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第6章 ARM DSP源码和库移植方法（MDK5的AC5和AC6）
本期教程主要讲解ARM官方DSP源码和库的移植以及一些相关知识的介绍。
6.1 初学者重要提示
6.2 DSP库的下载和说明
6.3 DSP库版本的区别
6.4 DSP库的几个重要的预定义宏含义
6.5 使用MDK的AC6编译器优势
6.6 DSP库在MDK上的移植（AC5源码移植方式）
6.7 DSP库在MDK上的移植（AC5库移植方式）
6.8 DSP库在MDK上的移植（AC6源码移植方式）
6.9 DSP库在MDK上的移植（AC6库移植方式）
6.10 升级到最新版DSP库的方法
6.11 简易DSP库函数验证
6.12 总结
6.1 初学者重要提示
- MDK请使用5.26及其以上版本，CMSIS软件包请使用5.6.0及其以上版本。
- MDK的工程创建，下载和调试方法，在V5用户手册有详细说明：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=93255 。
- 鉴于MDK的AC6（ARM Compiler 6.X）编译器在浮点处理上的强劲性能，每个例子将必做一个AC6版，而且ARM编译好的DSP库也开始直接采用AC6。
- MDK AC6有两个地方在使用的时候要注意：
-
- 工程目录切记不要有中文路径，而且不要太长，否则会导致无法使用go to def以及调试的时候不正常。
- MDK AC6工程模板的汉字编码问题，在本章6.8小节有详细说明。
6.2 DSP库的下载和说明
下面详细的给大家讲解一下官方DSP库的移植。
6.2.1 DSP库的下载
DSP库是包含在CMSIS软件包（Cortex Microcontroller Software Interface Standard）里面，所以下载DSP库也就是下载CMSIS软件包。这里提供三个可以下载的地方：
- 方式一：STM32CubeH7软件包里面。
每个版本的Cube软件包都会携带CMSIS文件夹，只是版本比较老，不推荐。即使是最新的CubeH7
软件包，包含的CMSIS软件包版本也有点低。
- 方式二：MDK安装目录（下面是5.6.0版本的路径）。
大家安装了新版MDK后，CMSIS软件包会存在于路径：ARMPACKARMCMSIS5.6.0CMSIS。
如果有更新的版本，推荐大家使用最新版本，MDK的软件包下载地址：http://www.keil.com/dd2/Pack/ 。
- 方式三：GitHub。
通过GitHub获取也比较方便，地址：https://github.com/ARM-software/CMSIS_5 。点击右上角就可以下载CMSIS软件包了。
当然，也可以在ARM官网下载，只是这两年ARM官网升级得非常频繁，通过检索功能找资料非常麻烦。所以不推荐大家到ARM官网下载资料了。
6.2.2 DSP库的说明
这里我们以CMSIS V5.6.0为标准进行移植。打开固件库里面的CMSIS文件，可以看到如下几个文件：
其中DSP文件夹是我们需要的：
Examples文件夹中的文件如下，主要是提供了一些例子：
Include文件夹里面是DSP库的头文件：
Lib文件夹里面是MDK（ARM），IAR和CGG版库文件：
Projects文件夹里面的文件如下，提供了三个版本的工程模板，每个模板里面都是把所有源码文件添加了进来：
Source文件夹中的文件如下，这个是DSP的源码文件：
6.3 DSP库版本的区别
MDK版本的DSP库如下：
- arm_cortexM4lf_math.lib
Cortex-M4内核，l表示小端格式，f表示带FPU单元，M4仅支持Single Precision单精度浮点。
- arm_cortexM4l_math.lib
Cortex-M4内核，l表示小端格式。
- arm_cortexM4bf_math.lib
Cortex-M4内核，b表示大端格式，f表示带FPU单元，M4仅支持Single Precision单精度浮点。
- arm_cortexM4b_math.lib
Cortex-M4内核，b表示大端格式。
STM32F4是M4内核，单精度浮点，一般使用小端格式，所以我们选择库arm_cortexM4lf_math.lib
6.4 DSP库的几个重要的预定义宏含义
根据用户的使用要求，这几个预定义宏可以添加到MDK的预定义选项中：
这里将这几个预定义宏做个介绍：
- ARM_MATH_BIG_ENDIAN:
大端格式。
- ARM_MATH_MATRIX_CHECK:
检测矩阵的输入输出大小
- ARM_MATH_NEON:
- ARM_MATH_NEON_EXPERIMENTAL:
这两个暂时用不到，因为M0，M3，M4和M7内核不支持NEON指令，需要等待升级到ARMv8.1-M架构。
- ARM_MATH_ROUNDING:
主要用在浮点数转Q32，Q15和Q7时，类似四舍五入的处理上，其它函数没用到。
- ARM_MATH_LOOPUNROLL:
用于4个为一组的的小批量处理上，加快执行速度。
通过下面的求绝对值函数，可以方便的看出区别：
void arm_abs_f32( const float32_t * pSrc, float32_t * pDst, uint32_t blockSize) { uint32_t blkCnt; /* Loop counter */ #if defined(ARM_MATH_NEON) float32x4_t vec1; float32x4_t res; /* Compute 4 outputs at a time */ blkCnt = blockSize >> 2U; while (blkCnt > 0U) { /* C = |A| */ /* Calculate absolute values and then store the results in the destination buffer. */ vec1 = vld1q_f32(pSrc); res = vabsq_f32(vec1); vst1q_f32(pDst, res); /* Increment pointers */ pSrc += 4; pDst += 4; /* Decrement the loop counter */ blkCnt--; } /* Tail */ blkCnt = blockSize & 0x3; #else #if defined (ARM_MATH_LOOPUNROLL) /* Loop unrolling: Compute 4 outputs at a time */ blkCnt = blockSize >> 2U; while (blkCnt > 0U) { /* C = |A| */ /* Calculate absolute and store result in destination buffer. */ *pDst++ = fabsf(*pSrc++); *pDst++ = fabsf(*pSrc++); *pDst++ = fabsf(*pSrc++); *pDst++ = fabsf(*pSrc++); /* Decrement loop counter */ blkCnt--; } /* Loop unrolling: Compute remaining outputs */ blkCnt = blockSize % 0x4U; #else /* Initialize blkCnt with number of samples */ blkCnt = blockSize; #endif /* #if defined (ARM_MATH_LOOPUNROLL) */ #endif /* #if defined(ARM_MATH_NEON) */ while (blkCnt > 0U) { /* C = |A| */ /* Calculate absolute and store result in destination buffer. */ *pDst++ = fabsf(*pSrc++); /* Decrement loop counter */ blkCnt--; } }
6.5 使用MDK的AC6编译器优势
涉及到的知识点比较多，专门将其整理到附件章节E。
6.6 DSP库在MDK上的移植（AC5源码移植方式）
下面我们讲解下如何在MDK上面移植DSP库源码，DSP库的移植相对比较容易。
6.6.1 第一步：建立MDK工程并添加DSP库
为了方便起见，我们这里不再专门建立一个MDK工程了，直接以V5开发板中的例子：V5-001_跑马灯例程为模板（注意，要使用我们HAL版本例子）进行添加即可。打开这个实例并在左侧添加分组CMSIS/DSP：
我们这里不需要添加每个C文件源码，仅需添加包含这些C文件的汇总文件，比如BasicMathFunctions.c文件里面包含的C文件就是：
#include "arm_abs_f32.c" #include "arm_abs_q15.c" #include "arm_abs_q31.c" #include "arm_abs_q7.c" #include "arm_add_f32.c" #include "arm_add_q15.c" #include "arm_add_q31.c" #include "arm_add_q7.c" #include "arm_dot_prod_f32.c" #include "arm_dot_prod_q15.c" #include "arm_dot_prod_q31.c" #include "arm_dot_prod_q7.c" #include "arm_mult_f32.c" #include "arm_mult_q15.c" #include "arm_mult_q31.c" #include "arm_mult_q7.c" #include "arm_negate_f32.c" #include "arm_negate_q15.c" #include "arm_negate_q31.c" #include "arm_negate_q7.c" #include "arm_offset_f32.c" #include "arm_offset_q15.c" #include "arm_offset_q31.c" #include "arm_offset_q7.c" #include "arm_scale_f32.c" #include "arm_scale_q15.c" #include "arm_scale_q31.c" #include "arm_scale_q7.c" #include "arm_shift_q15.c" #include "arm_shift_q31.c" #include "arm_shift_q7.c" #include "arm_sub_f32.c" #include "arm_sub_q15.c" #include "arm_sub_q31.c" #include "arm_sub_q7.c"
这样一来，MDK编译后会自动关联，查看源码非常方便：
6.6.2 第二步：添加头文件路径
添加DSP所需的头文件路径，这个头文件路径是已经在模板工程中添加好的，这里只是跟大家强调一下：
这里要注意一点，为什么直接添加路径LibrariesCMSISInclude里面的头文件即可，而没有添加LibrariesCMSISDSPInclude，这是因为路径LibrariesCMSISInclude里面已经包含了DSP库的头文件。
6.6.3 第三步：添加宏定义
我们这里仅使能一个宏定义ARM_MATH_LOOPUNROLL：
6.6.4 第四步：开启FPU
需要客户通过MDK开启FPU，由于STM32F4支持单精度浮点，这里要开启Single Precision。
6.6.5 第五步：添加头文件arm_math.h
用到DSP库函数的文件得添加#include "arm_math.h"就可以调用DSP库的API了。至此就完成了DSP库的移植。
6.7 DSP库在MDK上的移植（AC5库移植方式）
移植方法与本章6.5小节的相同，仅第1步不同，将源码的添加修改为库添加：
6.8 DSP库在MDK上的移植（AC6源码移植方式）
AC6的DSP源码移植与本章6.5小节里面的AC5移植完全相同，没有区别。但AC5和AC6工程上有三处区别，这里着重指出下：
- 第1处，采用AC6编译器：
- 第2处，警告类型选择AC5-like：
- 第3处，MDK的AC6工程代码如果有源文件是GBK编码，而且使用汉字，MDK编译时会报错，需要用记事本打开使用汉字的源码文件，另存为UTF-8。比如main.c文件的串口打印函数printf用到了汉字，那么就需要做如下修改：
然后再重新编译就不会报错了。同时，串口打印时，使用的串口助手要支持UTF-8，推荐用SecureCRT，下载地址：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=91718 。
设置如下：
6.9 DSP库在MDK上的移植（AC6库移植方式）
AC6的DSP库移植与本章6.6小节里面的AC5移植完全相同，没有区别。不过要注意6.8小节中所讲解的问题即可。
6.10 升级到最新版DSP库的方法
由于CMSIS软件包是实时更新的，这里提供一种升级的简单办法，按照本章6.1小节的说明下载到最新版CMSIS软件包，然后直接覆盖DSP工程里面的CMSIS文件夹即可。
6.11 简易DSP库函数验证
这里我们主要运行arm_abs_f32，arm_abs_q31，arm_abs_q15这三个函数，以此来验证我们移植的DSP库是否正确。
配套例子：
本章配套了如下两个例子：
- V6-200_DSP程序模板（源码方式）
- V6-201_DSP程序模板（库方式）
每个例子都配套了MDK的AC5和AC6两个版本的工程。
实验目的：
1. 学习官方DSP库的移植
实验内容：
1. 按下按键K1, 串口打印函数arm_abs_f32的输出结果
2. 按下按键K2, 串口打印函数arm_abs_q31的输出结果
3. 按下按键K3, 串口打印函数arm_abs_q15的输出结果
实验现象：
通过串口上位机软件SecureCRT看打印信息现象如下（分别按几次K1，K2，K3）。如果编译的是MDK的AC6工程，特别要注意本章6.7小节所说的问题。
程序设计：
程序的设计也比较简单，通过按下不同的按键从而打印不同的DSP库函数执行结果，主程序如下：
#include "bsp.h" /* 底层硬件驱动 */ #include "arm_math.h" /* 定义例程名和例程发布日期 */ #define EXAMPLE_NAME "V7-ARM的DSP移植模板（源码方式）" #define EXAMPLE_DATE "2019-07-31" #define DEMO_VER "1.0" static void PrintfLogo(void); static void PrintfHelp(void); /* ********************************************************************************************************* * 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 */ float32_t pSrc; float32_t pDst; q31_t pSrc1; q31_t pDst1; q15_t pSrc2; q15_t pDst2; bsp_Init(); /* 硬件初始化 */ PrintfLogo(); /* 打印例程名称和版本等信息 */ PrintfHelp(); /* 打印操作提示 */ bsp_StartAutoTimer(0, 100); /* 启动1个100ms的自动重装的定时器 */ /* 主程序大循环 */ while (1) { /* CPU空闲时执行的函数，在 bsp.c */ bsp_Idle(); /* 判断定时器超时时间 */ if (bsp_CheckTimer(0)) { /* 每隔100ms 进来一次 */ /* 翻转LED2的状态 */ bsp_LedToggle(2); } /* 处理按键事件 */ ucKeyCode = bsp_GetKey(); if (ucKeyCode > 0) { /* 有键按下 */ switch (ucKeyCode) { case KEY_DOWN_K1: /* K1键按下 */ pSrc -= 1.23f; arm_abs_f32(&pSrc, &pDst, 1); printf("pDst = %f ", pDst); break; case KEY_DOWN_K2: /* K2键按下 */ pSrc1 -= 1; arm_abs_q31(&pSrc1, &pDst1, 1); printf("pDst1 = %d ", pDst1); break; case KEY_DOWN_K3: /* K3键按下 */ pSrc2 -= 1; arm_abs_q15(&pSrc2, &pDst2, 1); printf("pDst2 = %d ", pDst2); break; default: break; } } } }
6.12 总结
本期教程主要跟大家介绍了官方DSP库的移植，相对来说移植也比较简单，建议初学的同学按照这个步骤移植一遍。