HT32 CMSIS-DSP Library 使用指南 - Holtek · HT32 CMSIS-DSP Library使用指南 AN0538TC V1.00 2 / 12 October 18, 2019. 環境建置本章節介紹範例中使用到的硬體與軟體。

HT32 CMSIS-DSP Library 使用指南

AN0538TC V1.00 1 / 12 October 18, 2019


文件編號：AN0538TC

簡介

CMSIS 是由 ARM 制定的一個軟體的標準介面，CMSIS 全名為“Cortex 微控制器標準軟體介

面(Cortex Microcontroller Software Interface Standard)”，透過標準介面開發人員可以使用相同的

介面控制不同供應商的微控制器，進而縮短開發人員的開發與學習時間，詳細內容請參考

CMSIS 官方網站 http://www.keil.com/pack/doc/CMSIS/General/html/index.html。本文主要說明

CMSIS-DSP 應用在 HT32 系列微控制器，包含環境建置、使用說明等內容。

功能說明

CMSIS-DSP 特點

CMSIS-DSP 是 CMSIS 的一個子項目，其特點包括：

1. 專門給 Cortex-M 一套通用的信號處理函數。

2. ARM 提供的函數庫擁有超過 60 個函數。

3. 支援包括 q7、q15、q31 (Note)以及 floating-point(32 bit)資料型態。

4. 針對 Cortex-M4/M7/M33/M35P 對 SIMD 指令實現並最佳化。

Note：函數庫使用命名為 q7、q15、q31，分別代表 8、16、32-bit 定點數。

CMSIS-DSP 函數庫項目

CMSIS-DSP 函數庫可分類為下列幾項：

1. 基礎數學函數\快速數學函數\複雜數學函數。

2. 訊號過濾函數。

3. 矩陣函數。

4. 轉置函數。

5. 馬達控制函數。

6. 統計函數。

7. 支撐函數(Support functions)。

8. 插值函数(Interpolation functions)。

http://www.keil.com/pack/doc/CMSIS/General/html/index.html


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環境建置

本章節介紹範例中使用到的硬體與軟體。

硬體

CMSIS-DSP 支援 HT32 全系列，但建議使用者選用 SRAM 大於 4KB 的 MCU，原因是使用

CMSIS-DSP 的範例需要較大的 SRAM。本文以 ESK32-30501 作為舉例，ESK32-30501 所使用

的 MCU 為 HT32F52352。

軟體

使用範例前請先確認已在盛群官方網站下載最新的 Holtek HT32 Firmware Library，下載位置

如圖 1，下載後請將其解壓縮。

圖 1、HT32 Firmware Library 下載網頁

請透過下方連結下載 CMSIS-DSP 範例程式，此範例程式被打包成一個 ZIP 壓縮檔，檔名為

HT32_APPFW_xxxxx_CMSIS_DSP_vn_m.zip。

下載路徑：http://mcu.holtek.com.tw/ht32/app.fw/CMSIS_DSP/

檔案名稱格式說明請看下圖 2：

圖 2、範例程式檔名介紹

Application Code 範例程式並不包含 Firmware Library 相關檔案，因此在開始編譯前，需將

Application Code 及 Firmware Library 解壓縮的檔案，放置到正確的路徑。

http://mcu.holtek.com.tw/ht32/app.fw/CMSIS_DSP/


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Application Code 包含兩個資料夾分別是 application 與 library，放置路徑如下圖 3，只需將這兩

個資料夾放到 Firmware Library 根目錄下，就可以完成檔案路徑的配置，請參考圖 4。您也可

以選擇將 Application Code 及 Firmware Library 兩個壓縮檔，同時解壓縮到相同路徑，此操作具

有同樣的效果。以此範例來說，解壓縮後在 application 資料夾內會看到 CMSIS_DSP 的目錄。

圖 3、HT32_APPFW_xxxxx_CMSIS_DSP_vn_m.zip 內容

圖 4、解壓縮路徑

檔案結構

Application Code 內主要包含兩個資料夾 library\CMSIS 與 application\CMSIS_DSP，各別說明如下。

Application Code 內的 library\CMSIS 資料夾內容如下。

資料夾名稱說明

DSP_Lib Application FW Source Code

DSP_Lib\Examples

內有多個 CMSIS-DSP 函數庫的標準範例，由 ARM 提供，這些專案

設定皆用模擬的方式執行，因此不需任何 MCU 就可執行程式，使用

者可以透過執行這些範例進而快速學習使用方法。

DSP_Lib\Source CMSIS-DSP 函數庫的原始碼。

Include 使用 CMSIS-DSP 函數庫必需使用的標頭檔。


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Include\arm_common_tables.h 外部(extern)陣列變數的宣告。

Include\arm_const_structs.h 外部常數宣告。

Include\arm_math.h 此檔非常重要，此檔為使用 CMSIS-DSP 函數庫的接口，呼叫任何函

數庫內 API 皆透過 arm_math.h。

Lib\ARM

給 ARMCC 的 CMSIS-DSP 函數庫。

arm_cortexM3l_math.lib (Cortex-M3, Little endian)

arm_cortexM0l_math.lib (Cortex-M0 / M0+, Little endian)

Lib\GCC

給 GCC 的 CMSIS-DSP 函數庫。

libarm_cortexM3l_math.a (Cortex-M3, Little endian)

libarm_cortexM0l_math.a (Cortex-M0 / M0+, Little endian)

application\CMSIS_DSP 內包含使用 HT32 系列 MCU 為平台的 CMSIS_DSP 相關範例，內有多

個範例如下表，並支援 HT32 全系列 IC，開發專案為 Keil 的 MDK_ARM。


arm_class_marks_example 展示取得最大值、最小值、期望值、標準差、變異數和矩陣函數。

arm_convolution_example 透過複數型快速傅立葉轉換( Complex FFT)和支撐函數展示迴積分定理。

arm_dotproduct_example 展示透過向量的乘法與加法取得點積。

arm_fft_bin_example 展示透過複數型快速傅立葉轉換、複數強度(Complex Magnitude)和最

大函數模組來計算輸入信號頻域中最大能量窗口(bin)。

arm_fir_example 展示透過 FIR 實現低通濾波。

arm_graphic_equalizer_example 展示透過圖形均衡器(Graphic Equalizer)來改變音質。

arm_linear_interp_example 展示線性插值模組和快速數學模組的用法。

arm_matrix_example 展示矩陣相關計算，包括轉置矩陣、矩陣乘法和反矩陣。

arm_signal_converge_example 透過 NLMS(Normalized Least Mean Square)、FIR 和基礎數學模型展示可

自我調試的 FIR 低通濾波器。

arm_sin_cos_example 展示三角函數的計算。

arm_variance_example 展示透過基礎數學和支撐函數計算變異數。

filter_iir_high_pass_example 展示透過 IIR 實現高通濾波。

測試

本文將以 application\CMSIS_DSP\arm_class_marks_example 作為測試範例，在測試前請確認

ESK32-30501 是否已接上 PC，並且 Application Code 與 Firmware Library 已在正確的位置。

請打開 application\CMSIS_DSP\arm_class_marks_example，執行_CreateProject.bat，如下圖，執

行結束後請打開 MDK_ARMv5(若 Keilv4 請開啟 MDK_ARM)，可以發現此範例支援全 HT32

系列，我們使用 ESK32-30501，因此開啟專案 Project_52352.uvprojx。

圖 5、產生專案


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開啟專案後請編譯(快捷鍵“F7”)，燒錄(快捷鍵“F8”)，進 Debug(快捷鍵“Ctrl+F5”)，最後執行

(快捷鍵“F5”)。執行的結果請觀察下列變數。

變數名稱資料方向說明執行結果

testMarks_f32 Input 一個 20×4 的陣列。 —

testUnity_f32 Input 一個 4×1 的陣列。 —

testOutput Output 為 testMarks_f32 與 testUnity_f32 的乘積。 {188，229，210…}

max_marks Output 為 testOutput 陣列內元素的最大值。 364

min_marks Output 為 testOutput 陣列內元素的最小值。 156

mean Output 為 testOutput 陣列內元素的期望值。 212.300003

std Output 為 testOutput 陣列內元素的標準差。 50.9128189

var Output 為 testOutput 陣列內元素的變異數。 2592.11523

使用說明

整合

本章節將介紹如何整合 CMSIS-DSP 到使用者的專案。

步驟 1：

首先在專案的設定內加入新的 Define 符號，M0 請加入“ARM_MATH_CM0PLUS”，M3 請

加入“ARM_MATH_CM3”設定步驟為(1)Options of Target(快捷鍵“Alt+F7”)，(2)選 C/C++的頁

籤，(3)在 Define 加入新的定義。如下圖。

圖 6、加新 define


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步驟 2：

增加 Include 路徑，同樣在 C/C++的頁籤，請點選 Include Paths 旁邊的按鈕，將彈出 Include

路徑的視窗，請增加新路徑“..\..\..\..\library\CMSIS\Include”。如下圖。

圖 7、加新 include 路徑

步驟 3(Option)：

加入函數庫，請點選按鈕 Manage Project Items 如下圖，若是找不到此鈕可以點選 Window

→ Reset View to Defaults → Reset，此時 IDE 會將視窗配置回到 Default 設定，就可以找到

按鈕 Manage Project Item。

圖 8、加新資料夾 1


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透過下圖紅框內的功能增加“CMSIS-DSP”資料夾，並透過上移的功能將其移到 CMSIS 下

方，完成後關閉 Manage Project Item。


Step 4：

快速點擊兩下左邊樹狀圖的 CMSIS-DSP 資料夾(若是跳過 Step3，請任意找個資料夾，例

如：User 或 CMSIS 等)，並加入 CMSIS-DSP 函數庫，如果是 M0+請選\library\CMSIS\Lib\

ARM\arm_cortexM0l_math.lib，若是 M3 請選\library\CMSIS\Lib\ARM\arm_cortexM3l_math.lib，

完成後會在 CMSIS-DSP 資料夾內發現函數庫 arm_cortexMxl_math.lib，如下圖。



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Step5：

最後請在 main.c 將標頭檔“arm_math.h”加入，如下圖，此時完成所有的整合設定。

圖 11、加入“arm_math.h”

Low Pass Filter – FIR

此章節將介紹 applcation\CMSIS_DSP\arm_fir_example，透過此範例來展示如何設定 FIR 濾波

器，並透過 FIR 濾波器移除高頻訊號。輸入訊號由 1kHz 的弦波與 15kHz 的弦波組成，訊號

的取樣頻率 48kHz，透過 FIR 低通濾波器將 6kHz 以上的訊號移除，使其輸出 1kHz 的訊號。

範例的程式可以分成幾個部分：

1. 初始化，初始化 FIR，使用到的 API 如下：

void arm_fir_init_f32 (arm_fir_instance_f32 *S, uint16_t numTaps, float32_t *pCoeffs,

float32_t *pState, uint32_t blockSize);

S：FIR 濾波器的結構。

numTaps：濾波器的階數(濾波器係數的個數)，此範例 numTaps =29。

pCoeffs：濾波器的係數，此範例共 29 個，由 MATLAB 計算而得。

pState：狀態指標。

blockSize：代表一次處理的樣本數。

2. 低通濾波，透過呼叫 FIR 的 API，每次處理 32 個樣本，總共處理 320 個樣本，使用到的

API 如下：

void arm_fir_f32 (const arm_fir_instance_f32 *S, float32_t *pSrc, float32_t *pDst, uint32_t

blockSize);

S：FIR 濾波器的結構。

pSrc：輸入訊號，此範例輸入 1kHz 與 15kHz 的混合訊號。

pDst：輸出訊號，我們預期輸出 1kHz 訊號。



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3. 資料驗證，透過 MATLAB 取得濾波的結果作為參考值，並透過 CMSIS-DSP 濾波的結果

為實際值，兩個結果來比較，目的為驗證輸出結果是否正確。

float arm_snr_f32(float *pRef, float *pTest, uint32_t buffSize)

pRef：參考值，由 MATLAB 產生。

pTest：實際值，由 CMSIS-DSP 產生。


執行結果如下圖，Input 是過濾波器之前，Output 是經過濾波後的結果，Y 軸為訊號的振

幅，樣本的取樣頻率是 48kHz，因此 X 軸數字加一，代表時間加 20.833us(48kHz)。從圖

12 與圖 13 比較可以發現 15kHz 被消除，只剩 1kHz 的訊號。

圖 12、Input data

圖 13、Output data


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High Pass Filter – IIR

此章節將介紹 applcation\CMSIS_DSP\ filter_iir_high_pass_example，透過此範例來展示如何設定

IIR 濾波器，並透過 IIR 濾波器移除低頻訊號。輸入訊號由 1Hz 的弦波與 30Hz 的弦波組成，

訊號的取樣頻率 100，總共取 480 個樣本點，透過 IIR 高通濾波器將 7Hz 以下的訊號移除。

範例的程式可以分成幾個部分：

1. 產生 480 筆樣本。樣本 0 到 159 為 30Hz 的弦波，樣本 160 到 319 為 1Hz 的弦波，樣本

320 到 479 為 30Hz 的弦波，

2. 初始化，初始化 IIR，使用到的 API 如下：

void arm_biquad_cascade_df1_init_f32 (arm_biquad_casd_df1_inst_f32 *S, uint8_t numStages,

float32_t *pCoeffs, float32_t *pState));

S：IIR 濾波器的結構。

numStages：過濾器中的二階階段數，此範例 numStages =1。

pCoeffs：濾波器的係數，此範例共 5 個。

pState：狀態指標。

3. 高通濾波，透過呼叫 IIR 的 API，每次處理 1 個樣本，總共處理 480 個樣本，使用到的

API 如下：

void arm_biquad_cascade_df1_f32 (const arm_biquad_casd_df1_inst_f32 *S, float32_t *pSrc,

float32_t *pDst, uint32_t blockSize);

S：IIR 濾波器的結構。

pSrc：輸入訊號，此範例輸入 1Hz 與 30kHz 的混合訊號。

pDst：輸出訊號，我們預期輸出只剩 30kHz 訊號。


4. 結果輸出，透過 printf 將輸入訊號與輸出訊號輸出到 PC。

執行結果如下圖，Input 是過濾波器之前，Output 是經過濾波後的結果，Y 軸為訊號的振

幅，樣本的取樣頻率是 100Hz，因此 X 軸數字加一，代表時間加 10ms(100Hz)。從圖 14

與圖 15 比較可以發現 1Hz 被消除，只剩 30Hz 的訊號。



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注意事項

使用 CMSI-DSP 函數庫時請特別注意編譯後的記憶體大小，請在測試前確認記憶體沒有溢位。

結論

CMSIS-DSP 對於訊號的處理以及數學計算部分有強大的能力，建議諸位讀者可善加利用。

參考資料

參考網站 http://www.keil.com/pack/doc/CMSIS/General/html/index.html。

版本及修改資訊

Date 日期 Author 作者 Issue 發行

2019.09.03 王宏綸第一版

http://www.keil.com/pack/doc/CMSIS/General/html/index.html


AN0538TC V1.00 12 / 12 October 18, 2019

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