向数字信号处理器更进一步-STM32G431RB Nucleo开发板评测

发表于 2019-9-7 15:40

前言

STM32G4系列是ST新推出的系列, 主打信号处理方向的应用. 从配置上来讲, 类似于之前的STM32F3系列的升级版本, 各种参数上又有很多进步. 尤其是增加了定点计算加速器CORDIC与FMA, 使得这个系列向DSP又进了一步.有的同学会有疑问, 既然这个系列已经有了单精度的FPU, 增加CORDIC, FMA这些外设是否有点多余. 后面的章节会对这个CORDIC单元做一个Benchmark, 结果显示在牺牲一定的精度的情况下CORDIC比起FPU计算有很大的性能优势. 在某些应用领域, 能够实时得到运算结果比绝对精度要更重要. 比如电机控制, 数字电源等领域, 算法本身有反馈, 如果能迅速迭代,修正, 那么输出稳定的速度快很多. 工业控制领域中的很多传感器数据处理时, 快速得到一定精度的结果也比追求绝对精度要更适合应用场景. 这也是以前的DSP在微控制器市场拥有独特地位的原因.

争论DSP, ARM哪个好没有意义, 但是现在嵌入式应用的发展方向就是: 数据来源越来越多, 对数据的处理的要求越来越多. 所以控制器的计算能力的需求也越来越大, 计算能力并非仅仅取决于处理器内核的位宽和CPU运行速度. 还有几个重要因素:

1. 内核能配备适合数**算的指令架构, 这一点传统的DSP所擅长, 指令上有很多专业做向量运算, Cortex M3, Cortex M4也有一些这样的指令
2. 硬件加速单元, FPU也算是加速单元. 但是FPU对芯片门数增加很多,而且目前大多数的嵌入式应用中并不需要FPU那样的精度. 还有FPU虽然一般被认为是协处理器, 但是设计上常常跟CPU放在一起, 所以作浮点运算时常常也需要CPU同步等待结果. G4系列增加的CORDIC,FMA属于典型的硬件加速单元. 大多STM32上存在的CRC计算单元也是硬件加速单元, 某些面向安全领域的AES加速器也是.
3. 与内核紧密配合的软件运算库. 用过DSP的程序员都知道, 芯片厂商一般都会提供针对特定内核优化过的运算库. 包括常见的电机控制算法, PID算法, 矩阵算法, 滤波器算法等等. ARM公司也有一个类似的算法库:CMSIS DSP, 但是这个库跟传统DSP厂商比还是一个起步阶段.

STM32G4这个系列大概就是一个直接与DSP对标的系列, 从性价比, 从STM32的开发者生态来讲, 是很有竞争力的.

发表于 2019-9-7 15:44

芯片与板子

这个板子也属于Nucleo 64系列, 但是同样叫做Nucleo 64, 硬件上也有很多改进的.

图板子前视跟之前的Nucleo64板子相比:

1. 板载调试器升级了, 现在的调试器主控是STM32F723, 和服务了很多年的STM32F103相比,强大了不少, 至于具体功能还没有发现很大的升级, 但是起码有很大的升级空间.
2. 增加了MIPI10接口的调试接口, 虽然只有非常专业的工程师才有这种接口的调试器吧.
3. 主控芯片的两个晶体都焊接了. 以前的Nucleo系列板子有一个外接晶体没有焊接的.要么使用STLINK的MCO输出, 要么使用内部时钟,要么自己找个晶体焊接上去. 其实一个晶体能有多少成本, ST公司大钱都出了, 之前真是没有想通, 给工程师带来方便是最重要的.

除此之外就没有很多新意了,最大程度保持跟原有的Nucleo开发生态兼容.

图开发板框图

图官方的详解图(从G474板子那里抄的,但是G431板子跟这个同一批)

图STM32G431芯片框图(感兴趣的可以跟STM32F3系列对比下)

板子就介绍到这里, 老司机们应该对这个板子都很熟, 实在没有很多需要介绍的.

发表于 2019-9-7 15:50

软件-HelloWorld工程生成

STM32系列之所以在工程师心中有这么高的人气, 很大一个原因就是开发生态非常完善. 从初学者到高手, 都能很快上手, 很快开始自己的学习和工程设计.

早期的SPL(StandardPeripheral Library)开启了快速开发的风气, 现在STM32CubeMX+HAL库更是引领了图形化,模块化设计的趋势. 这里以使用CubeMX创建一个Hello World工程为例, 展示这种设计方式的优越性, 高手们可以跳过这一章节.

要输出Hello World, 需要一个输出口, 这个板子的板载STlink确实有模拟串口, 但是没有直接把模拟串口与芯片的串口连接起来, 芯片的串口连接到板子的Arduino接口上去了. 手边没有烙铁, 所以这个工程使用SWV作为输出.

图串口默认连接到Arduino接口上去了
首先打开STM32CubeMX, 没有安装的自行去下载安装, 很简单的, 这里不浪费篇幅.第二步安装STM32CubeMX 的G4支持包, 如果你之前没有安装的话:

图安装CubeMX的G4支持包

这个包200多M, 网络安装不顺畅的话, 用户可以去官网找到下载连接使用专门的下载工具(如迅雷)下载来安装. 下一步新建工程, 选板子, 注意这个工具的板子图片是错误的还是用的原来的老图片, 这个小问题了, 虽然还是希望ST公司能够加以改进.

图选板子

图板子的图片错了

图又是一张错误图片

发表于 2019-9-7 15:53

选好板子后, 就使用默认的配置就可以生成工程了, 本人使用Keil MDK.

图生成工程

之后打开工程, 注意又要下载一次Keil MDK对STM32G4的支持包, 如果你之前没有下载的话, 这里还是有下载不顺畅的可能, 解决办法还是到官网找到下载连接使用专业下载工具.

编译之前还要配置一下输出重定向:

图配置重定向如果是重定向到串口的话, 后面的下拉框选User, 之后实现输出函数. 选ITM就不用自己实现输出函数了, ITM是CMSIS标准库的内容.主函数修改一点点:

复制

int main(void) {

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/



  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */

  HAL_Init();



  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */



  /* Configure the system clock */

  SystemClock_Config();



  /* USER CODE BEGIN SysInit */



  /* USER CODE END SysInit */



  /* Initialize all configured peripherals */

  MX_GPIO_Init();

  MX_USART1_UART_Init();

  /* USER CODE BEGIN 2 */        

        printf("Hello World, %08X %u\n", SCB->CPUID, SystemCoreClock);

        /* USER CODE END 2 */



  /* Infinite loop */

  /* USER CODE BEGIN WHILE */

  while (1) {

    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */

  }

  /* USER CODE END 3 */

}

发表于 2019-9-7 15:54

编译,下载, 打开任何一个可以看ITM输出的工具, 这里使用STLink Utility,开SWV显示:

图 SWV输出显示至此, HelloWorld工程就创建完毕. 整个工程代码, 包括CubeMX配置文件都在后文有下载连接.

发表于 2019-9-7 15:57

本帖最后由 zhanzr21 于 2019-9-7 16:06 编辑

软件-CORDIC数学和定点运算

据我所知, G4系列应该是第一个配备CORDIC单元的STM32系列.

CORDIC数学计算对于做过DSP的工程师应该不陌生, 但是对于大多数STM32开发者来讲应该是个模糊的概念. 这里简单介绍下.

CORDIC在STM32G4上是个协处理器, 也可以叫做硬件加速单元. 它用坐标转换的方法来计算, 只能接受定点数, 目前支持的函数: Sine, Cosine,Sinh, Cosh, Atan, Atan2, Atanh, Modulus, Square root, Natural logarithm.内部精度为24bit,一般喂给它Q31.1的定点数,输出也是Q31.1,当然也可以喂给它Q15.1的定点数. 因为它的处理原理是加法+移位, 虽然动态范围比浮点运算小导致精度小, 但是运算起来比FPU做泰勒级数逼近要快很多.况且它是真正的协处理器, 可以跟DMA联合起来, 所以在精度牺牲一点的情况下比FPU计算要快,而且可以解放CPU做其他事情.所以在电机控制, 传感器数据前置处理的应用中这种运算用的很广泛.

Q格式的定点数,如果使用过CMSIS DSP的程序员可能比较了解, 但是估计大多数程序员还是很陌生, 也介绍下.

简而言之, Q定点数, 就是用整型数来表示小数的一种方式.

Q31.1使用32bit的整数来表示-1到1的区间,也有人用来表示0到2的区间, 内部原理是一致的. 大多数运算中, 采用-1到1的区间.Q格式与浮点数的转换方式:

将浮点数转换为q._n._t的格式:

1.浮点数乘以2的n次方

2.四舍五入

将q._n._t格式转换为浮点格式:

1.按照native的方式将浮点数转为定数(四舍五入)

2.将上一步结果除以2的n次方

关于转换,本人有个简单的Python脚本可以供参考.

复制

import os,sys,math



INT32_MAX = (1<<31)-1

UINT32_MAX = (1<<32)-1



ARRAY_SIZE = 64

TEST_CSV_FILE = "test_q.csv"



test_q_angle_cordic = [0x00000000, 0x04000000, 0x08000000, 0x0C000000,

  0x10000000, 0x14000000, 0x18000000, 0x1C000000,

  0x20000000, 0x24000000, 0x28000000, 0x2C000000,

  0x30000000, 0x34000000, 0x38000000, 0x3C000000,

  0x40000000, 0x44000000, 0x48000000, 0x4C000000,

  0x50000000, 0x54000000, 0x58000000, 0x5C000000,

  0x60000000, 0x64000000, 0x68000000, 0x6C000000,

  0x70000000, 0x74000000, 0x78000000, 0x7C000000,

  0x80000000, 0x84000000, 0x88000000, 0x8C000000,

  0x90000000, 0x94000000, 0x98000000, 0x9C000000,

  0xA0000000, 0xA4000000, 0xA8000000, 0xAC000000,

  0xB0000000, 0xB4000000, 0xB8000000, 0xBC000000,

  0xC0000000, 0xC4000000, 0xC8000000, 0xCC000000,

  0xD0000000, 0xD4000000, 0xD8000000, 0xDC000000,

  0xE0000000, 0xE4000000, 0xE8000000, 0xEC000000,

  0xF0000000, 0xF4000000, 0xF8000000, 0xFC000000]



test_q_angle_cmsis_dsp = [  0x00000000, 0x02000000, 0x04000000, 0x06000000,

  0x08000000, 0x0A000000, 0x0C000000, 0x0E000000,

  0x10000000, 0x12000000, 0x14000000, 0x16000000,

  0x18000000, 0x1A000000, 0x1C000000, 0x1E000000,

  0x20000000, 0x22000000, 0x24000000, 0x26000000,

  0x28000000, 0x2A000000, 0x2C000000, 0x2E000000,

  0x30000000, 0x32000000, 0x34000000, 0x36000000,

  0x38000000, 0x3A000000, 0x3C000000, 0x3E000000,

  0x40000000, 0x42000000, 0x44000000, 0x46000000,

  0x48000000, 0x4A000000, 0x4C000000, 0x4E000000,

  0x50000000, 0x52000000, 0x54000000, 0x56000000,

  0x58000000, 0x5A000000, 0x5C000000, 0x5E000000,

  0x60000000, 0x62000000, 0x64000000, 0x66000000,

  0x68000000, 0x6A000000, 0x6C000000, 0x6E000000,

  0x70000000, 0x72000000, 0x74000000, 0x76000000,

  0x78000000, 0x7A000000, 0x7C000000, 0x7E000000]



test_q_ref_sin = [  0x00000000, 0x0C8BD35E, 0x18F8B83C, 0x25280C5D,

  0x30FBC54D, 0x3C56BA70, 0x471CECE6, 0x5133CC94,

  0x5A827999, 0x62F201AC, 0x6A6D98A4, 0x70E2CBC6,

  0x7641AF3C, 0x7A7D055B, 0x7D8A5F3F, 0x7F62368F,

  0x80000000, 0x7F62368F, 0x7D8A5F3F, 0x7A7D055B,

  0x7641AF3C, 0x70E2CBC6, 0x6A6D98A4, 0x62F201AC,

  0x5A827999, 0x5133CC94, 0x471CECE6, 0x3C56BA70,

  0x30FBC54D, 0x25280C5D, 0x18F8B83C, 0x0C8BD35E,

  0x00000000, 0xF3742CA2, 0xE70747C4, 0xDAD7F3A3,

  0xCF043AB3, 0xC3A94590, 0xB8E3131A, 0xAECC336C,

  0xA57D8667, 0x9D0DFE54, 0x9592675C, 0x8F1D343A,

  0x89BE50C4, 0x8582FAA5, 0x8275A0C1, 0x809DC971,

  0x80000000, 0x809DC971, 0x8275A0C1, 0x8582FAA5,

  0x89BE50C4, 0x8F1D343A, 0x9592675C, 0x9D0DFE54,

  0xA57D8667, 0xAECC336C, 0xB8E3131A, 0xC3A94590,

  0xCF043AB3, 0xDAD7F3A3, 0xE70747C4, 0xF3742CA2]



test_q_ref_cos = [  0x80000000, 0x7F62368F, 0x7D8A5F3F, 0x7A7D055B,

  0x7641AF3C, 0x70E2CBC6, 0x6A6D98A4, 0x62F201AC,

  0x5A827999, 0x5133CC94, 0x471CECE6, 0x3C56BA70,

  0x30FBC54D, 0x25280C5D, 0x18F8B83C, 0x0C8BD35E,

  0x00000000, 0xF3742CA2, 0xE70747C4, 0xDAD7F3A3,

  0xCF043AB3, 0xC3A94590, 0xB8E3131A, 0xAECC336C,

  0xA57D8667, 0x9D0DFE54, 0x9592675C, 0x8F1D343A,

  0x89BE50C4, 0x8582FAA5, 0x8275A0C1, 0x809DC971,

  0x80000000, 0x809DC971, 0x8275A0C1, 0x8582FAA5,

  0x89BE50C4, 0x8F1D343A, 0x9592675C, 0x9D0DFE54,

  0xA57D8667, 0xAECC336C, 0xB8E3131A, 0xC3A94590,

  0xCF043AB3, 0xDAD7F3A3, 0xE70747C4, 0xF3742CA2,

  0x00000000, 0x0C8BD35E, 0x18F8B83C, 0x25280C5D,

  0x30FBC54D, 0x3C56BA70, 0x471CECE6, 0x5133CC94,

  0x5A827999, 0x62F201AC, 0x6A6D98A4, 0x70E2CBC6,

  0x7641AF3C, 0x7A7D055B, 0x7D8A5F3F, 0x7F62368F]



test_q_cordic_result = [0x00000600, 0x7FFFFE00,

0x0C8BD600, 0x7F623100,

0x18F8B700, 0x7D8A5A00,

0x25280600, 0x7A7D0700,

0x30FBC900, 0x7641A800,

0x3C56B400, 0x70E2CA00,

0x471CEC00, 0x6A6D9900,

0x5133C500, 0x62F20400,

0x5A827600, 0x5A827900,

0x62F20600, 0x5133C300,

0x6A6D9900, 0x471CEC00,

0x70E2CA00, 0x3C56B400,

0x7641AC00, 0x30FBC300,

0x7A7D0700, 0x25280600,

0x7D8A5A00, 0x18F8B500,

0x7F623100, 0x0C8BD400,

0x7FFFFF00, 0xFFFFFF00,

0x7F623200, 0xF3742900,

0x7D8A5B00, 0xE7074A00,

0x7A7D0800, 0xDAD7F100,

0x7641A800, 0xCF043C00,

0x70E2CB00, 0xC3A94B00,

0x6A6D9900, 0xB8E31100,

0x62F20400, 0xAECC3200,

0x5A827A00, 0xA57D8500,

0x5133C400, 0x9D0E0300,

0x471CED00, 0x95926A00,

0x3C56B500, 0x8F1D3700,

0x30FBC400, 0x89BE5500,

0x25280500, 0x85830100,

0x18F8B400, 0x8275A400,

0x0C8BD300, 0x809DCF00,

0xFFFFFA00, 0x80000200,

0xF3742A00, 0x809DCF00,

0xE7074900, 0x8275A600,

0xDAD7FA00, 0x8582F900,

0xCF043700, 0x89BE5800,

0xC3A94C00, 0x8F1D3600,

0xB8E31400, 0x95926700,

0xAECC3B00, 0x9D0DFC00,

0xA57D8A00, 0xA57D8700,

0x9D0DFA00, 0xAECC3D00,

0x95926700, 0xB8E31400,

0x8F1D3600, 0xC3A94C00,

0x89BE5400, 0xCF043D00,

0x8582F900, 0xDAD7FA00,

0x8275A600, 0xE7074B00,

0x809DCF00, 0xF3742C00,

0x80000100, 0x00000100,

0x809DCE00, 0x0C8BD700,

0x8275A500, 0x18F8B600,

0x8582F800, 0x25280F00,

0x89BE5800, 0x30FBC400,

0x8F1D3500, 0x3C56B500,

0x95926700, 0x471CEF00,

0x9D0DFC00, 0x5133CE00,

0xA57D8600, 0x5A827B00,

0xAECC3C00, 0x62F1FD00,

0xB8E31300, 0x6A6D9600,

0xC3A94B00, 0x70E2C900,

0xCF043C00, 0x7641AB00,

0xDAD7FB00, 0x7A7CFF00,

0xE7074C00, 0x7D8A5C00,

0xF3742D00, 0x7F623100,]



test_q_cmsis_result = [0x00000000, 0x7FFFFFFE,

0x0C8BD35E, 0x7F62368E,

0x18F8B83C, 0x7D8A5F40,

0x25280C5E, 0x7A7D055A,

0x30FBC54C, 0x7641AF3C,

0x3C56BA70, 0x70E2CBC6,

0x471CECE6, 0x6A6D98A4,

0x5133CC94, 0x62F201AC,

0x5A82799A, 0x5A82799A,

0x62F201AC, 0x5133CC94,

0x6A6D98A4, 0x471CECE6,

0x70E2CBC6, 0x3C56BA70,

0x7641AF3C, 0x30FBC54C,

0x7A7D055A, 0x25280C5E,

0x7D8A5F40, 0x18F8B83C,

0x7F62368E, 0x0C8BD35E,

0x7FFFFFFE, 0x00000000,

0x7F62368E, 0xF3742CA2,

0x7D8A5F40, 0xE70747C4,

0x7A7D055A, 0xDAD7F3A2,

0x7641AF3C, 0xCF043AB2,

0x70E2CBC6, 0xC3A94590,

0x6A6D98A4, 0xB8E31318,

0x62F201AC, 0xAECC336C,

0x5A82799A, 0xA57D8666,

0x5133CC94, 0x9D0DFE54,

0x471CECE6, 0x9592675C,

0x3C56BA70, 0x8F1D343A,

0x30FBC54C, 0x89BE50C2,

0x25280C5E, 0x8582FAA4,

0x18F8B83C, 0x8275A0C0,

0x0C8BD35E, 0x809DC970,

0x00000000, 0x80000000,

0xF3742CA2, 0x809DC970,

0xE70747C4, 0x8275A0C0,

0xDAD7F3A2, 0x8582FAA4,

0xCF043AB2, 0x89BE50C2,

0xC3A94590, 0x8F1D343A,

0xB8E31318, 0x9592675C,

0xAECC336C, 0x9D0DFE54,

0xA57D8666, 0xA57D8666,

0x9D0DFE54, 0xAECC336C,

0x9592675C, 0xB8E31318,

0x8F1D343A, 0xC3A94590,

0x89BE50C2, 0xCF043AB2,

0x8582FAA4, 0xDAD7F3A2,

0x8275A0C0, 0xE70747C4,

0x809DC970, 0xF3742CA2,

0x80000000, 0x00000000,

0x809DC970, 0x0C8BD35E,

0x8275A0C0, 0x18F8B83C,

0x8582FAA4, 0x25280C5E,

0x89BE50C2, 0x30FBC54C,

0x8F1D343A, 0x3C56BA70,

0x9592675C, 0x471CECE6,

0x9D0DFE54, 0x5133CC94,

0xA57D8666, 0x5A82799A,

0xAECC336C, 0x62F201AC,

0xB8E31318, 0x6A6D98A4,

0xC3A94590, 0x70E2CBC6,

0xCF043AB2, 0x7641AF3C,

0xDAD7F3A2, 0x7A7D055A,

0xE70747C4, 0x7D8A5F40,

0xF3742CA2, 0x7F62368E,]



def main():

    f_output = open(TEST_CSV_FILE, mode='wb')



    # The CORDIC Q Format input

    tmp_str = ("The CORDIC Q Format input\n")

    f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))

    

    for q in test_q_angle_cordic:

        if(q > INT32_MAX):

            q = q - (1<<32)

        f = q/(1<<31)

        tmp_str = ("%08X , %f\n" % (q, f))

        f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))            

        pass

    

    tmp_str = ("\n")

    f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))



    # The CMSIS DSP Q Format input

    tmp_str = ("The CMSIS DSP Q Format input\n")

    f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))    

    for q in test_q_angle_cmsis_dsp:

        if(q > INT32_MAX):

            q = q - (1<<32)        

        f = q/(1<<31)

        tmp_str = ("%08X , %f\n" % (q, f))

        f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))

        pass    

    pass



    tmp_str = ("\n")

    f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))



    # The Ref Sine Q Format input

    tmp_str = ("The Ref Sine Q Format input\n")

    f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))     

    for q in test_q_ref_sin:

        if(q > INT32_MAX):

            q = q - (1<<32)        

        f = q/(1<<31)

        tmp_str = ("%08X , %f\n" % (q, f))

        f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))

        pass    

    pass

    tmp_str = ("\n")

    f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))



    # The Ref Cos Q Format input

    tmp_str = ("The Ref Cos Q Format input\n")

    f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))    

    for q in test_q_ref_cos:

        if(q > INT32_MAX):

            q = q - (1<<32)        

        f = q/(1<<31)

        tmp_str = ("%08X , %f\n" % (q, f))

        f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))

        pass    

    pass

    tmp_str = ("\n")

    f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))



    # The Result of Cordic Calculation    

    tmp_str = ("The Result of Cordic Calculation\n")

    f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))

    res_len = len(test_q_cordic_result)

    for i in range(res_len//2):

        q = test_q_cordic_result[2*i]

        r = test_q_cordic_result[1 + (2*i)]

        

        if(q > INT32_MAX):

            q = q - (1<<32)        

        f = q/(1<<31)

        if(r > INT32_MAX):

            r = r - (1<<32)        

        g = r/(1<<31)

        

        tmp_str = ("%08X , %f, %08X , %f\n" % (q, f, r, g))

        f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))

        pass    

    pass

    tmp_str = ("\n")

    f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))



    # The Result of CMSIS DSP Calculation    

    tmp_str = ("The Result of CMSIS DSP Calculation\n")

    f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))

    res_len = len(test_q_cmsis_result)

    for i in range(res_len//2):

        q = test_q_cordic_result[2*i]

        r = test_q_cordic_result[1 + (2*i)]

        

        if(q > INT32_MAX):

            q = q - (1<<32)        

        f = q/(1<<31)

        if(r > INT32_MAX):

            r = r - (1<<32)        

        g = r/(1<<31)

        

        tmp_str = ("%08X , %f, %08X , %f\n" % (q, f, r, g))

        f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))

        pass    

    pass

    tmp_str = ("\n")

    f_output.write(bytes(tmp_str, encoding="ansi"))



    #Generate Ref Sine output

    print("The generated sine result")

    for i in range(ARRAY_SIZE):

        ang = (i * math.pi * 2)/ARRAY_SIZE



        d_sin_res = math.sin(ang)

        q_1_31_t = int(d_sin_res * (UINT32_MAX) / 2)

        if(q_1_31_t < 0):

            q_1_31_t = q_1_31_t + (1<<32)

        #print("0x%08X, %f" % (q_1_31_t, d_sin_res))

        print("0x%08X, " % q_1_31_t, end='')

        if(0 == (i+1)%4):

            print()

        pass

    print()

    

    print("The generated cos result")

    for i in range(ARRAY_SIZE):

        ang = (i * math.pi * 2)/ARRAY_SIZE

        

        d_cos_res = math.cos(ang)

        q_1_31_t = int(d_cos_res * (UINT32_MAX) / 2)

        if(q_1_31_t < 0):

            q_1_31_t = q_1_31_t + (1<<32)

        #print("0x%08X, %f" % (q_1_31_t, d_cos_res))

        print("0x%08X, " % q_1_31_t, end='')

        if(0 == (i+1)%4):

            print()

        pass

    print()

     

if __name__ == '__main__':

    main()

这些都有点枯燥, 但是用起来的话, 理解其实很容易.下面来做个简单的CORDIC运算的例子:

把[0,2PI]也就是一个圆的弧度空间分为64个点, 求每个点的正弦值.

首先把CORDIC外设打开:

图CORDIC配置配置就这么简单, 测试代码摘要如下, 整个工程代码在后文有下载连接.

发表于 2019-9-7 15:59

复制

/* Array of angles in Q1.31 format, regularly incremented from 0 to 2*pi */

static int32_t aAngles[ARRAY_SIZE] =

{

  0x00000000, 0x04000000, 0x08000000, 0x0C000000,

  0x10000000, 0x14000000, 0x18000000, 0x1C000000,

  0x20000000, 0x24000000, 0x28000000, 0x2C000000,

  0x30000000, 0x34000000, 0x38000000, 0x3C000000,

  0x40000000, 0x44000000, 0x48000000, 0x4C000000,

  0x50000000, 0x54000000, 0x58000000, 0x5C000000,

  0x60000000, 0x64000000, 0x68000000, 0x6C000000,

  0x70000000, 0x74000000, 0x78000000, 0x7C000000,

  0x80000000, 0x84000000, 0x88000000, 0x8C000000,

  0x90000000, 0x94000000, 0x98000000, 0x9C000000,

  0xA0000000, 0xA4000000, 0xA8000000, 0xAC000000,

  0xB0000000, 0xB4000000, 0xB8000000, 0xBC000000,

  0xC0000000, 0xC4000000, 0xC8000000, 0xCC000000,

  0xD0000000, 0xD4000000, 0xD8000000, 0xDC000000,

  0xE0000000, 0xE4000000, 0xE8000000, 0xEC000000,

  0xF0000000, 0xF4000000, 0xF8000000, 0xFC000000

};



/* Array of reference sines in Q1.31 format */

static int32_t aRefSin[ARRAY_SIZE] =

{

  0x00000000, 0x0C8BD35E, 0x18F8B83C, 0x25280C5D,

  0x30FBC54D, 0x3C56BA70, 0x471CECE6, 0x5133CC94,

  0x5A827999, 0x62F201AC, 0x6A6D98A4, 0x70E2CBC6,

  0x7641AF3C, 0x7A7D055B, 0x7D8A5F3F, 0x7F62368F,

  0x80000000, 0x7F62368F, 0x7D8A5F3F, 0x7A7D055B,

  0x7641AF3C, 0x70E2CBC6, 0x6A6D98A4, 0x62F201AC,

  0x5A827999, 0x5133CC94, 0x471CECE6, 0x3C56BA70,

  0x30FBC54D, 0x25280C5D, 0x18F8B83C, 0x0C8BD35E,

  0x00000000, 0xF3742CA2, 0xE70747C4, 0xDAD7F3A3,

  0xCF043AB3, 0xC3A94590, 0xB8E3131A, 0xAECC336C,

  0xA57D8667, 0x9D0DFE54, 0x9592675C, 0x8F1D343A,

  0x89BE50C4, 0x8582FAA5, 0x8275A0C1, 0x809DC971,

  0x80000000, 0x809DC971, 0x8275A0C1, 0x8582FAA5,

  0x89BE50C4, 0x8F1D343A, 0x9592675C, 0x9D0DFE54,

  0xA57D8667, 0xAECC336C, 0xB8E3131A, 0xC3A94590,

  0xCF043AB3, 0xDAD7F3A3, 0xE70747C4, 0xF3742CA2

};

复制

  /*## Configure the CORDIC peripheral ####################################*/

  sCordicConfig.Function         = CORDIC_FUNCTION_SINE;     /* sine function */

  sCordicConfig.Precision        = CORDIC_PRECISION_6CYCLES; /* max precision for q1.31 sine */

  sCordicConfig.Scale            = CORDIC_SCALE_0;           /* no scale */

  sCordicConfig.NbWrite          = CORDIC_NBWRITE_1;         /* One input data: angle. Second input data (modulus) is 1 after cordic reset */

  sCordicConfig.NbRead           = CORDIC_NBREAD_1;          /* One output data: sine */

  sCordicConfig.InSize           = CORDIC_INSIZE_32BITS;     /* q1.31 format for input data */

  sCordicConfig.OutSize          = CORDIC_OUTSIZE_32BITS;    /* q1.31 format for output data */



  if (HAL_CORDIC_Configure(&hcordic, &sCordicConfig) != HAL_OK)

  {

    /* Configuration Error */

                assert(0);

    Error_Handler();

  }



  /*## Start calculation of sines in DMA mode #############################*/

  if (HAL_CORDIC_Calculate_DMA(&hcordic, aAngles, aCalculatedSin,

                               ARRAY_SIZE, CORDIC_DMA_DIR_IN_OUT) != HAL_OK)

  {

    /* Processing Error */

                assert(0);

    Error_Handler();

  }



  /*  Before starting a new process, you need to check the current state of the peripheral;

      if it’s busy you need to wait for the end of current transfer before starting a new one.

      For simplicity reasons, this example is just waiting till the end of the

      process, but application may perform other tasks while transfer operation

      is ongoing. */

  while (HAL_CORDIC_GetState(&hcordic) != HAL_CORDIC_STATE_READY)

  {

  }

做CORDIC运算的步骤一般是先把输入归一化到Q31.1的范围内,将输入喂给CORDIC等待运算完成又将Q31.1格式的结果转化为其他格式,如浮点数或者直接使用.

发表于 2019-9-7 16:02

软件-Benchmark

为了体现CORDIC运算的优越性, 这里来个简单的Benchmark.

运算目标:

把[0,2PI]也就是一个圆的弧度空间分为64个点, 求每个点的正弦值和余弦值.

这个目标对CORDIC有点偏向, 因为CORDIC可以同时计算出正弦值和余弦值, 不过这也正是它的优势. 还需要再提一句, CORDIC只能输入定点数,所以计算前后一般都要做转换, 比起FPU和浮点库都是占有一定便宜, 但是绝对公平难以实现, 这个Benchmark也就是一个参考吧.

参赛选手:

1. CORDIC单元
2. CMSIS DSP库(CMSISDSP库可能以后会修改到自适应到利用CORDIC,但目前还都是软件实现).
3. 单精度FPU
4. 双精度软件浮点库

友情选手3S. 单精度软件浮点库(要把FPU关闭掉)

部分测试代码, 完整测试工程可以在后文下载连接中找:

复制

  /*## Configure the CORDIC peripheral ####################################*/

  sCordicConfig.Function         = CORDIC_FUNCTION_SINE;     /* sine function */

  sCordicConfig.Precision        = CORDIC_PRECISION_6CYCLES; /* max precision for q1.31 sine */

  sCordicConfig.Scale            = CORDIC_SCALE_0;           /* no scale */

  sCordicConfig.NbWrite          = CORDIC_NBWRITE_1;         /* One input data: angle. Second input data (modulus) is 1 after cordic reset */

  sCordicConfig.NbRead           = CORDIC_NBREAD_2;          /* Two output data: sine then cosine */

  sCordicConfig.InSize           = CORDIC_INSIZE_32BITS;     /* q1.31 format for input data */

  sCordicConfig.OutSize          = CORDIC_OUTSIZE_32BITS;    /* q1.31 format for output data */



  if (HAL_CORDIC_Configure(&hcordic, &sCordicConfig) != HAL_OK) {

    /* Configuration Error */

                assert(0);

    Error_Handler();

  }



        /*################### Calculation using CORDIC #######################*/        

        start_ticks = HAL_GetTick();

        for (uint32_t i = 0; i < LOOP_NB; i++) {        

                if (HAL_CORDIC_Calculate_DMA(&hcordic, aAnglesCordic, aResults,

                                                                                                                                 ARRAY_SIZE, CORDIC_DMA_DIR_IN_OUT) != HAL_OK) {

                        /* Processing Error */

                        assert(0);

                        Error_Handler();

                }



                /*  Before starting a new process, you need to check the current state of the peripheral;

                                if it’s busy you need to wait for the end of current transfer before starting a new one.

                                For simplicity reasons, this example is just waiting till the end of the

                                process, but application may perform other tasks while transfer operation

                                is ongoing. */

                while (HAL_CORDIC_GetState(&hcordic) != HAL_CORDIC_STATE_READY) {

                }

        }

        end_ticks = HAL_GetTick();



   /* Compare calculated results to the reference values */

   for (uint32_t i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) {                 

//                 printf("0x%08X, 0x%08X,\n", aResults[2*i], aResults[(2*i) + 1]);

     if ((Check_Residual_Error(aResults[2*i], aRefSin[i], DELTA) == FAIL) ||

         (Check_Residual_Error(aResults[(2*i) + 1], aRefCos[i], DELTA) == FAIL)) {

       Error_Handler();

     }

   }



  /* Correct CORDIC output values: Turn LED2 on */

  BSP_LED_On(LED2);        

        printf("Correct CORDIC output[%u-%u = %u]\n",

        start_ticks,

        end_ticks,

        end_ticks-start_ticks);

                

        /*################### Calculation using CMSIS DSP library #############*/

        start_ticks = HAL_GetTick();

        for (uint32_t i = 0; i < LOOP_NB; i++) {

                for (uint32_t j = 0; j < ARRAY_SIZE; j++) {

                        /* Calculate sine */

                        aResults[2*j] = arm_sin_q31(aAnglesLib[j]);



                        /* Calculate cosine */

                        aResults[(2*j) + 1] = arm_cos_q31(aAnglesLib[j]);

                }

        }        

        end_ticks = HAL_GetTick();



   /* Compare calculated results to the reference values */

   for (uint32_t i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) {

//                 printf("0x%08X, 0x%08X,\n", aResults[2*i], aResults[(2*i) + 1]);

     if ((Check_Residual_Error(aResults[2*i], aRefSin[i], DELTA) == FAIL) ||

         (Check_Residual_Error(aResults[(2*i) + 1], aRefCos[i], DELTA) == FAIL)) {

       Error_Handler();

     }

   }



  /* Correct output values: Turn LED2 on */

  BSP_LED_On(LED2);        

        printf("Correct CMSIS DSP output[%u-%u = %u]\n",

        start_ticks,

        end_ticks,

        end_ticks-start_ticks);        

        /*################### Calculation using FPU(Single Precision) #############*/

         //Generate the radian angle

        float angle_floats[ARRAY_SIZE];

        for(uint32_t i=0; i<ARRAY_SIZE; ++i) {

                angle_floats[i] = (i * PI * 2)/ARRAY_SIZE;

        }

        

        start_ticks = HAL_GetTick();

        for (uint32_t i = 0; i < LOOP_NB; i++) {

                for (uint32_t j = 0; j < ARRAY_SIZE; j++) {

                        /* Calculate sine */

                        aResults[2*j] = sinf(angle_floats[j]);



                        /* Calculate cosine */

                        aResults[(2*j) + 1] = cosf(angle_floats[j]);

                }

        }        

        end_ticks = HAL_GetTick();



  /* Correct output values: Turn LED2 on */

  BSP_LED_On(LED2);        

        printf("Correct FPU Single precision output[%u-%u = %u]\n",

        start_ticks,

        end_ticks,

        end_ticks-start_ticks);                

        

        /*################### Calculation using soft float library(Double Precision) #############*/

         //Generate the radian angle

        double angle_doubles[ARRAY_SIZE];

        for(uint32_t i=0; i<ARRAY_SIZE; ++i) {

                angle_doubles[i] = (i * PI * 2)/ARRAY_SIZE;

        }

        

        start_ticks = HAL_GetTick();

        for (uint32_t i = 0; i < LOOP_NB; i++) {

                for (uint32_t j = 0; j < ARRAY_SIZE; j++) {

                        /* Calculate sine */

                        aResults[2*j] = sin(angle_doubles[j]);



                        /* Calculate cosine */

                        aResults[(2*j) + 1] = cos(angle_doubles[j]);

                }

        }        

        end_ticks = HAL_GetTick();



  /* Correct output values: Turn LED2 on */

  BSP_LED_On(LED2);        

        printf("Correct Soft float point double precision output[%u-%u = %u]\n",

        start_ticks,

        end_ticks,

        end_ticks-start_ticks);

发表于 2019-9-7 16:03

本帖最后由 zhanzr21 于 2019-9-7 16:04 编辑

结果(使能FPU)

复制

Correct CORDIC output[0-39 = 39]



Correct CMSIS DSP output[39-159 = 120]



Correct FPU Single precision output[160-412 = 252]



Correct Soft float point double precision output[412-9882 = 9470]

结果(禁止FPU)

复制

Cordic Test 1, 410FC241 170000000



Correct CORDIC output[0-39 = 39]



Correct CMSIS DSP output[39-159 = 120]

Correct FPU Single precision output[160-2451 = 2291]



Correct Soft float point double precision output[2451-10774 = 8323]

在禁止FPU后双精度的软件模拟运算性能也有所提升, 这应该有些浮点运算的基本库已经做了初始化导致的.

用图表来直观感受下差距:

结束语,参考与下载连接

STM32G4系列还有一个重要的硬件加速单元FMA, 专业服务于滤波器的, 篇幅与时间原因,本次先不讨论. 留着下次吃.

参考页面:

所有测试工程代码下载: https://github.com/zhanzr/stm32g431rb-demo.git注意一个branch是一个实验.

STM32G4官方页面: https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32g4-series.html

CORDIC数学介绍页面: http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.dui0066d/CHDFAAEI.html

https://en.wikibooks.org/wiki/Digital_Circuits/CORDIC

https://dspguru.com/dsp/faqs/cordic/

https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/an-introduction-to-the-cordic-algorithm/

发表于 2019-9-8 14:05

仿真器比板子贵了啊

发表于 2019-9-8 19:30

icecut 发表于 2019-9-8 14:05
仿真器比板子贵了啊

应该很快就能看到附带F723仿真器的STM32F0/L0/G0的板子

反正这买卖ST不打算挣钱,不如搞个扩展可能性强的仿真器芯片, 这样固件升级余地很大, 软件开发便利了也是节约成本.

发表于 2019-9-8 23:32

zhanzr21 发表于 2019-9-8 19:30
应该很快就能看到附带F723仿真器的STM32F0/L0/G0的板子

这个仿真器可是usbhs的, st对hs一直不舍得钱. 要是价格不贵把仿真器二次开发更有意义.

发表于 2019-9-14 17:05

看起来功能够强大，不知道性价比如何

发表于 2019-9-14 19:30

仿真器一下子大方起来了。

发表于 2019-10-9 16:51

论坛有送板子活动？

发表于 2019-10-24 11:43

STM32系列之所以在工程师心中有这么高的人气, 很大一个原因就是开发生态非常完善. 从初学者到高手, 都能很快上手, 很快开始自己的学习和工程设计.

发表于 2019-10-24 14:40

zhanzr21 发表于 2019-9-7 16:03
结果(使能FPU)结果(禁止FPU)
在禁止FPU后双精度的软件模拟运算性能也有所提升, 这应该有些浮点运算的基本库 ...

版主，FMAC什么时候更新啊？

发表于 2019-10-28 22:21

whhzlwea 发表于 2019-10-24 14:40
版主，FMAC什么时候更新啊？

你用到这功能没有
我想写, 怕没有多少人用到这功能, 要是有人用到这功能我就找个周末写了.

Cordic这功能好像用的工程师就不多.

发表于 2019-12-2 09:34

看了这么多好像也有点模糊；楼主这个做伺服电机驱动控制可靠吗？仿真器怎么搞价格上呢？

发表于 2019-12-2 19:41

zhanzr21 发表于 2019-10-28 22:21
你用到这功能没有
我想写, 怕没有多少人用到这功能, 要是有人用到这功能我就找个周末写了.

用到了。

[开发工具] 向数字信号处理器更进一步-STM32G431RB Nucleo开发板评测

评论

相关帖子

浏览过的版块

技术新星奖章

技术领袖奖章

荣誉元老奖章

坚毅之洋流

十世金身

社区建设奖章

湍急之河流

七世轮回

技术奇才奖章

终身成就奖章

以坛为家

欢快之小溪