TMS320C67x DSP Library在程序开发中的应用

O 引言
    美国德州仪器(TI)公司的数字信号处理器(DSP)以其处理速度快，功能强大，易于使用，且有开发软件支撑等优点而广泛应用于通信、电子、自动控制等领域。一个完整的DSP系统应当由硬件和软件两部分组成。在硬件(主要是DSP芯片)相同时，系统的性能将主要取决于软件部分的效率。而在相同的硬件平台上，不同程序员编写的软件效率相差很大，软件效率已成为影响DSP系统性能的一个重要因素。要充分发挥D-SP芯片的性能，就必须编写高效率的程序。一般在DSP进行运算时，有些操作会频繁出现(如卷积、FFT、FIR滤波等)，完成这些操作的程序的效率直接影响整个软件部分的效率。为此，TI公司提供了一系列库函数(TI DSP Library，以下简称DSP Lib)来完成这些操作。这些库函数既可减少程序员的工作量，又可提高程序效率，因此，在程序开发中，合理地使用这些库函数，将大大提高系统性能。

1 TI DSP Library简介
1．1 TI DSP Library的特点
    DSP Lib的核心实际上是一系列经过手工优化的汇编程序代码，这些代码封装在后缀名为．lib的文件中，可用于完成各种运算。它们对外是不可见的。这些程序(库函数，routines)可被C程序调用。由于经过了手工优化，它们的效率都非常高。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，各个系列DSP Lib的基本组成是相同的，一个完整的DSP Lib通常由Lib文件夹、include文件夹和其它辅助文件组成。其中lib文件夹用于存放*．lib文件，其内部封装着手工优化的汇编程序代码，是一个DSP Lib的核心部分。有的DSP Lib还有*．src文件，这些*．src文件主要是用C语言和汇编语言编写的程序源代码。使用归档器可从中提取出这些源代码；而include文件夹用于存放各个库函数的头文件，通常这些文件分为C程序头文件和汇编程序头文件两部分。
1．2 TI DSP Library的下载和安装
    由于DSP Lib种类繁多，且属可选模块，通常的DSP开发环境(CCS，Code Composer Studio)并没有配备DSP Lib。因此，使用一个DSP Lib之前，必须进行DSP Lib的下载和安装。
    所谓下载，就是在TI公司网站WWW．ti．com上免费下载各种DSP Lib；而所谓安装，就是在DSP Lib下载完毕后，双击安装文件，以将它安装在计算机中选定的位置(默认位置为C：＼ti)。安装之后，即可在程序开发中使用DSP Lib的库函数。
1．3 TI DSP Library的使用
    按处理数据类型的不同，TI DSP分为定点(fixed-point)DSP和浮点(floating-point)DSP。由于浮点DSP既有定点指令集，又有浮点指令集，因此，本文选取浮点DSP系列TMS320C67x的DSP Lib，并且选取了TMS320C67x DSP Library和TMS320C67x FastRTS Library两个DSP Lib，前者主要针对数字信号处理的常用操作，后者则针对一般数学运算的通用操作。

2 TMS320C67x DSP Library的应用
    当DSP进行数据处理时，卷积、FFT、FIR滤波等操作频繁出现，故在程序开发中，使用DSP Lib来完成这些操作将大大提高整个程序的效率并简化编程。TMS320C67x DSP Library就是这样的一个DSP Lib，它的lib文件夹内含库文件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芯片的程序开发，使用它可完成FFT运算。
2．1 TMS320C67x DSP Library的使用
    使用TMS320C67x DSP Library的第一步是将其核心文件“dsp67x．lib”加入到当前工程中，相关编译链接参数为“-ldsp67x．lib”；接着，将存储头文件的include目录所在路径添加到工程搜索路径中，其相关编译链接参数为“-i pathname”，具体操作可参考TI公司的有关文献。选取该DSP Lib中的库函数“DSPF_sp_cfftr2_dit()”可完成FFT运算，它使用的是基2的时间抽取算法，具体形式如下：
[!--empirenews.page--]
    同时，该库函数还有一个对应的头文件“dspf_sp_cfftr2_dit．h”，使用时可将其包含到调用该库函数的程序中。此时，该库函数就可以像一般子程序一样被其他程序调用，具体使用代码如下：

    为了便于比较，可使用归档器指令“ar6x”从该DSP Lib的源文件“dsp67x_c.src”中提取出库函数的源代码，以得到文件“sp_cfftr2_ dit．c”。所有归档器指令的命令文件都存储在CCS的安装目录下，这里，“ar6x”的使用格式为：
     ar6x-x dsp67x_c．src sp_cfftr2_dit．c
    从“sp_cfftr2_dit．c”中可得到库函数“DSPF_sp_cfftr2_dit()”的C语言源代码，相应的C程序为“void sp_cfftr2_dit(float*x，float*w，short n)”，该程序可以像一般子程序一样被主程序调用。源函数和库函数的形式完全相同。实际上，库函数就是对源函数的程序代码进行手工优化的结果。
2．2 性能分析
    分别使用库函数和源函数可完成FFT运算。并可用CCS自带的剖析工具“Profiler”来分析两个函数由于编程方式的不同所带来的运行时间上的差异。改变输入数组的长度，可得到如表1所列的一组数据。由表1可以看出，库函数的效率远远高于源函数，其效率的提高量随着输入数据长度的变化而变化，最高的效率可提高40倍(40．98-1=39．98)，最低仍在25倍左右，而且该DSP Lib的其他库函数也有相近的测试结果。虽然用该DSP Lib的库函数后，程序效率可以提高一个数量级，对于时间限制较为严格的系统，特别是实时系统，这仍然是非常有用的。
库函数和源函数相比，其效率有了很大提高，但这种提高是有代价的。它主要表现为通用性降低。其原因是为了最大限度的提高效率，在对代码进行手工优化的过程中，引入了一些强假设，同时，使用了大量的操作合并、并行处理等简化手段，这必然导致库函数的通用性降低。例如，库函数“DSPF_sp_cfftr2_dit()”使用时就会受到以下条件的限制：
    (1)输入数组的长度必须是2的幂级数，且不得小于32；
    (2)输入数组x和旋转因子数组w必须按双字对齐方式存储，即数组起始地址的末3位必须是零；
    (3)数据的存储格式必须是小端模式(Little Endian)；
    (4)执行期间可接收中断，但不予响应，这可能导致一些实时事件得不到及时响应。

    如果使用“DSPF_sp_cfftr2_dit()”时不考虑到这些限制，就有可能导致程序运行异常。因此，库函数的效率虽然高，但不能盲目的滥用，在程序开发时，必须根据实际情况在通用性和效率之间进行折衷，以合理的使用库函数。

3 TMS320C67x Fast RTS Library的应用
    在DSP进行数据处理时，除了一些典型的操作外，还存在大量常规的操作，如除法操作、对数运算、三角函数等，这些操作也是很费时的，提高这些操作的代码效率，也能显著提高整个软件的效率。TMS320C67x FastRTS Library就是这样的一个DSP Lib，它通常由Lib文件夹、include文件夹和doc文件夹组成。其中lib文件夹内含库文件fastrts67x．lib(Little Endian)、fastrts67xe．lib(Big Endian)和源文件fastrts67x．src；include文件夹内含头文件fastrts67x．h和recip．h；而doc文件夹内含帮助文件。
3．1 TMS320C67x FastRTS Library的使用
    TMS320C67x FastRTS Library(以下简称FastRTS Library)主要用于处理一些常规的操作。由于在通常情况下，CCS已经有一个RTSLib-rary来完成这些操作(例如，“rts6700．lib”就是一个适用于TMS320C67x的RTS Library文件)，因此，如果要使用FastRTS Library，就必须在编译链接过程中先于“rts6700．lib”来编译链接“fastrts67x．lib(或fastrts67xe．lib)”，相应的编译链接命令选项为：
    -l fastrts67x．lib - rts6700．lib或 -l fastrts67xe．lib - rts6700．lib
    FastRTS Library同样需要注意头文件的使用，它有两个头文件： “fastrts67x．h”和“recip．h”。如果使用FastRTS Library中的特殊函数(三角函数，对数函数等)，则必须包含“fastrts67x．h”；而如果使用求倒数操作，则必须包含“recip．h”。FastRTS Library的使用方式如下：[!--empirenews.page--]

3．2 性能分析
    分别使用FastRTS Library和RTS Library可完成一些常用操作，使用剖析工具可得到各个操作所需的时钟周期个数，具体如表2所列(所有的操作均处理单精度浮点数)。对比表2中的数据可以发现，和RTS Library相比，FastRTS Library大大提高了程序的效率。

4 DSP Lib的编写
    事实上，程序员并非只能被动的使用DSP Lib。只要遵循相应的规则，程序员也可以自己编写一个DSP Lib。编写一个最简单的DSP Lib的步骤如下：
    (1)新建一个工程newLibrary，将其属性设为“Library(．lib)”，图l所示是新工程设置示意图；

    (2)编写高效率代码文件myLibl．asm、myLib2．asm、myLib3．asm，……
    (3)将myLibl．asm、myLib2．asm、myLib3．asm，……等文件添加到工程new Library中；
    (4)编译链接工程new Library；
    完成上面4步后，工程中就会出现库文件newLibrary.lib，这样，一个DSP Lib就制作成功了。为了使DSP Lib具有保密性，通常情况下，只需保留工程中的newLibrary．lib文件，而将其他文件，特别是源代码文件*．asm删除或保密存放。这样，用户就只能使用库文件，而无法从中得到源代码的信息。

5 结束语
    本文以TMS320C67x DSP Library和TMS320C67x FastRTS Library为例，详细介绍了如何在程序开发中使用TI DSP Library，并分析了使用TI DSP Library所带来的程序效率的提高。最后，还给出了编写TI DSP Library的一个应用实例。