2.inc" ;餘弦表係數
  .text
_rfft:
  SSBX TC
  SSBX C
  RSBX OVA
  RSBX OVB
  LD  #0,DP
  RSBX CPL
  SSBX XF
  SSBX SX  
M
  LD  #00,ASM   
  SSBX FRCT
  ……   {{分頁}}

       本程序主要是對輸入的256點實數作FFT運算，通過修改N和LOGN可以完成16-1024點的FFT運算。在編寫彙編程序的時候要注意以下幾個方面:

       (1) 由於採用循環尋址來對旋轉因子表尋址，因此每張表的開始地址必須是10個LSB位為0的地址。如:正弦表係數可以放在0400h開始的地址，餘弦表係數可以放在0800h開始的地址;

       (2) 在彙編程序的入口處要注意設置好彙編程序所需要的運行環境(見前述程序)，如果此處按照編譯器默認的環境將得不到正確的結果。詳細的彙編程序可參考TI公司提供的例程。

       3.4  運算結果

       輸入正弦信號的頻率為f＝16Hz，幅值為1(單位)，採樣長度為2N＝256點，採樣頻率為fs＝256Hz。CCS提供了很多方法將程序產生的數據畫圖顯示，包括時域/頻域波形顯示等。可通過查看相關圖像來檢驗FFT運算的正確性。由連結命令文件可以知道輸入信號存儲在程序存儲區0900h開始的256 個單元中，經程序計算得到的信號幅值譜存放在數據存儲區0200h開始的256個單元中。在CCS中選擇View——>Graph——> Time/Frequency命令，相關設置可參考圖1:  

       

                         圖1  FFT運算結果查看選項設置參考

       輸入信號的時域波形見圖2。 

  

  圖2     輸入信號的時域波形

       經FFT運算後得到的信號幅值譜圖見圖3。 



     圖3     信號幅值譜圖

     將輸入信號通過Matlab仿真進行驗證。輸入信號的時域波形見圖4。  {{分頁}}

圖4     輸入信號的時域波形

       經FFT運算後得到的信號幅值譜圖見圖5。 

  圖5     信號幅值譜圖  


       通過比較CCS中的輸出圖形和Matlab中的仿真輸出圖形, 可以看到二者是一致的，說明本程序的結果是正確的。

       4  結束語

       本文通過實例，說明了TMS320 C5000系列DSP晶片的混合編程方法，利用混合編程達到了提高程序的可讀性與編程效率的目的，是開發DSP軟體的常用方法。本文介紹的混合編程方法不但適用於TI C5000系列DSP晶片，同樣也適用於TI其他系列的DSP晶片，如C2000系列、C6000系列，甚至對其他晶片，如51系列單片機等，實現混合編程也有很大參考價值。