CKS32F4xx系列DSP功能介绍

CKS32F4xx系列DSP功能

CKS32F4xx系列使用高性能的32位内核,支持浮点运算单元（FPU），同时还支持DSP指令以及存储保护（MPU）用来加强应用的安全性。

DSP介绍

CKS32F4xx系列拥有两个DSP指令：MAC指令（32位乘法累加）和SIMD指令。32位乘法累加（MAC）单元包括新的指令集，能够在单周期内完成一个32×32+64→64的操作或两个16×16的操作。而SIMD指令与硬件乘法器一起工作（MAC），使所有这些指令都能在单个周期内执行。受益于SIMD指令的支持，CKS32F4xx系列能在单周期内完成高达32×32+64→64的运算，为其他任务释放处理器的带宽，而不是被乘法和加法消耗运算资源。

DSP源码库具有以下功能：

BasicMathFunctions

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。

DSP库运行环境搭建

接下来我们讲解如何搭建DSP库运行环境，只要运行环境搭建好了，使用DSP库里面的函数来做相关处理就非常简单了。在MDK里面搭建CKS32F4xx系列的DSP运行环境(使用.lib方式)是很简单的，分为3个步骤：

1

添加文件

首先，我们在例程工程目录下新建DSP_LIB文件夹，存放我们将要添加的相关文件，如图1所示：



然后，打开工程，新建DSP_LIB分组，并将.lib文件添加到工程里面，如图2所示：

2

添加头文件包含路径

添加好.lib文件后，我们要添加头文件包含路径，将第一步拷贝的Include文件夹和DSP_LIB文件夹加入头文件包含路径，如图3所示：

3

添加全局宏定义

最后，为了使用DSP库的所有功能，我们还需要添加几个全局宏定义：

1，__FPU_USED

2，__FPU_PRESENT

3，ARM_MATH_CM4

4，__CC_ARM

5，ARM_MATH_MATRIX_CHECK

6，ARM_MATH_ROUNDING

添加方法：点击魔法棒→C/C++选项卡，然后在Define里面进行设置，如图4所示：



这里，两个宏之间用“,”隔开。并且，上面的全局宏里面，我们没有添加__FPU_USED，因为这个宏定义在Target选项卡设置Code Generation的时候选择了：Use FPU（如果没有设置Use FPU，则必须设置！！），故MDK会自动添加这个全局宏，因此不需要我们手动添加了。这样，在Define处要输入的所有宏为：

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

至此，CKS32F4xx系列的DSP库运行环境就搭建完成了。为了方便调试，本章例程我们将MDK的优化设置为-O0优化，以得到最好的调试效果。

DSP FFT测试

关于FFT这里就不再详细介绍。如果我们要自己实现FFT算法，对于不懂数字信号处理的人来说，是比较难的，不过，DSP库里面就有FFT函数给我们调用，因此我们只需要知道如何使用这些函数，就可以迅速的完成FFT计算。DSP库里面提供了定点和浮点 FFT 实现方式，并且有基4的也有基2的，大家可以根据需要自由选择实现方式。

注意：对于基4的FFT输入点数必须是4n，而基2的FFT 输入点数则必须是2n，并且基4的FFT算法要比基2的快。本章我们将采用DSP库里面的基4浮点FFT算法来实现FFT变换，并计算每个点的模值，所用到的函数有：

FFT变换用到的函数

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运算相关参数，其中：fftLen用于指定 FFT长度（16/64/256/1024/4096），本章设置为1024；ifftFlag用于指定是傅里叶变换(0)还是反傅里叶变换(1)，本章设置为0；bitReverseFlag用于设置是否按位取反，本章设置为1；最后，所有这些参数存储在一个 arm_cfft_radix4_instance_f32结构体指针S里面。

arm_cfft_radix4_f32就是执行基4浮点FFT运算的，pSrc传入采集到的输入信号数据（实部+虚部形式），同时FFT变换后的数据，也按顺序存放在pSrc里面，pSrc必须大于等于 2倍fftLen长度。另外，S结构体指针参数是先由arm_cfft_radix4_init_f32函数设置好，然后传入该函数的。

arm_cmplx_mag_f32用于计算复数模值，可以对FFT变换后的结果数据，执行取模操作。pSrc为复数输入数组（大小为 2*numSamples）指针，指向FFT变换后的结果；pDst 为输出数组（大小为 numSamples）指针，存储取模后的值；numSamples就是总共有多少个数据需要取模。

通过这三个函数，我们便可以完成 FFT 计算，并取模值。

主函数

int main(void)

{

arm_cfft_radix4_instance_f32 scfft;

float time;

u8 buf[50];

u16 i;

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2

delay_init(168); //初始化延时函数

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

TIM3_Int_Init(65535,84-1); //1Mhz计数频率,最大计时65ms左右超出

arm_cfft_radix4_init_f32(&scfft,FFT_LENGTH,0,1);//初始化scfft结构体，设定FFT相关参数

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); //生成输入信号实部

fft_inputbuf[2*i+1]=0;//虚部全部为0

}

TIM_SetCounter(TIM3,0);//重设TIM3定时器的计数器值

timeout=0;

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

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

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

printf(" FFT基4运算运行时间为： %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);

}

}

主函数里面通过我们前面介绍的三个函数：arm_cfft_radix4_init_f32、 arm_cfft_radix4_f32和arm_cmplx_mag_f32来执行FFT变换并取模值。每隔6秒就会重新生成一个输入信号序列，并执行一次FFT计算，将 arm_cfft_radix4_f32 所用时间统计出来，同时将取模后的模值通过串口打印出来。

审核编辑：刘清