CMSIS的DSP数字信号处理函数库应用

一、前言

在ARM单片机开发中，有CMSIS中提供的DSP数字信号处理函数库。这个函数库中包括有基本的数据函数、快速数学运算、复数运算、滤波器、矩阵、变换、点击控制、统计、支持函数，以及插值函数等，涵盖了大多数工程应用中的算法。

我有一个疑问，使用CMSIS中的DSP函数，与普通的数学库中的函数，究竟能够有多大的提速空间？

下面，就对比一下开方运算以及sine三角函数的运算速度，这样便能够将来在不同场合下选择使用不同的数学库。

二、测试方法

测试硬件平台是昨天制作的STM32F103单片机，这是M3内核的ARM单片机。这个单片机比较简单和流行，看一下它的数学计算速度，利用一个端口输出高低电平表示计算所需要的时间。

为了使用DSP数据库，需要在IAR开发环境中，对工程文件选项General中的连接库设置中，选择CMSIS DSP。在程序中增加arm math头文件即可。测试程序大循环中，执行普通的sine三角函数计算，前后设置LED输出管脚电平，因此输出高电平脉冲宽度表示sine函数计算时间。中间相隔1ms之后，再执行DSP中的sine函数，也使用LED管脚的高电平指示执行时间。后面通过示波器，便可直观对比两个函数执行速度的差异性了。

三、测试结果

使用示波器，测量LED管脚的波形，可以看到前后两个脉冲信号。前面的信号是普通数学库中的sine函数，时间较长，后面是DSP库中的sine函数，明显时间短。这说明了对于M3内核的单片机，使用DSP数学库的效率还是非常高的。

需要说明的是，此时单片机系统时钟为64MHz。为了更加精确的对比两个数学库执行时间，将波形展开。利用示波器的光标测量功能，测试脉冲的时间宽度。普通sine函数，计算时间为41.7微秒，测量DSP sine函数，执行时间只有10微秒，通过对比可以知道，对于三角函数sine计算，DSP算法库比起普通的数学函数要快四倍左右。

●  sine运算对比：
   math：41.7us
   DSP：10us

▲计算sine函数对比普通数学库与DSP库的执行速度 下面，再对比一下浮点开方数学运算，使用的方法是一样的，通过示波器测量 普通数学库函数和DSP数学库函数之间的差别。普通的数学库，计算一个浮点数开方需要12.52微秒，DSP数学库中的开方运算，只需要4.9微秒，比普通的数学库增加了不到3倍。这说明不同的数学运算，DSP提速不一样。

●  开方运算对比：
   math：12.52us
   DSP：4.9us

▲对比开方运算算法函数速度的差异 最后，对比一下普通的整数位移操作。对128个数字中的整型数往左位移，对比普通的C语言位移所需要的时间以及DSP库中位移函数运算时间。C语言位移消耗了大约24微秒，DSP库函数消耗了16.65微秒，速度大约快了三分之一左右。

▲位移操作

●  位移两位对比：
   C：24us
   DSP：16.65us

四、总结 本文对比了CMSIS DSP数学库中的部分函数速度，都比使用普通的C语言以及math库中函数速度有所提高，三角函数提高了四倍左右，普通的位移操作只提高了三分之左右。

审核编辑：黄飞