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第6章 ARM DSP源碼和庫移植方法（MDK5的AC5和AC6）
本期教程主要講解ARM官方DSP源碼和庫的移植以及一些相關知識的介紹。
6.1 初學者重要提示
6.2 DSP庫的下載和說明
6.3 DSP庫版本的區別
6.4 DSP庫的幾個重要的預定義宏含義
6.5 使用MDK的AC6編譯器優勢
6.6 DSP庫在MDK上的移植（AC5源碼移植方式）
6.7 DSP庫在MDK上的移植（AC5庫移植方式）
6.8 DSP庫在MDK上的移植（AC6源碼移植方式）
6.9 DSP庫在MDK上的移植（AC6庫移植方式）
6.10 升級到最新版DSP庫的方法
6.11 簡易DSP庫函數驗證
6.12 總結
6.1 初學者重要提示
- MDK請使用5.26及其以上版本，CMSIS軟件包請使用5.6.0及其以上版本。
- MDK的工程創建，下載和調試方法，在V7用戶手冊有詳細說明：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=93255 。
- 鑒於MDK的AC6（ARM Compiler 6.X）編譯器在浮點處理上的強勁性能，每個例子將必做一個AC6版，而且ARM編譯好的DSP庫也開始直接采用AC6。
- MDK AC6有兩個地方在使用的時候要注意：
-
- 工程目錄切記不要有中文路徑，而且不要太長，否則會導致無法使用go to def以及調試的時候不正常。
- MDK AC6工程模板的漢字編碼問題，在本章6.8小節有詳細說明。
6.2 DSP庫的下載和說明
下面詳細的給大家講解一下官方DSP庫的移植。
6.2.1 DSP庫的下載
DSP庫是包含在CMSIS軟件包（Cortex Microcontroller Software Interface Standard）里面，所以下載DSP庫也就是下載CMSIS軟件包。這里提供三個可以下載的地方：
- 方式一：STM32CubeH7軟件包里面。
每個版本的Cube軟件包都會攜帶CMSIS文件夾，只是版本比較老，不推薦。即使是最新的CubeH7
軟件包，包含的CMSIS軟件包版本也有點低。
- 方式二：MDK安裝目錄（下面是5.6.0版本的路徑）。
大家安裝了新版MDK后，CMSIS軟件包會存在於路徑：ARM\PACK\ARM\CMSIS\5.6.0\CMSIS。
如果有更新的版本，推薦大家使用最新版本，MDK的軟件包下載地址：http://www.keil.com/dd2/Pack/ 。
- 方式三：GitHub。
通過GitHub獲取也比較方便，地址：https://github.com/ARM-software/CMSIS_5 。點擊右上角就可以下載CMSIS軟件包了。
當然，也可以在ARM官網下載，只是這兩年ARM官網升級得非常頻繁，通過檢索功能找資料非常麻煩。所以不推薦大家到ARM官網下載資料了。
6.2.2 DSP庫的說明
這里我們以CMSIS V5.6.0為標准進行移植。打開固件庫里面的CMSIS文件，可以看到如下幾個文件：
其中DSP文件夾是我們需要的：
Examples文件夾中的文件如下，主要是提供了一些例子：
Include文件夾里面是DSP庫的頭文件：
Lib文件夾里面是MDK（ARM），IAR和CGG版庫文件：
Projects文件夾里面的文件如下，提供了三個版本的工程模板，每個模板里面都是把所有源碼文件添加了進來：
Source文件夾中的文件如下，這個是DSP的源碼文件：
6.3 DSP庫版本的區別
MDK版本的DSP庫如下：
- arm_cortexM7lfdp_math.lib
Cortex-M7內核，l表示小端格式，f表示帶FPU單元，dp表示Double Precision雙精度浮點。
- arm_cortexM7bfdp_math.lib
Cortex-M7內核，b表示大端格式，f表示帶FPU單元，dp表示Double Precision雙精度浮點。
- arm_cortexM7lfsp_math.lib
Cortex-M7內核，l表示小端格式，f表示帶FPU單元，sp表示Single Precision單精度浮點。
- arm_cortexM7bfsp_math.lib
Cortex-M7內核，b表示大端格式，f表示帶FPU單元，sp表示Single Precision單精度浮點。
- arm_cortexM7l_math.lib
Cortex-M7內核，l表示小端格式。
- arm_cortexM7b_math.lib
Cortex-M7內核，b表示大端格式。
STM32H7是M7內核，雙精度浮點，一般使用小端格式，所以我們選擇庫arm_cortexM7lfdp_math.lib
6.4 DSP庫的幾個重要的預定義宏含義
根據用戶的使用要求，這幾個預定義宏可以添加到MDK的預定義選項中：
這里將這幾個預定義宏做個介紹：
- ARM_MATH_BIG_ENDIAN:
大端格式。
- ARM_MATH_MATRIX_CHECK:
檢測矩陣的輸入輸出大小
- ARM_MATH_NEON:
- ARM_MATH_NEON_EXPERIMENTAL:
這兩個暫時用不到，因為M0，M3，M4和M7內核不支持NEON指令，需要等待升級到ARMv8.1-M架構。
- ARM_MATH_ROUNDING:
主要用在浮點數轉Q32，Q15和Q7時，類似四舍五入的處理上，其它函數沒用到。
- ARM_MATH_LOOPUNROLL:
用於4個為一組的的小批量處理上，加快執行速度。
通過下面的求絕對值函數，可以方便的看出區別：
void arm_abs_f32( const float32_t * pSrc, float32_t * pDst, uint32_t blockSize) { uint32_t blkCnt; /* Loop counter */ #if defined(ARM_MATH_NEON) float32x4_t vec1; float32x4_t res; /* Compute 4 outputs at a time */ blkCnt = blockSize >> 2U; while (blkCnt > 0U) { /* C = |A| */ /* Calculate absolute values and then store the results in the destination buffer. */ vec1 = vld1q_f32(pSrc); res = vabsq_f32(vec1); vst1q_f32(pDst, res); /* Increment pointers */ pSrc += 4; pDst += 4; /* Decrement the loop counter */ blkCnt--; } /* Tail */ blkCnt = blockSize & 0x3; #else #if defined (ARM_MATH_LOOPUNROLL) /* Loop unrolling: Compute 4 outputs at a time */ blkCnt = blockSize >> 2U; while (blkCnt > 0U) { /* C = |A| */ /* Calculate absolute and store result in destination buffer. */ *pDst++ = fabsf(*pSrc++); *pDst++ = fabsf(*pSrc++); *pDst++ = fabsf(*pSrc++); *pDst++ = fabsf(*pSrc++); /* Decrement loop counter */ blkCnt--; } /* Loop unrolling: Compute remaining outputs */ blkCnt = blockSize % 0x4U; #else /* Initialize blkCnt with number of samples */ blkCnt = blockSize; #endif /* #if defined (ARM_MATH_LOOPUNROLL) */ #endif /* #if defined(ARM_MATH_NEON) */ while (blkCnt > 0U) { /* C = |A| */ /* Calculate absolute and store result in destination buffer. */ *pDst++ = fabsf(*pSrc++); /* Decrement loop counter */ blkCnt--; } }
6.5 使用MDK的AC6編譯器優勢
涉及到的知識點比較多，專門將其整理到附件章節E。
6.6 DSP庫在MDK上的移植（AC5源碼移植方式）
下面我們講解下如何在MDK上面移植DSP庫源碼，DSP庫的移植相對比較容易。
6.6.1 第一步：建立MDK工程並添加DSP庫
為了方便起見，我們這里不再專門建立一個MDK工程了，直接以V7開發板中的例子：V7-001_跑馬燈例程為模板進行添加即可。打開這個實例並在左側添加分組CMSIS/DSP：
我們這里不需要添加每個C文件源碼，僅需添加包含這些C文件的匯總文件，比如BasicMathFunctions.c文件里面包含的C文件就是：
#include "arm_abs_f32.c" #include "arm_abs_q15.c" #include "arm_abs_q31.c" #include "arm_abs_q7.c" #include "arm_add_f32.c" #include "arm_add_q15.c" #include "arm_add_q31.c" #include "arm_add_q7.c" #include "arm_dot_prod_f32.c" #include "arm_dot_prod_q15.c" #include "arm_dot_prod_q31.c" #include "arm_dot_prod_q7.c" #include "arm_mult_f32.c" #include "arm_mult_q15.c" #include "arm_mult_q31.c" #include "arm_mult_q7.c" #include "arm_negate_f32.c" #include "arm_negate_q15.c" #include "arm_negate_q31.c" #include "arm_negate_q7.c" #include "arm_offset_f32.c" #include "arm_offset_q15.c" #include "arm_offset_q31.c" #include "arm_offset_q7.c" #include "arm_scale_f32.c" #include "arm_scale_q15.c" #include "arm_scale_q31.c" #include "arm_scale_q7.c" #include "arm_shift_q15.c" #include "arm_shift_q31.c" #include "arm_shift_q7.c" #include "arm_sub_f32.c" #include "arm_sub_q15.c" #include "arm_sub_q31.c" #include "arm_sub_q7.c"
這樣一來，MDK編譯后會自動關聯，查看源碼非常方便：
6.6.2 第二步：添加頭文件路徑
添加DSP所需的頭文件路徑，這個頭文件路徑是已經在模板工程中添加好的，這里只是跟大家強調一下：
這里要注意一點，為什么直接添加路徑Libraries\CMSIS\Include里面的頭文件即可，而沒有添加Libraries\CMSIS\DSP\Include，這是因為路徑Libraries\CMSIS\Include里面已經包含了DSP庫的頭文件。
6.6.3 第三步：添加宏定義
我們這里僅使能一個宏定義ARM_MATH_LOOPUNROLL：
6.6.4 第四步：開啟FPU
需要客戶通過MDK開啟FPU，由於STM32H7支持雙精度浮點，這里要開啟Double Precision。
6.6.5 第五步：添加頭文件arm_math.h
用到DSP庫函數的文件得添加#include "arm_math.h"就可以調用DSP庫的API了。至此就完成了DSP庫的移植。
6.7 DSP庫在MDK上的移植（AC5庫移植方式）
移植方法與本章6.5小節的相同，僅第1步不同，將源碼的添加修改為庫添加：
6.8 DSP庫在MDK上的移植（AC6源碼移植方式）
AC6的DSP源碼移植與本章6.5小節里面的AC5移植完全相同，沒有區別。但AC5和AC6工程上有三處區別，這里着重指出下：
- 第1處，采用AC6編譯器：
- 第2處，警告類型選擇AC5-like：
- 第3處，MDK的AC6工程代碼如果有源文件是GBK編碼，而且使用漢字，MDK編譯時會報錯，需要用記事本打開使用漢字的源碼文件，另存為UTF-8。比如main.c文件的串口打印函數printf用到了漢字，那么就需要做如下修改：
然后再重新編譯就不會報錯了。同時，串口打印時，使用的串口助手要支持UTF-8，推薦用SecureCRT，下載地址：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=91718 。
設置如下：
6.9 DSP庫在MDK上的移植（AC6庫移植方式）
AC6的DSP庫移植與本章6.6小節里面的AC5移植完全相同，沒有區別。不過要注意6.8小節中所講解的問題即可。
6.10 升級到最新版DSP庫的方法
由於CMSIS軟件包是實時更新的，這里提供一種升級的簡單辦法，按照本章6.1小節的說明下載到最新版CMSIS軟件包，然后直接覆蓋DSP工程里面的CMSIS文件夾即可。
6.11 簡易DSP庫函數驗證
這里我們主要運行arm_abs_f32，arm_abs_q31，arm_abs_q15這三個函數，以此來驗證我們移植的DSP庫是否正確。
配套例子：
本章配套了如下兩個例子：
- V7-200_DSP程序模板（源碼方式）
- V7-201_DSP程序模板（庫方式）
每個例子都配套了MDK的AC5和AC6兩個版本的工程。
實驗目的：
1. 學習官方DSP庫的移植
實驗內容：
1. 按下按鍵K1, 串口打印函數arm_abs_f32的輸出結果
2. 按下按鍵K2, 串口打印函數arm_abs_q31的輸出結果
3. 按下按鍵K3, 串口打印函數arm_abs_q15的輸出結果
實驗現象：
通過串口上位機軟件SecureCRT看打印信息現象如下（分別按幾次K1，K2，K3）。如果編譯的是MDK的AC6工程，特別要注意本章6.7小節所說的問題。
程序設計：
程序的設計也比較簡單，通過按下不同的按鍵從而打印不同的DSP庫函數執行結果，主程序如下：
#include "bsp.h" /* 底層硬件驅動 */ #include "arm_math.h" /* 定義例程名和例程發布日期 */ #define EXAMPLE_NAME "V7-ARM的DSP移植模板（源碼方式）" #define EXAMPLE_DATE "2019-07-31" #define DEMO_VER "1.0" static void PrintfLogo(void); static void PrintfHelp(void); /* ********************************************************************************************************* * 函 數 名: main * 功能說明: c程序入口 * 形 參: 無 * 返 回 值: 錯誤代碼(無需處理) ********************************************************************************************************* */ int main(void) { uint8_t ucKeyCode; /* 按鍵代碼 */ float32_t pSrc; float32_t pDst; q31_t pSrc1; q31_t pDst1; q15_t pSrc2; q15_t pDst2; bsp_Init(); /* 硬件初始化 */ PrintfLogo(); /* 打印例程名稱和版本等信息 */ PrintfHelp(); /* 打印操作提示 */ bsp_StartAutoTimer(0, 100); /* 啟動1個100ms的自動重裝的定時器 */ /* 主程序大循環 */ while (1) { /* CPU空閑時執行的函數，在 bsp.c */ bsp_Idle(); /* 判斷定時器超時時間 */ if (bsp_CheckTimer(0)) { /* 每隔100ms 進來一次 */ /* 翻轉LED2的狀態 */ bsp_LedToggle(2); } /* 處理按鍵事件 */ ucKeyCode = bsp_GetKey(); if (ucKeyCode > 0) { /* 有鍵按下 */ switch (ucKeyCode) { case KEY_DOWN_K1: /* K1鍵按下 */ pSrc -= 1.23f; arm_abs_f32(&pSrc, &pDst, 1); printf("pDst = %f\r\n", pDst); break; case KEY_DOWN_K2: /* K2鍵按下 */ pSrc1 -= 1; arm_abs_q31(&pSrc1, &pDst1, 1); printf("pDst1 = %d\r\n", pDst1); break; case KEY_DOWN_K3: /* K3鍵按下 */ pSrc2 -= 1; arm_abs_q15(&pSrc2, &pDst2, 1); printf("pDst2 = %d\r\n", pDst2); break; default: break; } } } }
6.12 總結
本期教程主要跟大家介紹了官方DSP庫的移植，相對來說移植也比較簡單，建議初學的同學按照這個步驟移植一遍。