玩转X-CTR100 l STM32F4 l DSP指令集性能测试

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本文介绍X-CTR100控制器 DSP库的使用，对STM32F4的DSP库有个基本的了解，并针对三角函数有无DSP指令进行性能测试。

原理

STM32F4采用Cortex-M4内核，相比Cortex-M3系列除了内置硬件FPU单元，在数字信号处理方面还增加了DSP指令集，支持诸如单周期乘加指令（MAC），优化的单指令多数据指令（SIMD），饱和算数等多种数字信号处理指令集。相比Cortex-M3，Cortex-M4在数字信号处理能力方面得到了大大的提升。Cortex-M4执行所有的DSP指令集都可以在单周期内完成，而Cortex-M3需要多个指令和多个周期才能完成同样的功能。

ST官方提供了一整套的DSP库方便我们开发使用，在ST提供的标准库：stm32f4_dsp_stdperiph_lib.zip里面就有。

目录STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.4.0→Libraries→CMSIS→DSP_Lib下可以找到DSP库文件和测试实例。

Sourse中是所有DSP库文件源代码，Examples文件夹下是一些测试实例。

    

DSP库主要包含以下几个分库：

BasicMathFunctions

基本数学函数：提供浮点数的各种基本运算函数，如向量加减乘除等运算。

CommonTables

arm_common_tables.c文件提供位翻转或相关参数表。

ComplexMathFunctions

复杂数学功能，如向量处理，求模运算的。

ControllerFunctions

控制功能函数。包括正弦余弦，PID电机控制，矢量Clarke变换，矢量Clarke逆变换等。

FastMathFunctions

快速数学功能函数。提供了一种快速的近似正弦，余弦和平方根等相比CMSIS计算库要快的数学函数。

FilteringFunctions

滤波函数功能，主要为FIR和LMS（最小均方根）等滤波函数。MatrixFunctions

矩阵处理函数。包括矩阵加法、矩阵初始化、矩阵反、矩阵乘法、矩阵规模、矩阵减法、矩阵转置等函数。

StatisticsFunctions

统计功能函数。如求平均值、最大值、最小值、计算均方根RMS、计算方差/标准差等。

SupportFunctions

支持功能函数，如数据拷贝，Q格式和浮点格式相互转换，Q任意格式相互转换。

TransformFunctions

变换功能。包括复数FFT（CFFT）/复数FFT逆运算（CIFFT）、实数FFT（RFFT）/实数FFT逆运算（RIFFT）、和DCT（离散余弦变换）和配套的初始化函数。

ST提供了.lib格式的文件，方便使用这些库。这些.lib文件就是由Source文件夹下的源码编译生成的，如果想看某个函数的源码，可以在Source文件夹下面查找。.lib格式文件路径：STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.4.0→Libraries→CMSIS→Lib→ARM，总共有8个.lib文件，和M4F相关的有两个：

arm_cortexM4bf_math.lib(浮点Cortex-M4大端模式)

arm_cortexM4lf_math.lib(浮点Cortex-M4小端模式)

STM32F4的内核CortexM4F采用小端模式，所以选择：arm_cortexM4lf_math.lib(浮点Cortex-M4小端模式)。

例程

本例程 通过计算两种方法计算三角函数，测量计算时间，间接进行性能对比。

硬件说明

硬件资源：

• 串口UART1

硬件连接：

使用MicroUSB数据线连接X-CTR100 COM接口。

软件说明

将DSP Lib库加入到工程，相关头文件已在X工程模板中加入。

    

使用DSP库的所有功能，还需要添加以下几个全局宏定义：

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文件中包含如下头文件。

#include
"math.h"
//标准数学函数库

#include
"arm_math.h"
//使用DSP的数学函数库

测试代码如下，分别使用DSP库三角函数和标准三角函数进行计算，测量计算时间，时间越少性能越好。

int main(void)

{

    uint32_t i, tmp;

    float angle;

    float sinx, cosx;

 

    /* X-CTR100初始化 */

    AX_Init(115200);

    printf("***X-CTR100 DSP指令集性能测试例程***\r\n\r\n");

 

    //模块初始化及配置

    AX_TIMER_TIM6_Init(1);

 

    while (1)

    {

        //不使用DSP优化的sin，cos函数

        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("无DSP 运行时间：%d us | ", tmp);

 

        //有使用DSP优化的sin，cos函数

        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 运行时间：%d us \r\n", tmp);

 

        AX_Delayms(1000);

        AX_LEDG_Toggle();

    }

}

实现效果

测试结果如下图，有DSP情况下计算速度提升约1倍左右。

    

总结

通过本文学习，可以了解STM32F4DSP指令集及ST提供DSP库的使用。项目中如果需要频繁的数学运算，并有性能要求，建议使用DSP相关计算函数。

参考

正点原子——ALIENTEK探索者STM32F407开发板相关资料