STM32F4-浮點DSP庫的MDK開發環境的設置

參考資料：正點原子STM32F4開發指南（庫函數版本） 51.FPU測試(Julia分形)實驗 & 52.DSP測試實驗

 

一、硬件FPU的使能

STM32F4 硬件FPU 使用的要點：設置CPACR 寄存器（協處理器控制寄存器）bit20~23 為1，使能硬件FPU。CPACR 寄存器這4 個位的設置，我們在system_stm32f4xx_c 文件里面開啟，要求宏定義：__FPU_PRESENT=1 & __FPU_USED=1.

  /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
  #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
    SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2));  /* set CP10 and CP11 Full Access */
  #endif

1.宏定義標識符__FPU_PRESENT 用來確定處理器是否帶FPU 功能，因為F4 是帶FPU 功能的，所以在我們的stm32f4xx.h 頭文件里面，我們默認是定義了__FPU_PRESENT 為1（位於stm32f427xx.h文件中）。

#define __FPU_PRESENT 1U /*!< FPU present */ 

2.標識符__FPU_USED 用來確定是否開啟FPU功能。設置方法又三種：（1）第一種是直接在頭文件STM32f4xx.h 中定義宏定義標識符__FPU_USED 的值為1；（2）在Target選項卡里面，設置Floating Point Hardware 為Use Single Precision（ 最簡便）；（3）在C/C++選項卡內，添加全局宏定義標識符__FPU_USED=1

通過設置以上兩個宏定義即可使能硬件FPU。

 二、支持DSP指令集

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（32 位乘法累加）），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。

受益於SIMD 指令的支持，Cortex-M4 處理器能在單周期內完成高達32×32+64——>64 的運算，為其他任務釋放處理器的帶寬，而不是被乘法和加法消耗運算資源。

1、DSP庫的介紹

STM32F4 的DSP 庫源碼和測試實例在ST 提供的標准庫：stm32f4_dsp_stdperiph_lib.zip 里面就有（該文件可以在：http://www.st.com/web/en/catalog/tools/FM147/CL1794/SC961/SS1743/P
F257901 下載，文件名：STSW-STM32065），文件位於：STM32F4xx 固件庫——STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.4.0——Libraries——CMSIS——DSP_Lib，該文件夾下目錄結構如下所示：

 

 

DSP_Lib 源碼包的Source 文件夾是所有DSP 庫的源碼，Examples 文件夾是相對應的一些測試實例。這些測試實例都是帶main 函數的，也就是拿到工程中可以直接使用。接下來我們一一講解一下Source 源碼文件夾下面的子文件夾包含的DSP 庫的功能。
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。

所有這些DSP 庫代碼合在一起是比較多的，因此，ST 為我們提了.lib 格式的文件，方便使用。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，大家可以在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，我們所用的STM32F4 屬於CortexM4F 內核，小端模式，應選擇：arm_cortexM4lf_math.lib(浮點Cortex-M4 小端模式)。

 

2.DSP 庫運行環境搭建

在MDK 里面搭建STM32F4 的DSP 運行環境(使用.lib 方式)

（1） 添加文件。首先，我們在例程工程目錄下新建：DSP 文件夾，存放我們將要添加的文件： arm_cortexM4lf_math.lib 和 相關頭文件【STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.4.0——Libraries——CMSIS——Include 這個Include 文件夾，里面包含了我們可能要用到的相關頭文件】

lib文件，不參與編譯，只參與鏈接定位，所以編譯速度快，但是有點占空間。

 

（2） 添加頭文件包含路徑。

 

 

（3） 添加全局宏定義

最后，為了使用DSP 庫的所有功能，我們還需要添加幾個全局宏定義：
1，__FPU_USED（已經通過Target選項卡設置）
2，__FPU_PRESENT（默認衛1）
3，ARM_MATH_CM4
4，__CC_ARM
5，ARM_MATH_MATRIX_CHECK
6，ARM_MATH_ROUNDING

注意中間用英文逗號分開。其中 ARM_MATH_MATRIX_CHECK是庫函數的參數檢查開關，這里添加后，就打開。 ARM_MATH_ROUNDING這個是庫函數在運算是是否開啟四舍五入的功能，我這里添加，可以根據自己的需要進行配置。 ARM_MATH_CM4這個就非常重要，必須要配置進去，否則在編譯之后，會默認使用math.h的庫函數，而不會用到硬件的FPU的。 __CC_ARM是不同編譯器的編譯配置宏定義，__CC_ARM就是代表MDK開發環境。

 本人： USE_HAL_DRIVER（HAL庫）

STM32F427xx

ARM_MATH_CM4

__FPU_USED=1U

__FPU_PRESENT=1U

__CC_ARM

ARM_MATH_MATRIX_CHECK

ARM_MATH_ROUNDING

 

我們用到的就是sin 和cos 函數，不過實現方式不同。MDK 的標准庫（math.h）提供我們：sin、cos、sinf 和cosf 等4 個函數，帶f 的表示單精度浮點型運算，即float 型，而不帶f的表示雙精度浮點型，即double。
STM32F4 的DSP 庫，則提供我們另外兩個函數：arm_sin_f32 和arm_cos_f32 （注意：需要添加：arm_math.h 頭文件才可使用!!!），這兩個函數也是單精度浮點型的，用法同sinf 和cosf一模一樣。

正點原子還有 FFT的例程，可以之后觀看。

 

 

浮點庫的函數用法和說明，可以看看  stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm 文件（也在官方的固件庫中）。

 

基本配置就是這樣。