CKS32F4xx系列DSP功能

CKS32F4xx系列使用高性能的32位內核,支持浮點運算單元（FPU），同時還支持DSP指令以及存儲保護（MPU）用來加強應用的安全性。

DSP介紹

CKS32F4xx系列擁有兩個DSP指令：MAC指令（32位乘法累加）和SIMD指令。32位乘法累加（MAC）單元包括新的指令集，能夠在單周期內完成一個32×32+64→64的操作或兩個16×16的操作。而SIMD指令與硬件乘法器一起工作（MAC），使所有這些指令都能在單個周期內執行。受益于SIMD指令的支持，CKS32F4xx系列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。

DSP源碼庫具有以下功能：

BasicMathFunctions

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/標準差等。

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。

DSP庫運行環境搭建

接下來我們講解如何搭建DSP庫運行環境，只要運行環境搭建好了，使用DSP庫里面的函數來做相關處理就非常簡單了。在MDK里面搭建CKS32F4xx系列的DSP運行環境(使用.lib方式)是很簡單的，分為3個步驟：

1

添加文件

首先，我們在例程工程目錄下新建DSP_LIB文件夾，存放我們將要添加的相關文件，如圖1所示：



然后，打開工程，新建DSP_LIB分組，并將.lib文件添加到工程里面，如圖2所示：

2

添加頭文件包含路徑

添加好.lib文件后，我們要添加頭文件包含路徑，將第一步拷貝的Include文件夾和DSP_LIB文件夾加入頭文件包含路徑，如圖3所示：

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

2，__FPU_PRESENT

3，ARM_MATH_CM4

4，__CC_ARM

5，ARM_MATH_MATRIX_CHECK

6，ARM_MATH_ROUNDING

添加方法：點擊魔法棒→C/C++選項卡，然后在Define里面進行設置，如圖4所示：



這里，兩個宏之間用“,”隔開。并且，上面的全局宏里面，我們沒有添加__FPU_USED，因為這個宏定義在Target選項卡設置Code Generation的時候選擇了：Use FPU（如果沒有設置Use FPU，則必須設置！！），故MDK會自動添加這個全局宏，因此不需要我們手動添加了。這樣，在Define處要輸入的所有宏為：

CKS32F40_41xxx,USE_STDPERIPH_DRIVER,ARM_MATH_CM4,__CC_ARM,ARM_MATH_MATRIX_CHECK,ARM_MATH_ROUNDING 共6個。

至此，CKS32F4xx系列的DSP庫運行環境就搭建完成了。為了方便調試，本章例程我們將MDK的優化設置為-O0優化，以得到最好的調試效果。

DSP FFT測試

關于FFT這里就不再詳細介紹。如果我們要自己實現FFT算法，對于不懂數字信號處理的人來說，是比較難的，不過，DSP庫里面就有FFT函數給我們調用，因此我們只需要知道如何使用這些函數，就可以迅速的完成FFT計算。DSP庫里面提供了定點和浮點 FFT 實現方式，并且有基4的也有基2的，大家可以根據需要自由選擇實現方式。

注意：對于基4的FFT輸入點數必須是4n，而基2的FFT 輸入點數則必須是2n，并且基4的FFT算法要比基2的快。本章我們將采用DSP庫里面的基4浮點FFT算法來實現FFT變換，并計算每個點的模值，所用到的函數有：

FFT變換用到的函數

arm_status arm_cfft_radix4_init_f32( arm_cfft_radix4_instance_f32 * S, uint16_t fftLen,uint8_t ifftFlag,uint8_t bitReverseFlag)

void arm_cfft_radix4_f32(const arm_cfft_radix4_instance_f32 * S,float32_t * pSrc)

void arm_cmplx_mag_f32(float32_t * pSrc,float32_t * pDst,uint32_t numSamples)

arm_cfft_radix4_init_f32用于初始化FFT運算相關參數，其中：fftLen用于指定 FFT長度（16/64/256/1024/4096），本章設置為1024；ifftFlag用于指定是傅里葉變換(0)還是反傅里葉變換(1)，本章設置為0；bitReverseFlag用于設置是否按位取反，本章設置為1；最后，所有這些參數存儲在一個 arm_cfft_radix4_instance_f32結構體指針S里面。

arm_cfft_radix4_f32就是執行基4浮點FFT運算的，pSrc傳入采集到的輸入信號數據（實部+虛部形式），同時FFT變換后的數據，也按順序存放在pSrc里面，pSrc必須大于等于 2倍fftLen長度。另外，S結構體指針參數是先由arm_cfft_radix4_init_f32函數設置好，然后傳入該函數的。

arm_cmplx_mag_f32用于計算復數模值，可以對FFT變換后的結果數據，執行取模操作。pSrc為復數輸入數組（大小為 2*numSamples）指針，指向FFT變換后的結果；pDst 為輸出數組（大小為 numSamples）指針，存儲取模后的值；numSamples就是總共有多少個數據需要取模。

通過這三個函數，我們便可以完成 FFT 計算，并取模值。

主函數

int main(void)

{

arm_cfft_radix4_instance_f32 scfft;

float time;

u8 buf[50];

u16 i;

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//設置系統中斷優先級分組2

delay_init(168); //初始化延時函數

Debug_USART_Config(); //初始化串口波特率為115200

TIM3_Int_Init(65535,84-1); //1Mhz計數頻率,最大計時65ms左右超出

arm_cfft_radix4_init_f32(&scfft,FFT_LENGTH,0,1);//初始化scfft結構體，設定FFT相關參數

while(1)

{

for(i=0;i

{

fft_inputbuf[2*i]=100+10*arm_sin_f32(2*PI*i/FFT_LENGTH)+30*arm_sin_f32(2*PI*i*4/FFT_LENGTH)+50*arm_cos_f32(2*PI*i*8/FFT_LENGTH); //生成輸入信號實部

fft_inputbuf[2*i+1]=0;//虛部全部為0

}

TIM_SetCounter(TIM3,0);//重設TIM3定時器的計數器值

timeout=0;

arm_cfft_radix4_f32(&scfft,fft_inputbuf); //FFT計算（基4）

time=TIM_GetCounter(TIM3)+(u32)timeout*65536;

sprintf((char*)buf,"%0.3fms ",time/1000);

printf(" FFT基4運算運行時間為： %s", buf);

arm_cmplx_mag_f32(fft_inputbuf,fft_outputbuf,FFT_LENGTH);

printf(" %d point FFT runtime:%0.3fms ",FFT_LENGTH,time/1000);

printf("FFT Result: ");

for(i=0;i

{

printf("fft_outputbuf[%d]:%f ",i,fft_outputbuf[i]);

}

delay_ms(2000);

delay_ms(2000);

delay_ms(2000);

}

}

主函數里面通過我們前面介紹的三個函數：arm_cfft_radix4_init_f32、 arm_cfft_radix4_f32和arm_cmplx_mag_f32來執行FFT變換并取模值。每隔6秒就會重新生成一個輸入信號序列，并執行一次FFT計算，將 arm_cfft_radix4_f32 所用時間統計出來，同時將取模后的模值通過串口打印出來。

審核編輯：劉清