STM32 HAL库 CUBEMX FPU 和 DSP库 使用

FPU 简介

• FPU 即浮点运算单元（Float Point Unit）。浮点运算，对于定点 CPU（没有 FPU 的 CPU）来说必须要按照IEEE-754 标准的算法来完成运算，是相当耗费时间的。而对于有 FPU 的 CPU来说，浮点运算则只是几条指令的事情，速度相当快。
• STM32F4 属于 Cortex M4F 架构，带有 32 位单精度硬件 FPU，支持浮点指令集，相对于 Cortex M0 和Cortex M3 等，高出数十倍甚至上百倍的运算性能。 STM32F4 硬件上要开启 FPU是很简单的，通过一个叫：协处理器控制寄存器（CPACR）的寄存器设置即可开启 STM32F4 的硬件 FPU。

简单来说，FPU是集成在STM32F4系列以上的一个专用浮点运算处理器，相当于我们电脑中专门用于处理图像计算的GPU，在处理浮点运算时，速度比CPU处理要快几十倍，是一种专用型的处理单元。在STM32 F4系列中，带有该单元，我们只需要设置 CPACR 寄存器即可。

DSP 简介

• STM32F429 采用 Cortex-M4 内核，相比 Cortex-M3 系列除了内置硬件 FPU 单元，在数字信号处理方面还增加了DSP 指令集，支持诸如单周期乘加指令（MAC），优化的单指令多数据指令（SIMD），饱和算数等多种数字信号处理指令集。相比Cortex-M3，Cortex-M4 在数字信号处理能力方面得到了大大的提升。Cortex-M4 执行所有的 DSP指令集都可以在单周期内完成，而 Cortex-M3 需要多个指令和多个周期才能完成同样的功能。

DSP （数字信号处理），FPU是硬件，ST提供了FPU的库叫做DSP库，用于FPU的使用。DSP库之于FPU就如同 HAL库 之于 STM32 一样，是ST公司为硬件所开发的软件库。

工程中开启FPU和DSP库移植

1. CUBEMX生成包含DSP库的代码

在生成工程的 Project Manager 选项卡中，一定要选择 Copy all used libraries into the project folder 这样 CUBEMX才会复制DSP库到工程文件夹中。

2. 在KEIL中开启FPU

在HAL库中 FPU的开启与否在 Drivers/CMSIS system_stm32f4xx.c 中的

SystemInit 函数

  /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
  #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
    SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2));  /* set CP10 and CP11 Full Access */
  #endif

2. 1 KEIL中开启FPU

Target 选项中 Floating Point Hardware 选项选择 Single Precision 开启浮点运算单元。

2. 2 KEIL中添加定义

根据该定义我们在KEIL的全局定义中加上宏定义即可

__FPU_PRESENT // FPU状态
__FPU_USED // FPU使用标志

另外还需要添加几个必须宏

ARM_MATH_CM4 //在Cortex-M4目标上构建库 
__CC_ARM //ARM

可选宏

ARM_MATH_ROUNDING //用于舍入支持功能
ARM_MATH_MATRIX_CHECK //检查矩阵的输入和输出大小

因此总计需要添加如下宏

,__FPU_PRESENT=1,__FPU_USED=1,ARM_MATH_CM4,__CC_ARM

3. 添加DSP库

CUBEMX生成之后，DSP库位于 工程目录/Driver/CMSIS/DSP
DSP文件夹 中包含了所有 DSP库 的源文件。

进入Source文件夹，是所有 DSP 库的源码。

函数	解释
BasicMathFunctions	基本数学函数：提供浮点数的各种基本运算函数，如向量加减乘除等运算。
CommonTables	arm_common_tables.c 文件提供位翻转或相关参数表。
ComplexMathFunctions	复杂数学功能，如向量处理，求模运算的。
ControllerFunctions	控制功能函数。包括正弦余弦，PID 电机控制，矢量 Clarke 变换，矢量 Clarke 逆变换等。
FastMathFunctions	快速数学功能函数。提供了一种快速的近似正弦，余弦和平方根等相比 CMSIS 计算库要快的数学函数。
FilteringFunctions	滤波函数功能，主要为 FIR 和 LMS（最小均方根）等滤波函数。
MatrixFunctions	矩阵处理函数。包括矩阵加法、矩阵初始化、矩阵反、矩阵乘法、矩阵规模、矩阵减法、矩阵转置等函数。
StatisticsFunctions	统计功能函数。如求平均值、最大值、最小值、计算均方根 RMS、计算方差/标准差等。
SupportFunctions	支持功能函数，如数据拷贝，Q 格式和浮点格式相互转换，Q 任意格式相互转换。
TransformFunctions	变换功能。包括复数 FFT（CFFT）/复数 FFT 逆运算（CIFFT）、实数 FFT（RFFT）/实数FFT 逆运算（RIFFT）、和 DCT（离散余弦变换）和配套的初始化函数。

所有这些 DSP 库代码合在一起是比较多的，因此，ST 为我们提了.lib 格式的文件，方便使用。这些.lib 文件就是由 Source 文件夹下的源码编译生成的，如果想看某个函数的源码，大家可以在 Source 文件夹下面查找。.lib 格式文件 HAL 库位于：工程目录/Driver/CMSIS/LIB/ARM，
总共有 4 个.lib 文件，如下：
① arm_cortexM4b_math.lib (Cortex-M4 大端模式)
② arm_cortexM4l_math.lib (Cortex-M4 小端模式)
③ arm_cortexM4bf_math.lib (浮点 Cortex-M4 大端模式)
④ arm_cortexM4lf_math.lib (浮点 Cortex-M4 小端模式)
我们得根据所用 MCU 内核类型以及端模式来选择符合要求的.lib 文件，本章我们所用的
STM32F4 属于 CortexM4F 内核，小端模式，应选择：arm_cortexM4lf_math.lib(浮点 Cortex-M4 小端模式)。

因此在KEIL中我们添加 arm_cortexM4lf_math.lib就可以了。

测试

FPU DSP库至此移植完毕 但现在编译会出现警告

warning: #47-D: incompatible redefinition of macro “__FPU_PRESENT”

嗯不影响使用但是作为一个强迫症肯定是忍不了的
暂时先将 warning 改为 no warning 解决问题
待日后有时间了再详细分析分析