嵌入式C语言开发ADSP21XX系列

　　引言
   　　长期以来，在DSP系统开发中，一直把汇编语言作为主要的开发工具；但汇编语言与自然语言差距很大，不易常，而且汇编语言是依赖于处理器的，不利于软件的可重复利用和系统的稳定性，程序不易移植，给开发工作带来了很大的困难。随着嵌入式系统复杂程度的不断提高，用汇编语言编写一个巨大的程度将是困难，甚至是不可能的。为此，AD公司推出了针对ADSP21XX系列DSP的嵌入式C和C++语言集成开发工具，分别是VisualDSP和VisualDSP++系列，这些开发工具提供了C语言和C++语音的开发功能。以下就以笔者在实际开发中的一些经验，结合VisualDSP6.1版本，介绍用C语言开发VisualDSP6.1版本，介绍用C语言开发ADSP21XX的方法。VisualDSP提供了一个开放源码软件组织GNU的C编译器，和一套成熟稳定的C运行时间库（C Run time Library）等。GNU的编译器一向以编译效率高着称，在编译后的代码长度和运行速度方面非常优秀；C运行时间库则把很多重复性的工作，如浮点运行、三角函数、FFT等作为C语言的库函数，提供给用户，大大提高了用户的开发效率和程序的稳定性，降低了开发难度，另外，由于把这些库函数的源代码提供给了用户，还提高了C语言与汇编语言之间的透明性，使用户开发的程序兼具两者的优点。
   　　1 Visual DSP简介
   　　VisualDSP是AD公司的DSP开发工具，主要由可执行文件、库文件和各种帮助文档组成。6.1版本还带有一个基于图形界面，针对21XX系列DSP的软件仿真和调试工具。
   　　VisualDSP的可执行文件包括汇编、编译、链接工具以及可执行文件重新格式化工具等，见表1。
   表1 VisualDSP的可执行文件及用途
   
   　　注：“*”代表该程序一般不单独使用，而昌由G21.exe或ASM21.exe调用。
   　　VisualDSP套件中的软件仿真调试工具DEBUGAPP，采用Windows图形界面，使用方便。它的主要特点是：可以仿真调试从ADSP2101～2189全系列的DSP；支持断点、单步、全速运行等各种常见调试方法；可以随时查询和修改DSP的程序RAM（PM）、数据RAM（DM）和各寄存器的内容；可以仿真中断，进行可执行程序性能评估（Profile），因此可以进行时序仿真。DEBUGAPP是调试程序和验证复杂算法的极好工具。
   　　VisualDSP6.1还提供了丰富的帮助文档，包括21XX系列的用户手册、汇编和C语言工具以及仿真调试程序的使用手册；还有C运行库的参考手册，列出了所有可用的C库函数。
   　　2 C语言运行库结构
   　　C语言运行时间库是位于LIB目录下的*.a文件，是整个C开发工具的核心之一，提供了大量的可以直接调用的库函数。这些库函数的函数原型包含在INCLUDE目录下的头文件中。这些头文件有的还包含一些宏定义。另外，VisualDSP还把这些库函数的汇编语言源代码提供给出了用户，方便了用户从中提取有用的代码，甚至修改源代码，生成新的库，来适应自己的要求。利用LIB21程序，还可以把自己的常用汇编子程序做成库，或是将实时性要求较高的代码用汇编语言来写，做成库，供C语言程序调用。
   　　VisualDSP的C语言运行库由两部分组成：应用程序框架和预定义的各种库函数。
   　　不同的DSP型号有不同的硬件结构、中断向量表，所以对应的应用程序框架库也不同，相应的文件是21*_HDR.DSP.其中*代表不同的DSP型号。应用程序框架的主体是中断向量处理部分，把中断向量引到合适的地址。其中最重要的是对系统复位（RESET_VECTOR）的中断向量的处理：
   
   　　第一条指令是调用C库函数中的_ _lib_setup_everything函数作程序启动时的初始化工作。接下来，调用C语言程序中的main_函数，进入C程序的主体，也就是进入用户自己程序，开始正常工作。主程序结束后，再调用_lib_prog_term函数，作程序退出时的结尾工作。由于嵌入式系统的特性，系统绝大多数都在主程序运行时被继电了，所以_lib_prog_term得到执行的机会很小。
   　　其它的中断向量由C运行库来管理，汇编指令如下：
   _Interrupt2:JUMP_lib_int2_ctrl;NOP;NOP;NOP；
   　　其中的_lib_int2_crtl就是C语言库中控制INT2的函数。如果用户要使用该中断，应先把中断服务程序用一个C库函数Interrupt()把服务函数指针设定好，并打开相应的中断允许位，当该中断发生时，_lib_int2_ctr1函数就会控制DSP跳转到相应的指针位置。
   　　VisualDSP预定义的C语言库函数包括数学函数、FFT函数、ANSI标准内存管理和字符串管理函数的一个子集。所有的函数列表可参考VisualDSP的联机文档。这些库函数以二进制代码的形式，打包集合在lib*.a文件中，用户的C语言程序可以像使用自己的子程序一样方便地调用这些库函数。下面是调用库函数的一个例子。
   
   
   　　编译后产生的汇编源代码中有call sin_指令，就是调用sin库函数的汇编语言指令语句。
   　　从嵌入式开发的角度讲，VisualDSP的C语言工具已经提供了一个操作系统雏形的功能。在AD公司的ADMC系列DSP中，已经把这些库函数和一些电机控制专用的函数，以及程序加载功能，集成在了DSP的片内ROM中。
   　　3 C语言与汇编语言混合编程方法
   　　用C语言开发的缺点是不能精确控制程序运行的时间，对于实时性要求较高的应用，必须用汇编语言。VisualDSP为用户提供了两种与汇编语言的接口方法：用ASM（）方法，直接嵌入汇编语言语句；用汇编语言编写子程序，供C语言程序调用。为了支持C语言与汇编程序程序的接口，VisualDSP预定义了诸如FUNCTION_ENTRY、EXIT、SAVE_REG、RESTORE_REG等13个宏。限于篇幅，不详细介绍其功能。使用这些宏以前，要包含asm_sprt.h头文件。
   　　3.1 使用ASM（）嵌入行的方法
   　　使用这一方法时，一定要注意各寄存器和堆栈当前的状态，以免破坏程序运行的环境，产生错误的结果。VisualDSP保留了一些内部寄存器供用户的汇编代码使用。用户可以自由地修改其内容，而不会对程序造成破坏。这些寄存器包括AR、AF、AY1、M5、11、16、MF、MR0等18个。如果不够用，可以用系统定义的宏save_reg和restore_reg保护现场，得到另外11个可用寄存器。另外要注意的是，在汇编语言中操作C语言中定义的变量时，要在变量名后加下划线。下面是一个嵌套汇编语言的例子：
   
   　　编译后的汇编语言代码是
   
   　　注意前者可能会破坏程序结构，因为它使用了未经保护的寄存器AX0；而由C语言产生的汇编代码，则会自动选择合适的临时寄存器MY1。
   　　3.2 使用汇编子程序的方法
   　　使用汇编子程序是C语言程序与汇编语言接口的另一种方法。用户定义的子程序放在单独的汇编文件中，或是做成二进制的库文件，并将子程序的定义用GLOBEL输出，汇编后就可以供C语言程序调用。下面是一个不需要参数的子程序的例子：
   
   　　如果汇编语言子程序中用到了参数，情况就复杂些。子程序中的入口参数前两个一定要保存在AR、AY1中。如果参数多于两个就要把其余的放在堆栈中。所有子程序的第一个返回值放在AR中。如果返回值不止一个，就要用到变量型参数或者指针来获得取所有的返回值了。下面是一个有5个输入参数、1个返回值的子程序例子。
   
   　　注意其中的readsfirst和readsnext都是汇编语言接口宏。其功能是从堆栈中读取所有的参数。
   　　4 C运行库的汇编源代码
   　　如果只用C语言来开发21XX程序，只要有C运行库的二进制版就够了。幸运的是，AD公司把所有C运行库的汇编源代码随VisualDSP提供给了用户，所以对那些用汇编语言开发的工程师来说，这些源代码也提供了很大的帮助。因此这代表很多功能的子程序不需要自己去编码、调试，用到某功能时只要把相应的汇编代码链接进自己的程序就可以。C运行库的源代码是扩展名为DSP的文本文件。基本上一个库函数对应一个文件，文件名就是函数名。比如说sin.dsp是正弦、余弦查找、使用都很方便，但是对于其中的交叉调用要注意。
   　　反过来，用户也可以把自己已经调试、验证过的汇编子程序，做成二进制库文件，供C程序调用，这样可以大大提高软件的可重复利用率。要制作二进制库文件，只要用lib21.exe工具处理就行了。注意，生成的二制库文件的名字必须以.a作为文件扩展名。
   　　笔者在实际的开发中，遇到这样的情况，自制的2181目标板上有一个自己开忍气吞声驻留程序，通过软件模拟的异步串口与PC通信，加载程序。但是这个驻留程序占据了0～0x500的空间，用户开发的程序只能加载到从0x500开始的空间内，而用C语言开发的程序起始地址都是从0开始的。为了解决这个问题，只能自己修改2181_hdr.dsp源文件。首先把第一行的.MODULE/ABS=0改成.MODULE/ABS=0x500，然后汇编成obj文件，代替原来的文件。另外，在自己的程序中定义一个从0开始0x500大小的PM区域，并初始化成0，就可以防止编译器在该区域内分配别的变量或程序代码，这样编译后的可执行文件的0～0x500空间都是0，加载时把它剔除，而其它有用的指令代码都在0x500之后，解决了这一个问题。
   　　5 总结
   　　从实际开发的经验来看，VisualDSP的C语言开发功能十分丰富。虽然提供的库函数只是ANSI的一个不完备子集，但是对于一般的工程开发来说已经足够用了，而且VisualDSP还提供了C运行库的源代码，这对于解决函数不完备的问题也好处。用C语言开发的好处还包括开发时间大大减少，程序的稳定性大大提高，这对于面对激烈的市场竞争，对于减轻设计工程师的工作量都很有好处。最后，用C语言开发是趋势，必将更加流行。