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-- 發布時間：2010-11-22 9:22:08
-- TMS320C67x DSP Library在程序開發中的應用
美國德州儀器(TI)公司的數字信號處理器(DSP)以其處理速度快，功能強大，易于使用，且有開發軟件支撐等優點而廣泛應用于通信、電子、自動控制等領域。一個完整的DSP系統應當由硬件和軟件兩部分組成。在硬件(主要是DSP芯片)相同時，系統的性能將主要取決于軟件部分的效率。而在相同的硬件平臺上，不同程序員編寫的軟件效率相差很大，軟件效率已成為影響DSP系統性能的一個重要因素。要充分發揮D-SP芯片的性能，就必須編寫高效率的程序。一般在DSP進行運算時，有些操作會頻繁出現(如卷積、FFT、FIR濾波等)，完成這些操作的程序的效率直接影響整個軟件部分的效率。為此，TI公司提供了一系列庫函數(TI DSP Library，以下簡稱DSP Lib)來完成這些操作。這些庫函數既可減少程序員的工作量，又可提高程序效率，因此，在程序開發中，合理地使用這些庫函數，將大大提高系統性能。
1 TI DSP Library簡介
1．1 TI DSP Library的特點
DSP Lib的核心實際上是一系列經過手工優化的匯編程序代碼，這些代碼封裝在后綴名為．lib的文件中，可用于完成各種運算。它們對外是不可見的。這些程序(庫函數，routines)可被C程序調用。由于經過了手工優化，它們的效率都非常高。由于不同系列DSP芯片的指令集不同，因此，不同系列DSP芯片的DSP Lib也是不同的，如TMS320C5000的DSP LIb就不能用于TMS320C6000。但是，各個系列DSP Lib的基本組成是相同的，一個完整的DSP Lib通常由Lib文件夾、include文件夾和其它輔助文件組成。其中lib文件夾用于存放*．lib文件，其內部封裝著手工優化的匯編程序代碼，是一個DSP Lib的核心部分。有的DSP Lib還有*．src文件，這些*．src文件主要是用C語言和匯編語言編寫的程序源代碼。使用歸檔器可從中提取出這些源代碼；而include文件夾用于存放各個庫函數的頭文件，通常這些文件分為C程序頭文件和匯編程序頭文件兩部分。
1．2 TI DSP Library的下載和安裝
由于DSP Lib種類繁多，且屬可選模塊，通常的DSP開發環境(CCS，Code Composer Studio)并沒有配備DSP Lib。因此，使用一個DSP Lib之前，必須進行DSP Lib的下載和安裝。
所謂下載，就是在TI公司網站WWW．ti．com上免費下載各種DSP Lib；而所謂安裝，就是在DSP Lib下載完畢后，雙擊安裝文件，以將它安裝在計算機中選定的位置(默認位置為C：＼ti)。安裝之后，即可在程序開發中使用DSP Lib的庫函數。
1．3 TI DSP Library的使用
按處理數據類型的不同，TI DSP分為定點(fixed-point)DSP和浮點(floating-point)DSP。由于浮點DSP既有定點指令集，又有浮點指令集，因此，本文選取浮點DSP系列TMS320C67x的DSP Lib，并且選取了TMS320C67x DSP Library和TMS320C67x FastRTS Library兩個DSP Lib，前者主要針對數字信號處理的常用操作，后者則針對一般數學運算的通用操作。
2 TMS320C67x DSP Library的應用
當DSP進行數據處理時，卷積、FFT、FIR濾波等操作頻繁出現，故在程序開發中，使用DSP Lib來完成這些操作將大大提高整個程序的效率并簡化編程。TMS320C67x DSP Library就是這樣的一個DSP Lib，它的lib文件夾內含庫文件dsp67x.lib和源文件dsp67x.sr、dsp67x_C.sr-c、dsp67x_sa．src。TMS320C67x DSP Library主要用于TMS320C67x系列DSP芯片的程序開發，使用它可完成FFT運算。
2．1 TMS320C67x DSP Library的使用
使用TMS320C67x DSP Library的第一步是將其核心文件“dsp67x．lib”加入到當前工程中，相關編譯鏈接參數為“-ldsp67x．lib”；接著，將存儲頭文件的include目錄所在路徑添加到工程搜索路徑中，其相關編譯鏈接參數為“-i pathname”，具體操作可參考TI公司的有關文獻。選取該DSP Lib中的庫函數“DSPF_sp_cfftr2_dit()”可完成FFT運算，它使用的是基2的時間抽取算法，具體形式如下：
同時，該庫函數還有一個對應的頭文件“dspf_sp_cfftr2_dit．h”，使用時可將其包含到調用該庫函數的程序中。此時，該庫函數就可以像一般子程序一樣被其他程序調用，具體使用代碼如下：
為了便于比較，可使用歸檔器指令“ar6x”從該DSP Lib的源文件“dsp67x_c.src”中提取出庫函數的源代碼，以得到文件“sp_cfftr2_ dit．c”。所有歸檔器指令的命令文件都存儲在CCS的安裝目錄下，這里，“ar6x”的使用格式為：
ar6x-x dsp67x_c．src sp_cfftr2_dit．c
從“sp_cfftr2_dit．c”中可得到庫函數“DSPF_sp_cfftr2_dit()”的C語言源代碼，相應的C程序為“void sp_cfftr2_dit(float*x，float*w，short n)”，該程序可以像一般子程序一樣被主程序調用。源函數和庫函數的形式完全相同。實際上，庫函數就是對源函數的程序代碼進行手工優化的結果。
2．2 性能分析
分別使用庫函數和源函數可完成FFT運算。并可用CCS自帶的剖析工具“Profiler”來分析兩個函數由于編程方式的不同所帶來的運行時間上的差異。改變輸入數組的長度，可得到如表1所列的一組數據。由表1可以看出，庫函數的效率遠遠高于源函數，其效率的提高量隨著輸入數據長度的變化而變化，最高的效率可提高40倍(40．98-1=39．98)，最低仍在25倍左右，而且該DSP Lib的其他庫函數也有相近的測試結果。雖然用該DSP Lib的庫函數后，程序效率可以提高一個數量級，對于時間限制較為嚴格的系統，特別是實時系統，這仍然是非常有用的。
庫函數和源函數相比，其效率有了很大提高，但這種提高是有代價的。它主要表現為通用性降低。其原因是為了最大限度的提高效率，在對代碼進行手工優化的過程中，引入了一些強假設，同時，使用了大量的操作合并、并行處理等簡化手段，這必然導致庫函數的通用性降低。例如，庫函數“DSPF_sp_cfftr2_dit()”使用時就會受到以下條件的限制：
(1)輸入數組的長度必須是2的冪級數，且不得小于32；
(2)輸入數組x和旋轉因子數組w必須按雙字對齊方式存儲，即數組起始地址的末3位必須是零；
(3)數據的存儲格式必須是小端模式(Little Endian)；
(4)執行期間可接收中斷，但不予響應，這可能導致一些實時事件得不到及時響應。
如果使用“DSPF_sp_cfftr2_dit()”時不考慮到這些限制，就有可能導致程序運行異常。因此，庫函數的效率雖然高，但不能盲目的濫用，在程序開發時，必須根據實際情況在通用性和效率之間進行折衷，以合理的使用庫函數。
3 TMS320C67x Fast RTS Library的應用
在DSP進行數據處理時，除了一些典型的操作外，還存在大量常規的操作，如除法操作、對數運算、三角函數等，這些操作也是很費時的，提高這些操作的代碼效率，也能顯著提高整個軟件的效率。TMS320C67x FastRTS Library就是這樣的一個DSP Lib，它通常由Lib文件夾、include文件夾和doc文件夾組成。其中lib文件夾內含庫文件fastrts67x．lib(Little Endian)、fastrts67xe．lib(Big Endian)和源文件fastrts67x．src；include文件夾內含頭文件fastrts67x．h和recip．h；而doc文件夾內含幫助文件。
3．1 TMS320C67x FastRTS Library的使用
TMS320C67x FastRTS Library(以下簡稱FastRTS Library)主要用于處理一些常規的操作。由于在通常情況下，CCS已經有一個RTSLib-rary來完成這些操作(例如，“rts6700．lib”就是一個適用于TMS320C67x的RTS Library文件)，因此，如果要使用FastRTS Library，就必須在編譯鏈接過程中先于“rts6700．lib”來編譯鏈接“fastrts67x．lib(或fastrts67xe．lib)”，相應的編譯鏈接命令選項為：
-l fastrts67x．lib - rts6700．lib或 -l fastrts67xe．lib - rts6700．lib
FastRTS Library同樣需要注意頭文件的使用，它有兩個頭文件： “fastrts67x．h”和“recip．h”。如果使用FastRTS Library中的特殊函數(三角函數，對數函數等)，則必須包含“fastrts67x．h”；而如果使用求倒數操作，則必須包含“recip．h”。FastRTS Library的使用方式如下：
3．2 性能分析
分別使用FastRTS Library和RTS Library可完成一些常用操作，使用剖析工具可得到各個操作所需的時鐘周期個數，具體如表2所列(所有的操作均處理單精度浮點數)。對比表2中的數據可以發現，和RTS Library相比，FastRTS Library大大提高了程序的效率。
4 DSP Lib的編寫
事實上，程序員并非只能被動的使用DSP Lib。只要遵循相應的規則，程序員也可以自己編寫一個DSP Lib。編寫一個最簡單的DSP Lib的步驟如下：
(1)新建一個工程newLibrary，將其屬性設為“Library(．lib)”，圖l所示是新工程設置示意圖；
(2)編寫高效率代碼文件myLibl．asm、myLib2．asm、myLib3．asm，……
(3)將myLibl．asm、myLib2．asm、myLib3．asm，……等文件添加到工程new Library中；
(4)編譯鏈接工程new Library；
完成上面4步后，工程中就會出現庫文件newLibrary.lib，這樣，一個DSP Lib就制作成功了。為了使DSP Lib具有保密性，通常情況下，只需保留工程中的newLibrary．lib文件，而將其他文件，特別是源代碼文件*．asm刪除或保密存放。這樣，用戶就只能使用庫文件，而無法從中得到源代碼的信息。
5 結束語
本文以TMS320C67x DSP Library和TMS320C67x FastRTS Library為例，詳細介紹了如何在程序開發中使用TI DSP Library，并分析了使用TI DSP Library所帶來的程序效率的提高。最后，還給出了編寫TI DSP Library的一個應用實例。