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
