DSP集成开发环境中的混合编程及FFT算法的实现
1 引言
CCS(Code Composer Studio)是TI公司的DSP集成开发环境。它提供了环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具，帮助用户在一个软件环境下完成编辑、编译链接、调试和数据分析等工作。与TI提供的早期软件开发工具相比，利用CCS能够加快软件开发进程，提高工作效率。CCS一般工作在两种模式下:软件仿真器和与硬件开发板相结合的在线编程。前者可以脱离DSP芯片，在PC机上模拟DSP指令集与工作机制，主要用于前期算法实现和调试。后者实时运行在DSP芯片上，可以在线编制和调试应用程序。
2 C语言和汇编语言的混合编程
TMS320 C5000系列的软件设计通常有三种方法:
(1
) 用C语言开发;
(2) 用汇编语言开发;
(3) C和汇编的混合开发。
其中用C语言开发具有兼容性和可移植的优点，有利于缩短开发周期和减少开发难度，但是在运算量较大的情况下，C代码的效率还是无法和手工编写的汇编代码的效率相比，比如FFT运算，用汇编语言开发的效率高，程序执行速度快，而且可以合理利用芯片的硬件资源，但是开发难度较大，开发周期长，而且可读性和可移植性差。C和汇编的混合编程则可以充分利用前两者的优点，以达到最佳利用DSP资源的目的。但是，采用C和汇编语言混合编程必须遵循相关函数调用规则和寄存器调用规则，否则会给程序的开发带来意想不到的问题。
2.1 C语言和汇编语言混合编程的四种方法
(1) 独立编写汇编程序和C程序，分开编译或汇编成各自的目标代码模块，再用链接器将二者链接起来。这种方法比较灵活，但是设计者必须自己维护各汇编模块的入口和出口代码，自己计算传递的参数在堆栈中的偏移量，工作量较大，但是能做到对程序的绝对控制。
(2) 在C程序中使用汇编程序中定义的变量和常数。
(3) 在C程序中内嵌汇编语句。这种方法可以实现C语言无法实现的一些硬件控制功能，如修改中断控制寄存器。
(4) 将C语言编译生成相应的汇编代码，手工修改和优化C编译器生成的汇编代码。采用这种方法可以控制C编译器，从而产生具有交叉列表的汇编程序，而设计者可以对其中的汇编语句进行修改，然后对汇编程序进行编译，产生目标文件。
后3种方法由于在C中直接嵌入了汇编语言,易造成程序混乱，破坏C环境，甚至导致程序崩溃，而开发者又很难对不良结果进行预期和有效控制。而如果采用第一种方法，只要遵循有关C语言函数调用规则和寄存器规则，就能预见到程序运行的结果，保证程序正确。
2.2 编程注意事项
C编译器对函数调用制定了一组严格的规则。除了特殊的运行时间支持库函数外，任何调用函数和被C函数调用的函数都必须遵守这些规则。结合作者在编程中的实际情况和切身体会，提出在编程时要注意以下几点:
(1) 必须保护任何被函数修正的专用寄存器。这些专用寄存器包括:AR1，AR6，AR72和堆栈指针(SP)。其中，如果对SP正常使用，则不必明显的保存。换句话说，只要汇编函数在调用返回时弹出压入的对象，实际上就已经保护了SP。
(2) 中断函数必须保存其使用的所有寄存器。
(3) 从汇编函数中调用C函数时，第一个参数(最左边的)必须放入累加器A中，剩下的参数按照自右向左的顺序压入堆栈。
(4) 如果函数有返回值，则返回值存放在累加器A中。
(5) 调用C函数时，注意C函数只保护了几个特定的寄存器，对于其他寄存器C函数是可以自由使用的。
(6) 长整数和浮点数存储在存储器中的方法是最高有效字在低位地址。
(7) 汇编语言模块不能改变由C模块产生的.cinit段，如果改变其中的内容将会引起不可预测的后果。
(8) 在汇编语言模块中，对可以从C中访问的变量和函数名需加上前缀“_”。对于仅用于汇编语言模块中的标识符，不用加下划线。而且如果仅在汇编中使用，只要不加下划线，即使与C程序中定义的对象名相同，也不会造成冲突。
(9) 任何在汇编语言模块中声明的将要从C访问或调用的对象或函数，都必须在汇编语言中用.global伪指令声明为全局变量。同样，任何在C程序中定义而将在汇编中访问或调用的对象或函数，在汇编中也必须用.global声明。
(10) 在默认的情况下，编译器总是认为CPL为1。因此，若在汇编程序中将CPL清0，则在返回C环境时，必须将其恢复为1;在默认的情况下，编译器总是认为 OVM为0。因此，若在汇编程序中将OVM置为1，则返回C环境时，必须将其恢复为0;ARP在函数进入和返回时，必须为0，即当前辅助寄存器为AR0。函数执行时可以为其他值。 {{分页}}
3 编程实例
3.1 FFT算法简介
FFT是一种高效实现离散傅立叶变换的算法，在数字信号处理系统中，FFT作为一个非常重要的工具，甚至成为DSP运算能力的一个考核因素。如何将FFT算法很好的应用到DSP系统中对于DSP系统的设计具有重要的意义。
一个优化的实数FFT算法是一个组合以后的算法。该算法主要分为以下几步，首先将输入的2N点实序列进行位倒序组合成一个N点的复序列，之后对复序列进行N 点的FFT运算，最后再由N点的复数输出拆散成2N点的复数序列，这2N点的复数序列与原始的2N点的实数输入序列的DFT输出一致。(详细的算法介绍可参考相关信号处理书籍)。
3.2 C主程序
#include "stdlib.h"
extern void fft(); // FFT运算函数
int DisData[256]; // 输出结果
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
};
// 输入数据
int main()
{
rfft();
// 调用FFT函数
while(1) ;
}
本程序中FFT运算所用到的数据是通过matlab仿真产生的，然后通过全局数组进行传值，这种方式的优点是数据的通用性强，方便对数据进行其他相关处理; 也可通过其他C程序产生然后保存到一个文本文件中，再由汇编程序将该数据文件拷到数据存储器中参与FFT运算。这种方式的优点是程序的可读性强，缺点是当输入数据修改后，必须进行重新编译、汇编和链接。
3.3 汇编程序
.mmregs
.global sav_sin,sav_idx,sav_grp,_rFFT,_DisData
.data
DATA .space 1024 ;数据缓冲区
INPUT .set 0x9000 ;输入数据起始地址
N .set 128 ;复数点数
LOGN .set 7 ;碟形运算级数
sav_grp .usect "tempv",3 ;定义组变量值
sav_sin .set sav_grp+1 ;定义旋转因子表
sav_idx .set sav_grp+2
.copy "twiddle1.inc" ;正弦表系数
.copy "twiddle2.inc" ;余弦表系数
.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
…… {{分页}}
本程序主要是对输入的256点实数作FFT运算，通过修改N和LOGN可以完成16-1024点的FFT运算。在编写汇编程序的时候要注意以下几个方面:
(1) 由于采用循环寻址来对旋转因子表寻址，因此每张表的开始地址必须是10个LSB位为0的地址。如:正弦表系数可以放在0400h开始的地址，余弦表系数可以放在0800h开始的地址;
(2) 在汇编程序的入口处要注意设置好汇编程序所需要的运行环境(见前述程序)，如果此处按照编译器默认的环境将得不到正确的结果。详细的汇编程序可参考TI公司提供的例程。
3.4 运算结果
输入正弦信号的频率为f＝16Hz，幅值为1(单位)，采样长度为2N＝256点，采样频率为fs＝256Hz。CCS提供了很多方法将程序产生的数据画图显示，包括时域/频域波形显示等。可通过查看相关图像来检验FFT运算的正确性。由链接命令文件可以知道输入信号存储在程序存储区0900h开始的256 个单元中，经程序计算得到的信号幅值谱存放在数据存储区0200h开始的256个单元中。在CCS中选择View——>Graph——> Time/Frequency命令，相关设置可参考图1:
图1 FFT运算结果查看选项设置参考
输入信号的时域波形见图2。
图2 输入信号的时域波形
经FFT运算后得到的信号幅值谱图见图3。 
图3 信号幅值谱图
将输入信号通过Matlab仿真进行验证。输入信号的时域波形见图4。 {{分页}}
图4 输入信号的时域波形
经FFT运算后得到的信号幅值谱图见图5。
图5 信号幅值谱图
通过比较CCS中的输出图形和Matlab中的仿真输出图形, 可以看到二者是一致的，说明本程序的结果是正确的。
4 结束语
本文通过实例，说明了TMS320 C5000系列DSP芯片的混合编程方法，利用混合编程达到了提高程序的可读性与编程效率的目的，是开发DSP软件的常用方法。本文介绍的混合编程方法不但适用于TI C5000系列DSP芯片，同样也适用于TI其他系列的DSP芯片，如C2000系列、C6000系列，甚至对其他芯片，如51系列单片机等，实现混合编程也有很大参考价值。
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