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本期教程开始,我们将不再专门的分析DSP函数的源码,主要是有些DSP函数的公式分析较麻烦,有兴趣的同学可以自行研究,本期教程开始主要讲解函数如何使用。
13.1 初学者重要提示
本章用到基础运算指令:
13.3 三角函数(Cosine) 三角函数cosine的计算是通过查表并配合直线插补实现的。 13.3.1 函数arm_cos_f32 函数原型: float32_t arm_cos_f32(float32_t x) 函数描述: 这个函数用于求32位浮点数的cos值。 函数参数:
下面我们先通过Matlab绘制一个周期的cos曲线。新建一个.m格式的脚本文件,并写入如下函数: x = 0:0.01:2*pi; plot(x, cos(x)) 运行后显示效果如下: 点击上面截图中的Tools->Data statistics(工具->数据统计信息)获取数据的分析结果,我们主要看Y轴。 最大值和最小值分别对应1和-1,这个与我们所学的理论知识是相符的。 13.3.2 函数arm_cos_q31 函数原型: q31_t arm_cos_q31(q31_t x) 函数描述: 用于求32位定点数的cos值。 函数参数: 第1个参数x是弧度制,参数范围[0 0xFFFFFFFF)(对于的浮点范围是[0 +0.9999])相当于弧度[0 2*PI)。 返回值,函数返回计算结果。 13.3.3 函数arm_cos_q15 函数原型: q15_t arm_cos_q15(q15_t x) 函数描述: 用于求16位定点数的cos值。 函数参数: 第1个参数x是弧度制,参数范围[0 0xFFFF)(对于的浮点范围是[0 +0.9999])相当于弧度[0 2*PI)。 返回值,函数返回计算结果。 13.3.4 使用举例 程序设计: /* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: DSP_Cosine * 功能说明: 求cos函数 * 形 参: 无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ static void DSP_Cosine(void) { uint16_t i; /***************************cos函数*****************************************/ for(i = 0; i < 256; i++) { /* 参数的输入范围是[0 2*pi) */ printf("%frn", arm_cos_f32(i * PI / 128)); } printf("***************************************************************rn"); for(i = 0; i < 256; i++) { /* 这里是0 到 0xFFFF对应[0 2*pi) */ printf("%drn", arm_cos_q15(i*128)); } printf("***************************************************************rn"); for(i = 0; i < 256; i++) { /* 这里是0 到 0xFFFFFFFF对应[0 2*pi) */ printf("%drn", arm_cos_q31(i*8388608)); } printf("***************************************************************rn"); } 实验现象: 上面是部分计算结果截图。 13.4 三角函数(Sine) 三角函数sine的计算是通过查表并配合直线插补实现的。具体的实现方法大家可以查阅相关资料进行了解。 13.4.1 函数arm_sin_f32 函数原型: float32_t arm_sin_f32(float32_t x) 函数描述: 这个函数用于求32位浮点数的sin值。 函数参数:
下面我们先通过Matlab绘制一个周期的sin曲线。新建一个.m格式的脚本文件,并写入如下函数: x = 0:0.01:2*pi; plot(x, sine(x)) 运行后显示效果如下: 点击上面截图中的Tools->Data statistics(工具->数据统计信息)获取数据的分析结果,我们主要看Y轴。 最大值和最小值分别对应1和-1,这个与我们所学的理论知识是相符的。 13.4.2 函数arm_sin_q31 函数原型: q31_t arm_sin_q31(q31_t x) 函数描述: 用于求32位定点数的sin值。 函数参数:
函数原型: q15_t arm_cos_q15(q15_t x) 函数描述: 用于求16位定点数的sin值。 函数参数:
程序设计: /* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: DSP_Sine * 功能说明: 求sine函数 * 形 参: 无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ static void DSP_Sine(void) { uint16_t i; /***************************sin函数*****************************************/ for(i = 0; i < 256; i++) { /* 参数的输入范围是[0 2*pi) */ printf("%frn", arm_sin_f32(i * PI / 128)); } printf("***************************************************************rn"); for(i = 0; i < 256; i++) { /* 这里是0 - 0xFFFF 对应 [0 2*pi) */ printf("%drn", arm_sin_q15(i*128)); } printf("***************************************************************rn"); for(i = 0; i < 256; i++) { /* 这里是0 - 0xFFFFFFFF 对应 [0 2*pi) */ printf("%drn", arm_sin_q31(i*0x800000)); } printf("***************************************************************rn"); } 实验现象: 上面是部分计算结果截图。 13.5 平方根(Sqrt) 浮点数的平方根计算只需调用一条浮点指令即可,而定点数的计算要稍显麻烦。 13.5.1 函数arm_sqrt_f32 函数原型: __STATIC_FORCEINLINE arm_status arm_sqrt_f32( float32_t in, float32_t * pOut) 函数描述: 这个函数用于求32位定点数的平方根,对于带FPU的处理器来说,浮点数的平方根求解很简单,只需调用指令__sqrtf,仅需要14个时钟周期就可以完成。 函数形参:
函数原型: arm_status arm_sqrt_q31( q31_t in, q31_t * pOut) 函数描述: 这个函数用于求32位定点数的平方根。 函数参数:
这里in的输入范围是0x00000000 到 0x7FFFFFFF,转化成浮点数范围就是[0 +1)。在使用这个函数的时候有一点要特别的注意,比如我们要求1000的平方根,而获得结果是1465429,这是为什么呢,分析如下: 定点数1000 = 浮点数 1000 /(2^31) = 4.6566e-07 (用Q31表示)。 对4.6566e-07求平方根可得 6.8239e-04。 定点数1465429 = 浮点数 1465429/(2^31) = 6.8239e-04。 简单的总结下上面的意思就是说,求定点数1000的平方根,实际是求浮点数4.6566e-07 (用Q31表示)的平方根 13.5.3 函数arm_sqrt_q15 函数原型: arm_status arm_sqrt_q15( q15_t in, q15_t * pOut) 函数描述: 这个函数用于求16点数的平方根 函数参数:
程序设计: /* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: DSP_Shift * 功能说明: 移位 * 形 参: 无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ static void DSP_Shift(void) { q31_t pSrcA1 = 0x88886666; q31_t pDst1; q15_t pSrcA2 = 0x8866; q15_t pDst2; q7_t pSrcA3 = 0x86; q7_t pDst3; /*求移位*********************************/ arm_shift_q31(&pSrcA1, 3, &pDst1, 1); printf("arm_shift_q31 = %8xrn", pDst1); arm_shift_q15(&pSrcA2, -3, &pDst2, 1); printf("arm_shift_q15 = %4xrn", pDst2); arm_shift_q7(&pSrcA3, 3, &pDst3, 1); printf("arm_shift_q7 = %2xrn", pDst3); printf("***********************************rn"); } 实验现象: 13.6 Matlab验证(手动加载数据到Matlab的方法) 这里我们采样了cos曲线一个周期中的256个点。为了验证结果是否正确,我们可以将这些数据保存到txt文件中,复制这256个数据即可,然后保存并关闭文件。通过matlab加载这个txt文件,加载方法如下: 加载保存好数据的txt文件(特别注意输出类型选择列向量): 然后点击右上角那个绿色对勾,会提示变量已经导入: 然后再看工作区(Workspace)就能看到添加的数组变量了: 现在我们通过matlab中的plot功能绘制下这些数据,在的VarName1的地方右击鼠标,选择plot 绘制后的结果如下: 从波形上看基本是一个周期的cos函数曲线。 13.7 实验例程说明(MDK) 配套例子: V7-208_DSP快速运算(三角函数和平方根) 实验目的:
特别注意附件章节C的问题 上电后串口打印的信息: 波特率 115200,数据位 8,奇偶校验位无,停止位 1。 详见本章的3.4 4.4,5.4小节。 程序设计: 系统栈大小分配: RAM空间用的DTCM: 硬件外设初始化 硬件外设的初始化是在 bsp.c 文件实现: /* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: bsp_Init * 功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次 * 形 参:无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ void bsp_Init(void) { /* 配置MPU */ MPU_Config(); /* 使能L1 Cache */ CPU_CACHE_Enable(); /* STM32H7xx HAL 库初始化,此时系统用的还是H7自带的64MHz,HSI时钟: - 调用函数HAL_InitTick,初始化滴答时钟中断1ms。 - 设置NVIV优先级分组为4。 */ HAL_Init(); /* 配置系统时钟到400MHz - 切换使用HSE。 - 此函数会更新全局变量SystemCoreClock,并重新配置HAL_InitTick。 */ SystemClock_Config(); /* Event Recorder: - 可用于代码执行时间测量,MDK5.25及其以上版本才支持,IAR不支持。 - 默认不开启,如果要使能此选项,务必看V7开发板用户手册第8章 */ #if Enable_EventRecorder == 1 /* 初始化EventRecorder并开启 */ EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U); EventRecorderStart(); #endif bsp_InitKey(); /* 按键初始化,要放在滴答定时器之前,因为按钮检测是通过滴答定时器扫描 */ bsp_InitTimer(); /* 初始化滴答定时器 */ bsp_InitUart(); /* 初始化串口 */ bsp_InitExtIO(); /* 初始化FMC总线74HC574扩展IO. 必须在 bsp_InitLed()前执行 */ bsp_InitLed(); /* 初始化LED */ } MPU配置和Cache配置: 数据Cache和指令Cache都开启。配置了AXI SRAM区(本例子未用到AXI SRAM),FMC的扩展IO区。 /* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: MPU_Config * 功能说明: 配置MPU * 形 参: 无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ static void MPU_Config( void ) { MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct; /* 禁止 MPU */ HAL_MPU_Disable(); /* 配置AXI SRAM的MPU属性为Write back, Read allocate,Write allocate */ MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE; MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x24000000; MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_512KB; MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS; MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_BUFFERABLE; MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_CACHEABLE; MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE; MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER0; MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL1; MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00; MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE; HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct); /* 配置FMC扩展IO的MPU属性为Device或者Strongly Ordered */ MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE; MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x60000000; MPU_InitStruct.Size = ARM_MPU_REGION_SIZE_64KB; MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS; MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_BUFFERABLE; MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE; MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE; MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER1; MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0; MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00; MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE; HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct); /*使能 MPU */ HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT); } /* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: CPU_CACHE_Enable * 功能说明: 使能L1 Cache * 形 参: 无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ static void CPU_CACHE_Enable(void) { /* 使能 I-Cache */ SCB_EnableICache(); /* 使能 D-Cache */ SCB_EnableDCache(); } 主功能: 主程序实现如下操作: 启动一个自动重装软件定时器,每100ms翻转一次LED2。 按下按键K1, DSP求Cosine。 按下按键K2, DSP求Sine。 按下按键K3, DSP求平方根。 /* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: main * 功能说明: c程序入口 * 形 参: 无 * 返 回 值: 错误代码(无需处理) ********************************************************************************************************* */ int main(void) { uint8_t ucKeyCode; /* 按键代码 */ bsp_Init(); /* 硬件初始化 */ PrintfLogo(); /* 打印例程信息到串口1 */ PrintfHelp(); /* 打印操作提示信息 */ bsp_StartAutoTimer(0, 100); /* 启动1个100ms的自动重装的定时器 */ /* 进入主程序循环体 */ while (1) { bsp_Idle(); /* 这个函数在bsp.c文件。用户可以修改这个函数实现CPU休眠和喂狗 */ /* 判断定时器超时时间 */ if (bsp_CheckTimer(0)) { /* 每隔100ms 进来一次 */ bsp_LedToggle(2); } ucKeyCode = bsp_GetKey(); /* 读取键值, 无键按下时返回 KEY_NONE = 0 */ if (ucKeyCode != KEY_NONE) { switch (ucKeyCode) { case KEY_DOWN_K1: /* K1键按下,求Cosine */ DSP_Cosine(); break; case KEY_DOWN_K2: /* K2键按下, 求Sine */ DSP_Sine(); break; case KEY_DOWN_K3: /* K3键按下,求平方根 */ DSP_Sqrt(); break; default: /* 其他的键值不处理 */ break; } } } } 13.8 实验例程说明(IAR) 配套例子: V7-208_DSP快速运算(三角函数和平方根) 实验目的:
波特率 115200,数据位 8,奇偶校验位无,停止位 1。 详见本章的3.4 4.4,5.4小节。 程序设计: 系统栈大小分配: RAM空间用的DTCM: 硬件外设初始化 硬件外设的初始化是在 bsp.c 文件实现: /* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: bsp_Init * 功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次 * 形 参:无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ void bsp_Init(void) { /* 配置MPU */ MPU_Config(); /* 使能L1 Cache */ CPU_CACHE_Enable(); /* STM32H7xx HAL 库初始化,此时系统用的还是H7自带的64MHz,HSI时钟: - 调用函数HAL_InitTick,初始化滴答时钟中断1ms。 - 设置NVIV优先级分组为4。 */ HAL_Init(); /* 配置系统时钟到400MHz - 切换使用HSE。 - 此函数会更新全局变量SystemCoreClock,并重新配置HAL_InitTick。 */ SystemClock_Config(); /* Event Recorder: - 可用于代码执行时间测量,MDK5.25及其以上版本才支持,IAR不支持。 - 默认不开启,如果要使能此选项,务必看V7开发板用户手册第8章 */ #if Enable_EventRecorder == 1 /* 初始化EventRecorder并开启 */ EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U); EventRecorderStart(); #endif bsp_InitKey(); /* 按键初始化,要放在滴答定时器之前,因为按钮检测是通过滴答定时器扫描 */ bsp_InitTimer(); /* 初始化滴答定时器 */ bsp_InitUart(); /* 初始化串口 */ bsp_InitExtIO(); /* 初始化FMC总线74HC574扩展IO. 必须在 bsp_InitLed()前执行 */ bsp_InitLed(); /* 初始化LED */ } MPU配置和Cache配置: 数据Cache和指令Cache都开启。配置了AXI SRAM区(本例子未用到AXI SRAM),FMC的扩展IO区。 /* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: MPU_Config * 功能说明: 配置MPU * 形 参: 无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ static void MPU_Config( void ) { MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct; /* 禁止 MPU */ HAL_MPU_Disable(); /* 配置AXI SRAM的MPU属性为Write back, Read allocate,Write allocate */ MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE; MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x24000000; MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_512KB; MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS; MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_BUFFERABLE; MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_CACHEABLE; MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE; MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER0; MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL1; MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00; MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE; HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct); /* 配置FMC扩展IO的MPU属性为Device或者Strongly Ordered */ MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE; MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x60000000; MPU_InitStruct.Size = ARM_MPU_REGION_SIZE_64KB; MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS; MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_BUFFERABLE; MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE; MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE; MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER1; MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0; MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00; MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE; HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct); /*使能 MPU */ HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT); } /* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: CPU_CACHE_Enable * 功能说明: 使能L1 Cache * 形 参: 无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ static void CPU_CACHE_Enable(void) { /* 使能 I-Cache */ SCB_EnableICache(); /* 使能 D-Cache */ SCB_EnableDCache(); } 主功能: 主程序实现如下操作: 启动一个自动重装软件定时器,每100ms翻转一次LED2。 按下按键K1, DSP求Cosine。 按下按键K2, DSP求Sine。 按下按键K3, DSP求平方根。 /* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: main * 功能说明: c程序入口 * 形 参: 无 * 返 回 值: 错误代码(无需处理) ********************************************************************************************************* */ int main(void) { uint8_t ucKeyCode; /* 按键代码 */ bsp_Init(); /* 硬件初始化 */ PrintfLogo(); /* 打印例程信息到串口1 */ PrintfHelp(); /* 打印操作提示信息 */ bsp_StartAutoTimer(0, 100); /* 启动1个100ms的自动重装的定时器 */ /* 进入主程序循环体 */ while (1) { bsp_Idle(); /* 这个函数在bsp.c文件。用户可以修改这个函数实现CPU休眠和喂狗 */ /* 判断定时器超时时间 */ if (bsp_CheckTimer(0)) { /* 每隔100ms 进来一次 */ bsp_LedToggle(2); } ucKeyCode = bsp_GetKey(); /* 读取键值, 无键按下时返回 KEY_NONE = 0 */ if (ucKeyCode != KEY_NONE) { switch (ucKeyCode) { case KEY_DOWN_K1: /* K1键按下,求Cosine */ DSP_Cosine(); break; case KEY_DOWN_K2: /* K2键按下, 求Sine */ DSP_Sine(); break; case KEY_DOWN_K3: /* K3键按下,求平方根 */ DSP_Sqrt(); break; default: /* 其他的键值不处理 */ break; } } } } 13.9 总结 本期教程就跟大家讲这么多,有兴趣的可以深入研究这些函数源码的实现。 |
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