DSP算法庫到底有多快？

01 DSP算法庫

一、前言

在ARM單片機開發(fā)中，有 CMSIS 中提供的 DSP 數字信號處理函數庫。這個函數庫中包括有基本的數據函數，快速數學運算，復數運算，濾波器，矩陣，變換，點擊控制，統(tǒng)計，支持函數以及插值函數等等。涵蓋了大多數工程應用中的算法。下面，我有一個疑問，使用CMSIS 中的 DSP函數，與普通的數學庫中的函數，究竟能夠有多大的提速空間？下面，就對比一下開方運算以及sine三角函數的運算速度。這樣，便能夠將來在不同場合選擇使用不同的數學庫。

二、測試方法

測試硬件平臺是昨天制作的 STM32F103單片機，這是 M3內核的 ARM 單片機。這個單片機比較簡單和流行，看一下它的數學計算速度。利用一個端口輸出高低電平表示計算所需要的時間。

為了使用 DSP數據庫，需要在 IAR 開發(fā)環(huán)境中，對 工程文件選項 General ?中的 連接庫設置中，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 三角函數計算，前后設置 LED 輸出管腳電平，因此輸出高電平脈沖寬度表示sine 函數計算時間。中間相隔1ms之后，再執(zhí)行 DSP中的sine 函數，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執(zhí)行速度的差異性了。

三、測試結果

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學庫中的 sine 函數，時間較長，后面是 DSP庫中的 sine 函數，明顯時間短。這說明了對于 M3 內核的 單片機，使用 DSP數學庫的效率還是非常高的。需要說明的是，此時 單片機系統(tǒng)時鐘為 64MHz。為了更加精確的對比兩個數學庫執(zhí)行時間，將波形展開。利用示波器的光標測量功能，測試脈沖的時間寬度。普通sine 函數，計算時間為 41.7微秒，測量 DSP sine 函數，執(zhí)行時間只有10微秒，通過對比可以知道，對于 三角函數 sine計算，DSP算法庫比起普通的數學函數要快四倍左右。

● ?sine運算對比：
math：41.7us
DSP：10us

▲ 圖1.3.1 計算sine函數對比普通數學庫與DSP庫的執(zhí)行速度

??下面再對比一下浮點開方數學運算。使用的方法是一樣的。通過示波器測量 普通數學庫函數和 DSP數學庫函數之間的差別。普通的數學庫，計算一個浮點數開方需要 12.52 微秒，DSP數學庫中的開方運算，只需要 4.9微秒。比普通的數學庫增加了不到 3倍。這說明不同的數學運算，DSP提速不一樣。

● ?開方運算對比：
math：12.52us
DSP：4.9us

▲ 圖1.3.2 對比開方運算算法函數速度的差異

??最后對比一下普通的整數位移操作。對128個數字中的整型數往左位移，對比普通的 C 語言位移所需要的時間以及DSP 庫中位移函數運算時間。C語言位移消耗了大約 24微秒，DSP 庫函數消耗了 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 ※

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