有利于嵌入式系统软件优化的混合编程介绍

ADSP-TS101S是美国ADI公司推出的一款具有极高性能的数字信号处理器（DSP）芯片，其专为大信号处理任务和通信应用进行了结构上的优化设计，在嵌人式信号处理中得到广泛应用。ADSP-TS101S的软件设计可以采用汇编语言、语言（C/C ）或语言与汇编语言混合编程。完全采用汇编编程，执行效率高，但对于复杂算法编写难度大，开发周期长，可读性和可移植性差；而完全采用C编程虽然可以弥补汇编的缺陷，但是程序的执行效率相对较低，大概只有汇编程序的10%~20%,对于实时性要求很高的处理，如雷达信号处理，很难满足要求。采用混合语言编程，用c语言构建框架，用汇编完成运算量较大的处理模块及硬件底层管理，就可以把两者的优点有效地结合起来。C和汇编语言的混合编程有三种形式：一是对C程序编译后形成的汇编程序进行手工修改与优化；二是直接在C代码中插入汇编语句，只需在汇编语句两边加上双引号和括号，在括号前面加上标识“asm”,如asm（“汇编语句”）；三是分别编写C程序和汇编程序，再独立编译成目标代码模块链接。种方法对程序可读性负面影响较大。第二种方法适用于C与汇编效率差异较大的情况，如进入中断的中断子程序等。第三种方法常用，需要遵循一些规定的接口规范和标准。
　　1 混合编程的接口规范和标准
　　①在C/C 环境下，TigerSHARC定义了一套严格的寄存器规则，它分为三类：
　　类是保留寄存器，j16~j25、k16~k25、xr24~xr31、yr24~yr31,共40个，作为编译系统库函数专门使用的寄存器。编写程序时应避免使用这些寄存器，以免误改了系统库函数。若在子程序中使用到，必须在被调用时保存，调用完后释放。
　　第二类是堆栈专用寄存器，k26、27和j26、j27四个，这些寄存器在调用时都需要保护。
　　第三类是高速暂存寄存器，包括除了以上两类寄存器以外的所有寄存器。用法和汇编中的普通寄存器是一样的，使用前不需要保存寄存器内容。
　　在默认情况下，cjmp寄存器用作存放被调函数的返回地址，但在嵌套调用中，这个值会被修改。为了保证安全返回，一般把返回地址存放在堆栈顶偏移地址为0的地方。
　　函数调用有时需要参数传递，通常，若参数少于5个，则通过寄存器传递，如表1所列。
　

　　如果在C/C 调用函数中作了正确的函数返回声明，则被调用的汇编函数可使用寄存器j8、xr8和xr9返回有效值。j8用于返回整数或地址；xr9:8可提供双字结果返回。若返回值大于2个字长，则必须为它们分配存储空间，令j8为返回值，指向该空间的首地址即可。
　　②在C/C 中声明的全局变量及函数，汇编中加“一”前缀才能使用；在汇编中的对象必须用“一”前缀命名，并用。g10bal声明为全局变量，才可在C/C 中访问到。具体格式如表2所列。
　　

　　2 混合编程的调用和中断
　　2.1 函数调用
　　C编译器对函数调用有一系列严格的规则。除了特殊的运行支持函数外。任何函数与c函数互调都必须遵循这些规则。函数调用的标准运行模式为：①调用者将参数庄人堆栈。压入时按照反序进行，即右边的参数位于堆栈的顶部。②调用函数。③调用结束时，调用者将参数弹出堆栈并返回。整个过程离不开堆栈操作。函数调用中的堆栈结构示意图如图1所示。

　　　　ADSP-TS101S的堆栈是一个先入后出存储区（如图1），用堆栈指针（j/k27）和帧指针（j/k26）来管理堆栈。调用函数时，编译器在运行栈中建立一个帧以存储信息，当前函数帧称为局部帧。j/k26指向当前函数的局部帧的开始，即栈底。j/k27指向栈顶，工作方式是向低地址变化。每调用函数，就建立一个新帧。C环境利用局部帧来实现如下功能：
　　①保护函数的返回地址及相关寄存器：把函数返回地址保存在j27 0的位置（栈顶），同时设置jZ6为j27-0x40（栈底），得到长度为64的栈区，并在栈区内保护相关寄存器。
　　②分配局部变量：在局部变量赋初值的时候，系统在堆栈内给它分配一个空间。
　　③传递函数参数：前4个参数传递给相应寄存器（见表1），后续参数按顺序装载到堆栈j27 0xC起始的空间中。注意，如果传递的参数是结构类型，则其所有元素将入栈。例：第五个参数是两元素的结构体，则元素一放于jZ7 0xC,元素二放于j27 0xD,汇编子程序在使用参数时只需从对应的位置上读取即可。
　　C环境在调用C函数时自动管理这些操作，当汇编与C接口时，必须采用与C一样的方式进行操作。这个过程可用图1详细描述。特别需要注意的是，由于C编译器不提供检查堆栈溢出的任何手段，因此必须保证有足够的空间用于堆栈；否则若发生溢出现象，将破坏程序的运行环境，从而导致程序的瘫痪。
　　2.2 中 断
　　中断是DSP控制程序执行的重要方式。通常，DSP工作在包含多个外部异步事件的环境中，这些异步事件的随机发生要求DSP能中断当前的处理程序并转向执行该事件处理程序，执行完后又要求返回被中断的原程序继续处理步骤，这一过程就是中断。中断源可以来自片内或片外的设备，例如时钟、A/D等。中断的设置包含两步--①打开中断屏蔽寄存器的相应中断位，②设置中断服务程序的入口地址，这样就能实现中断的正常运行。中断服务程序是特殊的函数，不能带返回值，不能传递参数，内容须短而有效。标准运行模式为：①保存断点地址并保护所有用到的寄存器，②执行中断服务程序，③释放寄存器并返回。
　　ADSP-TS101s中C语言中断实现有两种方法：一种是采用interrupt（int,vuid（*func（int）））函数来设置中断矢量表，这个函数定义在signal.h头文件中。个参量表示需响应的中断位，在这个头文件中也有定义；第二个参数即是中断服务程序。应该引起注意的是，采用这种方法时，IMASK寄存器的异常中断位必须打开，因为interrupt（）库函数要使用trap语句来产生陷阱，必须打开异常中断，陷阱才能设置成功，中断矢量表的设置才能完成，否则，中断来l临并不会进入指定的中断服务程序。另一种与汇编语言中断服务程序的实现类似。以定时器O为例，设置好IMASK后，用_builtin_sysreg_write（_ⅣTIMEROHP,（int）timer0h_isr）函数设置中断矢量表，用#pragma interrupt来标识中断服务程序即可。这种方法更简单快捷，但它只适用于Visua1DSP 3.5以上版本，而种方法适用于任何版本。
　　3 程序优化
　　程序优化包括汇编优化和C优化。手写汇编程序的优化空间相当大，可以产生非常高效的程序代码。由于许多相关书籍都有介绍，就不再赘述，这里主要介绍C程序的优化。
　　一般DSP的C编译器都会提供优化编译器，采用优化编译就可以生成效率更高的汇编代码，在某些情况下，执行优化的程序代码要快10~20倍。从某种程度上说，C程序的效率主要取决于C编译器所能进行优化的范围和数量。应说明的是，TSl01S编译器的默认设置是不使用优化器，它可以进行以下几个不同级别的优化，优化程度由低到高：
　　①Debugging:“-g”开启。编译器产生调试信息，以确保目标码与相应的源代码匹配。
　　②DefauIt:编译器进行基本的优化。例如对明确标明的内联函数进行内联。
　　③Procedural optimization:“-o”启动。编译器对要编译的文件中的每一过程进行优化。如果同时开启“-g”,由于“-O”项有更高的优先级，会限制调试功能。
　　④Interprocedural optimization:“-ipa”打开。除了基本优化外，编译器将对所有源文件的整个程序进行优化操作，将删除从没被调用的函数和变量，会明显减少代码长度。
　　以上“-g”、“-O”、“-ipa”在编译信息中可以看到。优化级越高，优化的范围就越广。应注意的是，使用C优化编译可以提高程序的运行效率，但由于优化时采用了一些优化措施，使得C和汇编的交叉列表文件不如在不用优化时得到的那样清晰。因此，在调试程序时，先不用优化编译进行调试，待程序调试成功后再用优化编译进行优化。采用C优化编译时，为了保证程序的正确性，特别需要注意几点：
　　①使用asm行汇编语句时必须特别小心。优化器在优化过程中会对程序代码重新进行组织，寄存器使用也比较灵活，同时程序中的有些变量或表达式可能会被删除。虽然asm语句不会被删除，但asm语句的前后环境可能因优化而发生很大的变化。因此，当asm语句涉及到C环境或访问C变量时，使用优化器可能会得到不正确的结果。此时，必须对编译后得到的汇编语句进行仔细的检查，以确保asm语句在程序中的正确性。一般而言，当asm语句仅涉及诸如控制中断寄存器或I/0口等硬件操作时，使用优化是比较安全的。
　　②在优化中，C语言源函数中从未使用过的变量和函数将被删除。若汇编子函数的C外部变量在C程序中从未使用过，有可能被删除并导致编译失败。使用retain_name pragma可以避免变量和函数因优化而被删除。例如：
　　保留函数
　

　　③使用volatile变量避免优化。一个定义为volatile的变量是说这个变量可能会被意想不到地改变，比如，并行设备的硬件寄存器（如状态寄存器），一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量，多线程应用中被几个任务共享的变量。采用volatile限定词，优化器在用到这个变量时必须每次都重新读取这个变量的值，而不是使用保存在寄存器里的备份。
　　④C语言程序应尽量避免使用指针运算。指针转换会在一定程度上降低运行效率。
　　⑤在“-ipa'‘使能的情况下，在循环前使用#pragmann_alias可以起到进一步优化程序的功能。一般来说，对于循环中不存在迭代运算（使用上结果）的情况，优化效果很好。
　　⑥使用PM限定词定义数据块。默认情况下数组存放在DM区，即块数据区（0x80000-0x8ffff）中。使用PM限定的数组放在第二块数据区（0x100000-0x10ffff）中。由于两块数据区有独立的128位数据总线相连，因此可以实现单周期内的双数据同时访问。
　　4 混合编程在系统程序管理中的应用
　　下面是一个嵌入式系统管理实例。系统由4片DSP构成，作为系统管理的DSP0负责通过IRQ0接收控制台从RS232串口传来的控制字，译码，并通过控制flag3产生下降沿触发IRQ3中断来启动其他各片DSP.这里用C搭建框架，汇编控制底层硬件，效率高，可读性强。由于篇幅限制，这里略去了串口初始化、串口数据接收函数以及其他芯片的处理程序。