移植CMSIS-DSP库到CodeWarrior的步骤以及Kinetis FPU单元应用的对比

小恩GG · 发表于 2017-9-29 11:26:03

本帖最后由小恩GG 于 2017-9-29 11:27 编辑

移植CMSIS-DSP库到CodeWarrior的步骤以及Kinetis FPU单元应用的对比 FAE Const Yu

在电机控制，Audio等很多应用中，我们经常会用到一些常见的正余弦，矩阵变换，FFT等一些DSP函数，提到DSP库，通常会想到使用ARM 公司提供的 CMSIS 库。CMSIS 库是ARM和一些半导体厂家针对Cortex-M系列制定的一套接口标准，包括针对内核操作的CMSIS-CORE API，针对DSP应用的CMSIS-DSP Library，针对RTOS的CMSIS-RTOS API，与外设接口的CMSIS-SVD以及提供Debug访问接口的CMSIS-DAP。其中，又以DSP应用的CMSIS-DSP 库的应用最为广泛。针对Cortex-M4中的DSP功能，CMSIS-DSP部分提供了超过60多种功能的DSP算法库，尤其是随着Cortex-M4中集成了FPU硬件单元，CMSIS-DSP 库的应用也越来越广泛。

在KEIL 和IAR中都集成了对CMSIS的支持，然而在CodeWarrior中没有直接支持CMSIS，需要用户移植到自己的CW工程中，所以就需要使用者了解CMSIS的结构，手动添加库文件和头文件，并完成一些重要的编译参数配置。特别是有些芯片支持FPU浮点运算单元，有些不支持，在配置选项上差别很大。在飞思卡尔Kinetis系列芯片中，FPU浮点运算单元也是一个可选的部件，只有在名称中带有FN和FX的芯片才支持FPU硬件浮点功能，如MK60FN1M0, MK60FX512。本文档分别介绍在使用和不使用FPU的情况下如何一步步移植CMSIS的DSP库到自己的CodeWarrior工程中。

需要注意的是 FPU 单元是指的芯片上的一个独立于 CPU 处理的浮点运算单元，整个单元在大多数厂家的芯片中都是可以被使能和关闭的。相对于芯片，编译器也设置了相应的 FPU 功能开启/关闭的选项，在编译时需要告诉编译器是否开启 FPU 功能。编译器一旦开启 FPU 功能，在处理单精度浮点运算的语句时就会用带 V-开头的汇编指令进行编译。如果编译器使能了 FPU 功能，而芯片未开启 FPU 单元，程序运行到浮点语句时就会出现异常。相反，如果编译器未使能 FPU 功能，芯片即使开启了 FPU单元，程序还是会按照未使能 FPU 的代码进行处理。在本例程中，为对比分析是否采用FPU的编译指令差别以及在板的执行效率，选用Kinetis K70FN1M为实验对象。

硬件平台：TWR-K70F120M核心板 软件环境：CodeWarrior v10.5 CMSIS版本：V3.2

一. 准备工作：

下载CMSIS的库，当前最新的版本为V3.2，解压后名称为CMSIS-SP-00300-r3p2-00rel1，其目录结构如下图。分别包含CMSIS-DSP, CMSIS-RTOS和CMSIS-SVD的库文件。在本Cortex M4的CMSIS-DSP的应用中，真正用到的文件包括CMSIS\Include中CM4相关的头文件，CMSIS\Lib\GCC文件夹中的库文件libarm_cortexM4l_math.a(软浮点)和libarm_cortexM4lf_math.a(硬浮点)，以及Device\ARM\ARMCM4\include中外设访问相关的两个头文件。

二. 不使用K70的FPU浮点运算单元，移植CMSIS的DSP库到CW的步骤；

Step 1: 新建一个Baremental的工程，选择器件器件MK70FN1M0（支持硬件FPU）；

Step 2: 选择Floating Point浮点运算实现的类型，即指定编译器将C代码编译成汇编代码时使用的规则；

在Floating Point四个选项含义如下：

Software选项：表示不使用FPU硬件，而是使用GCC的整数算术运算来模拟浮点运算；
Handware(-mfloat –abi=hard) 选项：表示使用FPU硬件来进行浮点运算，函数的参数直接传递到FPU的寄存器(s0-d0)中；
Handware(-mfloat –abi=softfp)选项：表示使用FPU硬件来进行浮点运算，但是函数的参数传递到整数寄存器(r0-r3）中，然后再传递到FPU中；
Handware(-mfloat –abi=softfp –fshort -double)选项：其配置项同上，只不过使能了fshort double功能，并且此处的double数据的宽度等同于float；

有兴趣研究各个选项意义的可以参考[url=]CW for MCU技术文档[/url]的第3章，在本例程中使用的是软浮点，所以选择Software项。需要注意的是：此配置选项仅出现支持FPU硬件单元的芯片工程中，如MK60FN1M0, MK60FX512等，否则默认没有此选项，默认为软件浮点。

Step 3: 点击“Next”进入下图，选择使用Processor Expert，点击“Finish“完成工程的建立；

Step 4: 进入当前工程的文件夹，新建文件夹CMSIS，从之前在准备步骤解压的CMSIS文件包\...\CMSIS-SP-00300-r3p2-00rel1\CMSIS中拷贝Include和Lib文件夹到当前工程新建的CMSIS文件夹。另外，拷贝\...\CMSIS-SP-00300-r3p2-00rel1\Device\ARM\ARMCM4\Include中的ARMCM4.h和system_ARMCM4.h到当前工程新建的CMSIS文件夹中；

Step 5: 回到CodeWarrior主界面选择新建的工程文件，F5刷新可以看到CMSIS出现在工程文件中。其中Include是CMSIS库的一些头文件，包括M0+/M3/M4的一些头文件；在Lib文件中是已经编译好的库文件，ARM文件夹是使用在KEIL IDE中的库文件，G++文件夹是使用在IAR中的库文件，而由于当前CW工程使用的GCC的编译器，所以GCC文件夹才是CW需要的，因此，为缩减工程大小可以删除ARM和G++文件夹；

Step 6: 打开工程属性框，选择Target Processor的Float ABI为No FPU；

Step 7: 在GCC Complier的Defined symbols中添加编译的宏定义ARM_MATH_CM4；

Step 8: 在GCC Complier的Include paths中添加CMSIS库的头文件，路径为：工程目录\CMSIS\Include；

Step 9: 在GCC C Linker的Miscellaneous项的Other objects中指定使用的库文件(位于CMSIS\Lib\GCC文件夹中)。因为本例程中不使用FPU，所以选择libarm_cortexM4l_math.a，此处需要特别注意，否则编译会报错；

Step 10: 在ProcessorExpert.c文件中添加代码；

#include <math.h>

#include "arm_math.h"

#define DELTA (0.000001f)

const float32_t testRefOutput_f32 = 1.000000000;

const float32_t radians=1.047197533333333;

float32_t cosOutput, sinOutput, diff;

float32_t cosSquareOutput,sinSquareOutput,testOutput;

int main(void)

{

int m,n;

PE_low_level_init();

cosOutput = arm_cos_f32(radians); /*求正余弦*/

sinOutput = arm_sin_f32(radians);

arm_mult_f32(&cosOutput, &cosOutput, &cosSquareOutput, 1); /*求积运算*/

arm_mult_f32(&sinOutput, &sinOutput, &sinSquareOutput, 1);

arm_add_f32(&cosSquareOutput, &sinSquareOutput, &testOutput, 1); /*求和运算*/

diff = fabsf(testRefOutput_f32 - testOutput); /* 求绝对值 */

if(diff > DELTA)

{

while(1)

{

for(m=0;m<2000;m++)

for(n=0;n<200;n++){};

D7_NegVal();

}

Step 11: 编译并下载Debug，在 sinOutput = arm_sin_f32(radians);处设置断点，可以看到CMSIS-DSP库中的正余弦浮点数运算函数运算正常，其反汇编的得到为普通的ARM指令(FPU 单元汇编指令通常在普通指令前加字母V，仅在 FPU 功能被使能时使用)，完成一个正弦计算；

至此，完成了不使用K70的FPU浮点运算单元，移植CMSIS的DSP库到CW的步骤。

三. 使用K70的FPU浮点运算单元，移植CMSIS的DSP库到Codewarrior的步骤

使用K70的FPU硬件浮点运算单元，移植CMSIS的DSP库到Codewarrior的方法有两种：一种是按照上面软浮点的方式Step By Step的建立工程，步骤和上面二的步骤基本一致，主要的两个区别在于：(1). Step 2要选择Handware(-mfloat –abi=hard) 选项，(2). Step 9 改为libarm_cortexM4lf_math.a。另外一种就是在上面工程的基础上修改配置选项。鉴于方便，本教程采用第二种方案，完成在Codewarrior中调用CMSIS的DSP库，通过K70的FPU浮点运算单元执行浮点运算，即硬浮点。

Step 1: 打开工程属性对话框，选择Target Processor的Float ABI为FPU with hard vfp passing(-mfloat –abi=hard)；

Step 2: 在GCC Complier的Defined symbols中添加编译的宏定义：_VFPV4；

Step 3: 在GCC C Linker的Libraries项的library search path中指定链接的规则，把上面工程中默认的"${MCUToolsBaseDir}/ARM_GCC_Support/ewl/lib/armv7e-m"修改为 "${MCUToolsBaseDir}/ARM_GCC_Support/ewl/lib/armv7e-m/fpu"；

Step 4: 在GCC C Linker的Miscellaneous项的Other objects中指定使用的库文件(位于CMSIS\Lib\GCC文件夹中)。因为本例程中使用FPU，所以选择libarm_cortexM4lf_math.a，此处需要特别注意，否则编译会报错；

Step 5: 完成以上配置后，编译工程并下载调试（此处建议编译之前先Clean一下整个工程），同样，在 sinOutput = arm_sin_f32(radians);处设置断点，可以看到CMSIS-DSP库中的正余弦浮点数运算函数运算正常，其反汇编的得到为FPU指令(FPU指令通常是指在普通指令前加字母V，仅在 FPU功能被使能时使用)，并且在Register观察窗口中也多了个FPU寄存器列表，感兴趣的读者可以对比一下和前面实验汇编出代码的差异，此处不再赘述；

至此，分别完成了使用和不适用K70的FPU浮点运算单元情况下， CMSIS的DSP库到Codewarrior的移植。在实际应用中需要用到更多的DSP函数，在项目中直接调用即可。下一步， Just Enjoy The Convenience of The CMSIS!

有一点需要说明的是，前文中讲到使用FPU单元需要两步设置：(1). 在编译器中开启相应的 FPU 功能选项；(2). 开启芯片FPU 单元。似乎我们前面的设置是完成了第一个步骤，然而第二个步骤呢？仔细查看_arm_atart.c文件，可以发现代码_fp_init()正是完成了开启芯片FPU单元的过程，如下图，是一个条件编译函数，这也就解释了为什么在上面Step 2中定义了_VFPV4，其本质也就是使能芯片的FPU单元，其具体实现可以查看ARM手册的第74页的描述。

#ifdef __VFPV4__ //Step 2中的宏定义

__fp_init(); // 开启芯片的FPU单元

#endif

我知道答案目前已有3人回答

阅读全文