DSP算法庫到底有多快？

01 DSP算法庫

一、前言

在ARM單片機(jī)開發(fā)中，有 CMSIS 中提供的 DSP 數(shù)字信號處理函數(shù)庫。這個函數(shù)庫中包括有基本的數(shù)據(jù)函數(shù)，快速數(shù)學(xué)運(yùn)算，復(fù)數(shù)運(yùn)算，濾波器，矩陣，變換，點(diǎn)擊控制，統(tǒng)計(jì)，支持函數(shù)以及插值函數(shù)等等。涵蓋了大多數(shù)工程應(yīng)用中的算法。下面，我有一個疑問，使用CMSIS 中的 DSP函數(shù)，與普通的數(shù)學(xué)庫中的函數(shù)，究竟能夠有多大的提速空間？下面，就對比一下開方運(yùn)算以及sine三角函數(shù)的運(yùn)算速度。這樣，便能夠?qū)碓诓煌瑘龊线x擇使用不同的數(shù)學(xué)庫。

二、測試方法

測試硬件平臺是昨天制作的 STM32F103單片機(jī)，這是 M3內(nèi)核的 ARM 單片機(jī)。這個單片機(jī)比較簡單和流行，看一下它的數(shù)學(xué)計(jì)算速度。利用一個端口輸出高低電平表示計(jì)算所需要的時間。

為了使用 DSP數(shù)據(jù)庫，需要在 IAR 開發(fā)環(huán)境中，對 工程文件選項(xiàng) General ?中的 連接庫設(shè)置中，選擇 CMSIS DSP。在程序中增加 arm math 頭文件即可。測試程序大循環(huán)中，執(zhí)行普通的 sine 三角函數(shù)計(jì)算，前后設(shè)置 LED 輸出管腳電平，因此輸出高電平脈沖寬度表示sine 函數(shù)計(jì)算時間。中間相隔1ms之后，再執(zhí)行 DSP中的sine 函數(shù)，也使用 LED 管腳的高電平指示執(zhí)行時間。后面通過示波器便可以直觀的對比兩個函數(shù)執(zhí)行速度的差異性了。

三、測試結(jié)果

使用示波器，測量 LED 管腳的波形，可以看到前后兩個脈沖信號。前面的信號是普通數(shù)學(xué)庫中的 sine 函數(shù)，時間較長，后面是 DSP庫中的 sine 函數(shù)，明顯時間短。這說明了對于 M3 內(nèi)核的 單片機(jī)，使用 DSP數(shù)學(xué)庫的效率還是非常高的。需要說明的是，此時 單片機(jī)系統(tǒng)時鐘為 64MHz。為了更加精確的對比兩個數(shù)學(xué)庫執(zhí)行時間，將波形展開。利用示波器的光標(biāo)測量功能，測試脈沖的時間寬度。普通sine 函數(shù)，計(jì)算時間為 41.7微秒，測量 DSP sine 函數(shù)，執(zhí)行時間只有10微秒，通過對比可以知道，對于 三角函數(shù) sine計(jì)算，DSP算法庫比起普通的數(shù)學(xué)函數(shù)要快四倍左右。

● ?sine運(yùn)算對比：
math：41.7us
DSP：10us

▲ 圖1.3.1 計(jì)算sine函數(shù)對比普通數(shù)學(xué)庫與DSP庫的執(zhí)行速度

??下面再對比一下浮點(diǎn)開方數(shù)學(xué)運(yùn)算。使用的方法是一樣的。通過示波器測量 普通數(shù)學(xué)庫函數(shù)和 DSP數(shù)學(xué)庫函數(shù)之間的差別。普通的數(shù)學(xué)庫，計(jì)算一個浮點(diǎn)數(shù)開方需要 12.52 微秒，DSP數(shù)學(xué)庫中的開方運(yùn)算，只需要 4.9微秒。比普通的數(shù)學(xué)庫增加了不到 3倍。這說明不同的數(shù)學(xué)運(yùn)算，DSP提速不一樣。

● ?開方運(yùn)算對比：
math：12.52us
DSP：4.9us

▲ 圖1.3.2 對比開方運(yùn)算算法函數(shù)速度的差異

??最后對比一下普通的整數(shù)位移操作。對128個數(shù)字中的整型數(shù)往左位移，對比普通的 C 語言位移所需要的時間以及DSP 庫中位移函數(shù)運(yùn)算時間。C語言位移消耗了大約 24微秒，DSP 庫函數(shù)消耗了 16.65微秒，速度大約快了 三分之一左右。

▲ 圖1.3.3 位移操作

? ● ?位移兩位對比：
C：24us
DSP：16.65us

※ 總??結(jié) ※

本文對比了 CMSIS DSP數(shù)學(xué)庫中的部分函數(shù)速度，都比使用普通的C語言以及math 庫中函數(shù)速度有所提高，三角函數(shù)提高了四倍左右，普通的位移操作只提高了三分之左右。