【STM32-DSP库的使用】基于Keil5 + STM32CubeMX 手动添加、库添加方式

为验证语音识别MFCC用到快速傅里叶变换FFT，在工程中应用DSP库时对着网上各种教程暴雷难受，希望给大家提供帮助；并且以lib库、手动src移植两种方式分别实现；测试环境Crotex-M4实测有效（相比于Cortex-M3增加了浮点运算单元和数字信号处理（DSP）指令集，适用于需要处理复杂算法的应用）；

一.CMSIS-DSP

1.1 DSP库简介

CMSIS简述
通用微控制器软件接口标准 （CMSIS） 简化了微控制器软件开发， 为使用 Cortex-M 和入门级 Cortex-A 处理器的开发人员提供一致且高效的接口。 它促进了代码的重用、可移植性和互操作性， 使开发人员能够专注于应用程序级逻辑，而不是处理低级硬件细节。
CMSIS提供处理器和外围设备、实时操作系统、 和中间件组件，并包括交付机制 （CMSIS-Pack） 用于设备、主板和软件， 并支持组合来自多个供应商的软件组件。 keil.arm.com 上的内容直接从 CMSIS 包中提取。
CMSIS是与各种芯片和软件供应商密切合作定义的，并提供了一种与外设接口的通用方法。 实时操作系统和中间件组件。 它旨在实现来自多个供应商的软件组件的互操作性。
DSP库说明详情见官网
本用户手册介绍了 CMSIS DSP 软件库，这是一套用于基于 Cortex-M 和 Cortex-A 处理器的器件的常见信号处理功能。

1.2 支持的函数类别

支持该库分为许多函数，每个函数涵盖一个特定的类别：

• 基本数学函数
• 快速数学函数
• 复杂的数学函数
• 过滤函数
• 矩阵函数
• 转换函数
• 电机控制功能
• 统计函数
• 支持功能
• 插值函数
• 支持向量机函数 （SVM）
• 贝叶斯分类器函数
• 距离函数
• 四元数函数

1.3 宏定义

该库通常具有单独的函数，用于对 8 位整数、16 位整数、32 位整数和 32 位浮点值进行操作。预处理器宏，每个库项目都有不同的预处理器宏。

ARM_MATH_BIG_ENDIAN：
定义宏ARM_MATH_BIG_ENDIAN，为大端目标构建库。默认情况下，库会为小端目标构建。ARM_MATH_MATRIX_CHECK：
定义用于检查矩阵的输入和输出大小的宏ARM_MATH_MATRIX_CHECKARM_MATH_ROUNDING：
定义用于舍入支持函数的宏ARM_MATH_ROUNDINGARM_MATH_LOOPUNROLL：
定义宏ARM_MATH_LOOPUNROLL，以便在 DSP 函数中启用手动循环展开ARM_MATH_NEON：
定义宏ARM_MATH_NEON以启用 DSP 功能的 Neon 版本。默认情况下，当 Neon 可用时，它不会启用，因为性能取决于编译器和目标体系结构。ARM_MATH_NEON_EXPERIMENTAL：
定义宏ARM_MATH_NEON_EXPERIMENTAL以启用某些 DSP 函数的实验性 Neon 版本。实验性 Neon 版本目前没有比标量版本更好的性能。ARM_MATH_HELIUM：
它意味着标志 ARM_MATH_MVEF 和 ARM_MATH_MVEI 和 ARM_MATH_MVE_FLOAT16。ARM_MATH_HELIUM_EXPERIMENTAL：
仅在定义ARM_MATH_MVEF、ARM_MATH_MVEI或ARM_MATH_MVE_FLOAT16时才考虑在内。启用一些矢量版本，这些版本的性能可能比标量差，具体取决于内核/编译器配置。ARM_MATH_MVEF：
选择 f32 算法的 Helium 版本。它意味着ARM_MATH_FLOAT16和ARM_MATH_MVEI。ARM_MATH_MVEI：
选择 int 和 fixed point 算法的 Helium 版本。ARM_MATH_MVE_FLOAT16：
某些算法的 MVE Float16 实现（需要 MVE 扩展）。DISABLEFLOAT16：
当特定编译器/内核配置不支持 __fp16 时禁用 float16 算法。这仅对标量有效。当矢量体系结构支持 f16 时，无法禁用它。ARM_MATH_AUTOVECTORIZE：
使用 Helium 或 Neon，禁用带有 C 内部函数的矢量化代码，改用纯 C。然后由编译器完成矢量化。

官方github最新库版本

二、操作

2.1 STM32CubeMX 配置基本工程

工程用的STM32407IGT6实现

简单配置一下时钟和Keil项目，这里略过细节重点在Keil中的配置

2.2 Lib库的方式实现(推荐)

用Keil 自带的 CMSIS-DSP包，一键添加非常方便也不需要添加头文件路径之类的

添加编译宏，可以根据（1.3）实际功能进行配置，点击OK

,ARM_MATH_CM4,__CC_ARM,ARM_MATH_MATRIX_CHECK,ARM_MATH_ROUNDING,__TARGET_FPU_VFP,__FPU_PRESENT=1

编译出现如下图，是因为重复宏定义导致的，宏的作用域CMSIS-DSP中获取不到，不添加不行

warning:  #47-D: incompatible redefinition of macro "__FPU_PRESENT" 

可以注释掉代码中的一个即可，就不会出现warring了

终于编译过了（期间有一次遇到keil全局宏修改不生效的问题，导致死都编译不过，最后只能在keil的配置表里面修改，正常不会有这个问题）

2.3 手动添加DSP文件（可以下载官方最新库，功能齐全）

添加编译宏，和（2.1）一致

,ARM_MATH_CM4,__CC_ARM,ARM_MATH_MATRIX_CHECK,ARM_MATH_ROUNDING,__TARGET_FPU_VFP,__FPU_PRESENT=1

添加DSP src文件

可以根据实际使用的API添加，基本功能添加下图所示三个文件夹所有.C文件

这里要注意的是，别漏了 arm_bitreversal2.S

关于汇编文件编译报错的问题，–cpreproc选项是告诉armasm在汇编代码时先调用armclang来处理该汇编代码，然后再将处理后的代码给armasm来汇编成机器码。

error: A1163E: Unknown opcode defined , expecting opcode or Macro

添加DSP的头文件路径

编译是发现arm_dct4_X相关功能没用到这边就直接在工程中剔除，避免牵连更多的引用到工程中

Undefined symbol arm_cmplx_mult_cmplx_f32 (referred from arm_dct4_f32.o).

最终编译OK

三、MFCC测试DSP加速效果

		// MFCC// do the first mfcc with half old data(256) and half new data(256)// then do the second mfcc with all new data(512). // take mfcc bufferfloat startTime = __HAL_TIM_GetCounter(&htim2)/100.0;osMutexAcquire(mfcc_bufHandle, osWaitForever);for(int i=0; i<2; i++){mfcc_compute(mfcc, &audio_buffer_16bit[i*AUDIO_FRAME_LEN/2], mfcc_features_f);// quantise them using the same scale as training data (in keras), by 2^n. quantize_data(mfcc_features_f, mfcc_features[mfcc_feat_index], MFCC_COEFFS, 3);// debug only, to print mfcc data on consoleif(is_print_mfcc){for(int i=0; i<MFCC_COEFFS; i++)printf("%d ",  mfcc_features[mfcc_feat_index][i]);printf("\n");}mfcc_feat_index++;if(mfcc_feat_index >= MFCC_LEN)mfcc_feat_index = 0;}osMutexRelease(mfcc_bufHandle);printf("mfcc time %0.2f ms\r\n", __HAL_TIM_GetCounter(&htim2)/100.0-startTime);

//不增加DSP库
mfcc time 2.66 ms

//增加DSP库MFCC处理速度提升 56.0%
mfcc time 1.17 ms