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本文介紹X-CTR100控制器 DSP庫的使用，對STM32F4的DSP庫有個基本的了解，並針對三角函數有無DSP指令進行性能測試。
原理
STM32F4采用Cortex-M4內核，相比Cortex-M3系列除了內置硬件FPU單元，在數字信號處理方面還增加了DSP指令集，支持諸如單周期乘加指令（MAC），優化的單指令多數據指令（SIMD），飽和算數等多種數字信號處理指令集。相比Cortex-M3，Cortex-M4在數字信號處理能力方面得到了大大的提升。Cortex-M4執行所有的DSP指令集都可以在單周期內完成，而Cortex-M3需要多個指令和多個周期才能完成同樣的功能。
ST官方提供了一整套的DSP庫方便我們開發使用，在ST提供的標准庫：stm32f4_dsp_stdperiph_lib.zip里面就有。
目錄STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.4.0→Libraries→CMSIS→DSP_Lib下可以找到DSP庫文件和測試實例。
Sourse中是所有DSP庫文件源代碼，Examples文件夾下是一些測試實例。
DSP庫主要包含以下幾個分庫：
BasicMathFunctions
基本數學函數：提供浮點數的各種基本運算函數，如向量加減乘除等運算。
CommonTables
arm_common_tables.c文件提供位翻轉或相關參數表。
ComplexMathFunctions
復雜數學功能，如向量處理，求模運算的。
ControllerFunctions
控制功能函數。包括正弦余弦，PID電機控制，矢量Clarke變換，矢量Clarke逆變換等。
FastMathFunctions
快速數學功能函數。提供了一種快速的近似正弦，余弦和平方根等相比CMSIS計算庫要快的數學函數。
FilteringFunctions
濾波函數功能，主要為FIR和LMS（最小均方根）等濾波函數。MatrixFunctions
矩陣處理函數。包括矩陣加法、矩陣初始化、矩陣反、矩陣乘法、矩陣規模、矩陣減法、矩陣轉置等函數。
StatisticsFunctions
統計功能函數。如求平均值、最大值、最小值、計算均方根RMS、計算方差/標准差等。
SupportFunctions
支持功能函數，如數據拷貝，Q格式和浮點格式相互轉換，Q任意格式相互轉換。
TransformFunctions
變換功能。包括復數FFT（CFFT）/復數FFT逆運算（CIFFT）、實數FFT（RFFT）/實數FFT逆運算（RIFFT）、和DCT（離散余弦變換）和配套的初始化函數。
ST提供了.lib格式的文件，方便使用這些庫。這些.lib文件就是由Source文件夾下的源碼編譯生成的，如果想看某個函數的源碼，可以在Source文件夾下面查找。.lib格式文件路徑：STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.4.0→Libraries→CMSIS→Lib→ARM，總共有8個.lib文件，和M4F相關的有兩個：
arm_cortexM4bf_math.lib(浮點Cortex-M4大端模式)
arm_cortexM4lf_math.lib(浮點Cortex-M4小端模式)
STM32F4的內核CortexM4F采用小端模式，所以選擇：arm_cortexM4lf_math.lib(浮點Cortex-M4小端模式)。
例程
本例程 通過計算兩種方法計算三角函數，測量計算時間，間接進行性能對比。
硬件說明
硬件資源：
- 串口UART1
硬件連接：
使用MicroUSB數據線連接X-CTR100 COM接口。
軟件說明
將DSP Lib庫加入到工程，相關頭文件已在X工程模板中加入。
使用DSP庫的所有功能，還需要添加以下幾個全局宏定義：
1、__FPU_USED
2、__FPU_PRESENT
3、ARM_MATH_CM4
4、__CC_ARM
5、ARM_MATH_MATRIX_CHECK
6、ARM_MATH_ROUNDING
在main.c文件中包含如下頭文件。
#include "math.h" //標准數學函數庫 #include "arm_math.h" //使用DSP的數學函數庫 |
測試代碼如下，分別使用DSP庫三角函數和標准三角函數進行計算，測量計算時間，時間越少性能越好。
int main(void) { uint32_t i, tmp; float angle; float sinx, cosx;
/* X-CTR100初始化 */ AX_Init(115200); printf("***X-CTR100 DSP指令集性能測試例程***\r\n\r\n");
//模塊初始化及配置 AX_TIMER_TIM6_Init(1);
while (1) { //不使用DSP優化的sin，cos函數 AX_TIMER_TIM6_SetCounter(0); for (i = 0; i<20000; i++) { cosx = cosf(angle); sinx = sinf(angle); angle += 0.001f;//角度自增 } tmp = AX_TIMER_TIM6_GetCountert(); printf("無DSP 運行時間：%d us | ", tmp);
//有使用DSP優化的sin，cos函數 AX_TIMER_TIM6_SetCounter(0); for (i = 0; i<20000; i++) { cosx = arm_cos_f32(angle); sinx = arm_cos_f32(angle); angle += 0.001f;//角度自增 } tmp = AX_TIMER_TIM6_GetCountert(); printf("有DSP 運行時間：%d us \r\n", tmp);
AX_Delayms(1000); AX_LEDG_Toggle(); } } |
實現效果
測試結果如下圖，有DSP情況下計算速度提升約1倍左右。
總結
通過本文學習，可以了解STM32F4DSP指令集及ST提供DSP庫的使用。項目中如果需要頻繁的數學運算，並有性能要求，建議使用DSP相關計算函數。
參考
正點原子——ALIENTEK探索者STM32F407開發板相關資料