CMSIS的DSP數(shù)字信號處理函數(shù)庫應(yīng)用

一、前言

在ARM單片機開發(fā)中，有CMSIS中提供的DSP數(shù)字信號處理函數(shù)庫。這個函數(shù)庫中包括有基本的數(shù)據(jù)函數(shù)、快速數(shù)學(xué)運算、復(fù)數(shù)運算、濾波器、矩陣、變換、點擊控制、統(tǒng)計、支持函數(shù)，以及插值函數(shù)等，涵蓋了大多數(shù)工程應(yīng)用中的算法。

我有一個疑問，使用CMSIS中的DSP函數(shù)，與普通的數(shù)學(xué)庫中的函數(shù)，究竟能夠有多大的提速空間？

下面，就對比一下開方運算以及sine三角函數(shù)的運算速度，這樣便能夠?qū)碓诓煌瑘龊舷逻x擇使用不同的數(shù)學(xué)庫。

二、測試方法

測試硬件平臺是昨天制作的STM32F103單片機，這是M3內(nèi)核的ARM單片機。這個單片機比較簡單和流行，看一下它的數(shù)學(xué)計算速度，利用一個端口輸出高低電平表示計算所需要的時間。

為了使用DSP數(shù)據(jù)庫，需要在IAR開發(fā)環(huán)境中，對工程文件選項General中的連接庫設(shè)置中，選擇CMSIS?DSP。在程序中增加arm math頭文件即可。測試程序大循環(huán)中，執(zhí)行普通的sine三角函數(shù)計算，前后設(shè)置LED輸出管腳電平，因此輸出高電平脈沖寬度表示sine函數(shù)計算時間。中間相隔1ms之后，再執(zhí)行DSP中的sine函數(shù)，也使用LED管腳的高電平指示執(zhí)行時間。后面通過示波器，便可直觀對比兩個函數(shù)執(zhí)行速度的差異性了。

三、測試結(jié)果

使用示波器，測量LED管腳的波形，可以看到前后兩個脈沖信號。前面的信號是普通數(shù)學(xué)庫中的sine函數(shù)，時間較長，后面是DSP庫中的sine函數(shù)，明顯時間短。這說明了對于M3內(nèi)核的單片機，使用DSP數(shù)學(xué)庫的效率還是非常高的。

需要說明的是，此時單片機系統(tǒng)時鐘為64MHz。為了更加精確的對比兩個數(shù)學(xué)庫執(zhí)行時間，將波形展開。利用示波器的光標(biāo)測量功能，測試脈沖的時間寬度。普通sine函數(shù)，計算時間為41.7微秒，測量DSP sine函數(shù)，執(zhí)行時間只有10微秒，通過對比可以知道，對于三角函數(shù)sine計算，DSP算法庫比起普通的數(shù)學(xué)函數(shù)要快四倍左右。

● ?sine運算對比：
???math：41.7us
???DSP：10us

▲計算sine函數(shù)對比普通數(shù)學(xué)庫與DSP庫的執(zhí)行速度 下面，再對比一下浮點開方數(shù)學(xué)運算，使用的方法是一樣的，通過示波器測量 普通數(shù)學(xué)庫函數(shù)和DSP數(shù)學(xué)庫函數(shù)之間的差別。普通的數(shù)學(xué)庫，計算一個浮點數(shù)開方需要12.52微秒，DSP數(shù)學(xué)庫中的開方運算，只需要4.9微秒，比普通的數(shù)學(xué)庫增加了不到3倍。這說明不同的數(shù)學(xué)運算，DSP提速不一樣。

● ?開方運算對比：
???math：12.52us
???DSP：4.9us

▲對比開方運算算法函數(shù)速度的差異 最后，對比一下普通的整數(shù)位移操作。對128個數(shù)字中的整型數(shù)往左位移，對比普通的C語言位移所需要的時間以及DSP庫中位移函數(shù)運算時間。C語言位移消耗了大約24微秒，DSP庫函數(shù)消耗了16.65微秒，速度大約快了三分之一左右。

▲位移操作

● ?位移兩位對比：
???C：24us
???DSP：16.65us

四、總結(jié) 本文對比了CMSIS?DSP數(shù)學(xué)庫中的部分函數(shù)速度，都比使用普通的C語言以及math庫中函數(shù)速度有所提高，三角函數(shù)提高了四倍左右，普通的位移操作只提高了三分之左右。

審核編輯：黃飛

?