山东大学信息学院DSP课程实验二
【实验目的】 ??
1. 熟练掌握DSP开发流程
2. 掌握运用C语言基于CCS的项目设计思路及过程
【实验要求】 ?
1. 利用MATLAB的滤波器设计软件，生成低通滤波器、高通滤波器，分别给出滤波器系数。
2. 利用MATLAB产生由不同的正弦波合成的波形文件，送入CCS。
3. 编写C程序，分别实现低通、高通滤波，用CCS画出波形，给出结果分析
4. 利用编译器的op选项，对实验二的C语言程序按照级别进行优化，给出耗时的变化的分析。
5. 应用CCS的内联函数实现低通、高通滤波，与步骤1中的耗时进行比较
【实验具体内容】
1. 利用MATLAB的滤波器设计软件，生成低通滤波器、高通滤波器，分别给出滤波器系数。
采用开发环境为：Win 10 Matlab2020a版本
- 在Matlab命令窗口输入：filterDesigner命令，打开FilterDesigner设计工具
图1.1 ?打开FilterDesigner
或直接选择Matlab中APP选择中的：FilterDesigner
图1.2 ?FilterDesigner设计工具
- 调整FIR低通滤波器的参数
选择FIR等波纹型、滤波器阶数200阶，采样频率4096、=200Hz/=300Hz
图1.3 ?FIR低通滤波器设计
设置好参数后点击“设计滤波器”，可通过观察“幅值响应”波形图直观的看出滤波效果。接下来需要将生成的滤波系数导出以便后续加载到CCS中。
图1.4 ?点击目标生成头文件
图1.5 生成C头文件界面
生成C头文件如下：
图1.6 ?生成低通滤波器系数头文件
- 调整FIR高通滤波器的参数
选择FIR等波纹型、滤波器阶数200阶，采样频率4096、=800Hz/=100Hz
图1.7 ?高通滤波器设计
同上述步骤生成C头文件：
图1.8 ?生成高通滤波器系数头文件
2. 利用MATLAB产生由不同的正弦波合成的波形文件，送入CCS。
在进行DSP算法设计时，我们通常会在Matlab上验证一下算法是否正确，然后再把算法移植到DSP当中，然而在移植的过程中会不可避免的出现各种问题，这时就需要将DSP内存中的数据导出来传到Matlab中进行分析处理，同时我们也需要从Matlab传递一些数据到DSP当中，比如我们想生成某种比较复杂的数据（例如各种类型的噪声），如果用C语言来写的话将会非常的麻烦，而这些用matlab能够亲而易举的完成，这时我们只需要将matlab生成的数据导入到DSP中就可以了
首先需要利用Matlab生成若干个数据，然后存储为dat格式的文件，然后通过CCS将dat格式的文件导入到DSP中。
dat文件时CCS能够识别的文件之一、CCS支持的dat文件格式为：
文件头为:
定数 ??数据格式 起始地址 页类型 ??数据块大小
1651 ????????1 ???????80000000 ????????0 ??????????10
固定标识???数据格式?????基地址???????页类型 ??????长度
固定标识：它的值固定为1651
数据格式：1-十六进制 ?2-十进制 ?3-十进制长整型 ?4-十进制浮点型
基地址： ?就是要存入到DSP一段内存空间的首地址
页类型： ?0-数据 ??1-程序 ?
长度： ???装入数据的长度
1）首先给出Matlab源代码：
f1=100;
f2=1500;
fs=4096;
N=1024;
T=1/fs;
n=0:N;
y1=1024*sin(2*pi*f1*n*T);
y2=1024*sin(2*pi*f2*n*T);
y=y1+y2;
xto_ccs=round(y);
fid=fopen('input1.dat','w');%将文件头写入文件，将生成的y信号写入到文件，格式四位小数
fprintf(fid,'%d\n',xto_ccs);
fclose(fid);
采用=100Hz和两种频率（高频、低频）组成噪声信号波形
图2.1 ?源代码截图
- 运行一下程序得到一个名为input1的dat文件，其保存在当前Matlab活动的目录。
图2.2 ?生成.dat文件
用记事本的方式打开此文件里面的内容如下：
图2.3 ?生成.dat文件中内容
- 将生成的的input1.dat文件拷贝到在CCS中新创建的工程项目工作文件夹中
- 在CCS中编写程序实现波形导入
源程序如下：
#include "stdio.h"
#include "LPF1.h"
#include <math.h>
#include <stdlib.h>
#define Length 1024
#define pi 3.1415926
??
long yn; //保存滤波后结果，32位长整型
long input[Length]; //
long output[Length];
int i;
void main() {
int m,n;
for(n=0;n<Length+BL;n++) //卷积计算
{
yn=0;
for(m=0;(m<BL)&&(m<n);m++)
yn+=B[m]*input[n-m];
output[n]=yn;
}
while(1);
}
- 在while（1）处设置断点
图2.4 ?设置断点
接下来打开断点管理器Breakpoints，进行断点设置
图2.5 ?打开断点管理器
图2.6 ?断点管理器内容
图2.7 ?设置断点Action
进行如下选择：
File：选择所产生的.dat文件作为数据导入
Wrap Around：True
Start Address：input
Page：DATA
Length：1024
图2.8 ?Read Data from File 设置
点击OK后即可完成Matlab合成波形文件并送入CCS
3. 编写C程序，分别实现低通、高通滤波，用CCS画出波形，给出结果分析
建立工程添加文件。建立工程，工程结构如下图所示。将在matlab中生成的c语言头文件添加至CCS工程文件夹下面。在matlab生成的CCS头文件中，需要调用matlab的头文件。将头文件拷贝到工程路径下即可。
图3.1 ?工程结构框架
只拷贝生成的头文件后，运行可能会出错，提示缺失某个文件“tmwtypes.h”。该文件在matlab安装路径下。可以直接在安装路径下搜索该文件，直接拷贝到工程路径下即可。
输入信号生成，代码如下:
??????for(i=0;i<Length;i++)
???????????????????input[i]=1024*sin(w1*i)+1024*sin(w2*i);??
因为计算时，其他数据类型都为整数，因此需要将-1~+1的小数格式转换为整数，不然在-1~+1的小数数据绝对值不超过1，那么在内存中都将被视作0，会导致波形严重失真。所以在此处需要将小数数据转换为整数型，又因为最后输出数据类型设置为long型，为了保证在计算过程中不溢出，Q值不能设置过大。
卷积计算公式为：
在计算机中要处理的信号和处理完成后的信号都可以用数组来保存，并且信号都为因果信号，即下表没有负数项，下标可以从0开始计算
已知h(n)的长度为BL，x(n)的长度为Length，利用外层循环控制n，内层循环控制m，将卷积计算的公式可表示为如下代码。
for(n=0;n<Length+BL;n++) ?????????????
????{undefined
????????yn=0;
????????for(m=0;(m<BL)&&(m<n);m++)
????????????yn+=B[m]*input[n-m];
????????output[n]=yn;
????}
CCS仿真测试情况??
- 源代码如下：
#include "stdio.h"
#include "LPF1.h"
#include <math.h>
#include <stdlib.h>
#define Length 1024
#define pi 3.1415926
int fs=4096; //采样频率
int f1=100; //信号频率
int f2=1500; //噪声频率
#define w1 2*pi*f1/fs //信号角频率
#define w2 2*pi*f2/fs //噪声角频率
long yn; //保存滤波后结果，32位长整型
long input[Length];
long output[Length];
int i;
void main() {
int m,n;
for(i=0;i<Length;i++)
input[i]=1024*sin(w1*i)+1024*sin(w2*i); //待滤波信号，乘以1024转换为Q10格式（sin范围为-1~1，将其转换为整数格式）
for(n=0;n<Length+BL;n++) //卷积计算
{
yn=0;
for(m=0;(m<BL)&&(m<n);m++)
yn+=B[m]*input[n-m];
output[n]=yn;
}
while(1);
}
- 点击调试按钮，出现如下界面
图3.2 ?调试结果
- 设置断点。在while（1）处设置断点。如下图所示：
图3.3 ?设置断点
- 装载项目
图3.4 ?装载项目
选择volume2.out文件，并点击打开
图3.5 ?选择volume2.out文件
- 运行程序。将光标置于断点处后，点击调试栏中的“Run to cursor”
图3.6 ?点击Run to cursor执行程序
- 波形生成。利用CCS软件自带的graph工具测试输入输出波形，并且可以对信号进行频谱分析。操作过程如下图所示：
图3.7 ?创建Graph图标窗口
- Graph显示参数设置
①时域显示参数设置，如下图，设置完成后点击OK即可显示曲线
图3.8 ?时域显示参数设置
参数说明：
Acquisition Buffer Size：表示通过仿真器从DSP的内存中读取的数据的大小。由于程序里用于存储信号的数组大小是1024，这里我们设置成1024，也可以设置成比他更小的值，这样就只能看到信号的部分图像。
Dsp Data Type：数据类型设置，因为在程序中使用的是long型数据，在这里需要设置成32位整形数据。
Index Increment：索引增量，表示每个数据点序号的相差值，这里是逐点显示的，因此默认设置为1，如果想要每隔一个点显示一个那么就应该设置成2。
Q_Value：Q值，一般这不常用，默认。
Sampling Rate Hz：以Hz为单位的采样率，在这里我们的采样率是4096，因此设置成4096。
Start Address：开始地址，表示要显示的数组的首地址，假设我们现在想要看的是数组input因此，设置这里设置成input。
Auto Scale：自动调整显示比例使其适应整个显示窗口，默认即可。
Axis Display ：显示坐标轴，默认即可。
Data Plot Style：数据绘制类型，有Line和Bar两种，这里选择Line。
Display Data Size：显示数据大小，表示要将多少个点的数据进行显示，注意这个值一定要小于等于Acquisition Buffer Size，这里设置成1024。
Grid Style：网格类型，有 NoGrid, Minor Grid, Major Grid三种选项，默认即可。
Magnitude Display Scale：幅值显示类型，有Linear（线性的）Logarithmic（对数的），默认即可。
Time Display Unit：显示时间的单位有sample,s, ms, us几种可选，其中sample表示显示的点的序号，默认即可。
Use Dc Value For Graph：是否使用Dc值，一般不常用，默认即可。
②频谱显示参数设置，如下图
图3.9 ?FFT显示参数设置
参数说明：部分参数和时域显示时的参数相同，有部分不同如下：
Signal Type ：信号类型，有Real，Complex这两种，此处信号数据均为实数据，因此我们选择Real，如果数据类型是Complex，选择Complex。
Frequency Display Unit ：频率显示单位，有Hz,KHz,MHz三种，这里选择Hz。
FFT Order ：FFT的阶数，由它来决定FFT Frame Size，例如 FFT Order 设置为5 那么FFT Frame Size 就为32 = 2^5。这里我们设置成12，那么FFT Frame Size就是4096。
FFT Frame Size ：FFT做变换的点数，FFT Order决定，此处选择4096点FFT。
FFT Window Function ：FFT窗函数，选择做FFT变换时采用什么窗函数，有Rectangular（矩形窗），Bartlett，Blackman，Hamming，Hanning，选择什么窗函数根据实际的需求来决定到底采用哪一个窗函数，默认即可。
- 波形显示
①按照上述操作实现的低通滤波
图3.10 ?低通显示图形
②将头文件中的LPF1.h文件更换成为HPF.h后，重复上述操作实现高通滤波
图3.11 ?高通显示图形
- 利用编译器的op选项，对实验二的C语言程序按照级别进行优化，给出耗时的变化的分析。
每个文件都可以设置编译器优化，右键.c文件->File Specific options>optimization level 设置成空的，即可在debug的时候避免出现异常。开编译器优化可能导致跟踪函数的变量时值是错的。编译优化的好处是加快代码运行速度，但缺点就是只能把函数当做黑盒，函数内部的bebug结果是不可靠的。所以一般将算法和流程编到不同的文件中去，因为算法文件一般都是验证完了的，不怎么需要调试，所以算法文件开适当的优化，流程文件不开优化。这样既能提高运行效率又可以不影响流程的调试
图4.1 ?选择File Specific options
图4.2 ?Opt Level选择
进行代码优化，先要找出程序的瓶颈，即占用CPU时间较多的代码，然后对其进行有针对性的优化。使用CCS提供的代码剖析工具Profile可以统计显示出程序中各个重要段和函数的运行时间，找出运算量较大的程序段，优化这些程序段，对于提高算法的性能有巨大影响。
??①联合使用-pm和-03编译选项，对代码进行项目级的优化：CCS提供了强大功能的编译选项，从-O0到-O3共四级优化。-O3编译选项使能软件流水和其他优化方法，-pm选项从程序代码角度，把整个项目的所有源程序联合起来，作为一个模块来处理。-pm和-03两个选项联合使用，能进行一系列的优化，并且代码尺寸变小很多。
②使用const、restrict 关键字修饰指针：const指示编译器其修饰的指针所指向的内容不能修改；restrict指示编译器其修饰的指针与其他指针指向的内容不会覆盖，这些信息使两个指针不会访问同一存储器地址，可以消除存储器之间的相关性，这样可以并行执行多个数据的读取和运算，使代码运行达到昀大效率。
③对短字长数据使用宽长度的存储器访问（数据打包处理）：即当CPU执行一连串短型数据（如16bit数据）操作时，可将数据类型设置为32bit长度的int型，这样可以一次性访问2个短型数据，然后使用C6000指令，同时进行两个数据的操作，减少了对内存的访问，这比采用16bit长度short型节约一半的时间。
??④循环展开，把C语言中的循环打开，把多循环变为少循环，减少循环嵌套，使得可能并行的指令增加，从而改进软件流水编排，改善代码性能。
⑤减少C函数的调用，尽量使用系统提供的内联函数（intrinsics函数）代替C函数，C6000编译器提供了许多intrinsics，是直接与C6000汇编指令映射的在线函数，可以快速优化C代码，这样减少许多不必要的操作，提高代码运算速度。
?⑥使用软件流水技术，软件流水是一种对循环中的指令进行调度优化的技术，利用软件流水可生成非常紧凑的循环代码。当编译时采用-O2或-O3级别的优化选项时，编译器将对程序中的循环进行软件流水。通过软件流水的优化，可以大大提高循环代码的效率，极大地实现指令的并行性。
- 打开耗时计数时钟
图4.3 ?打开Clock视图
- 观察不同优化级别耗时情况
图4.4 ?优化级别为NONE
图4.5 ?优化级别为o0
图4.5 ?优化级别为o1
图4.5 ?优化级别为o2
图4.5 ?优化级别为o3
- 应用CCS的内联函数实现低通、高通滤波，与步骤1中的耗时进行比较
????在使用fir函数之前首先要把相关的头文件和一些库文件加入到工程中，在如图的安装路径下找到并打开此头文件和一个库文件，复制到工程所在文件夹中
图5.1 ?复制相关头文件库文件
接着在工程右键打开build option选项里把头文件的路径加进去即可，最后还要把54xdsp.lib这个库文件导入工程的library中，不然会有报错
?????????
图5.2 ?添加头文件
接着编写C文件的程序和cmd文件，核心程序如下：
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include "dsplib.h"
#define pi 3.1415926
//采样频率，单位Hz
int fs=4096;
//产生正弦波频率，单位为Hz
int f1=100,f2=1500;
//定义信号角频率
#define w1 2*pi*f1/fs
#define w2 2*pi*f2/fs
//输入波形数组大小
DATA In[1024];
/*------------等波纹设计法(Equiripple)，阶数64，通带幅值衰减 Wpass=1dB，阻带幅值衰减 Wstop1=80dB---------------*/
/*通带频率 Fpass=100Hz，截止频率 Fstop=150Hz，采样频率 Fs=4096Hz*/
#pragma DATA_SECTION(lowpass,".lowpass")//定义一个数据段，需要在cmd文件中有相应的段定义
DATA lowpass[64] = {
?????-129, ?????4, ????11, ????24, ????43, ????67, ????98, ???136, ???180,
??????232, ???291, ???357, ???430, ???510, ???596, ???686, ???782, ???880,
??????981, ??1083, ??1185, ??1285, ??1381, ??1474, ??1560, ??1638, ??1708,
?????1769, ??1818, ??1856, ??1882, ??1895, ??1895, ??1882, ??1856, ??1818,
?????1769, ??1708, ??1638, ??1560, ??1474, ??1381, ??1285, ??1185, ??1083,
??????981, ???880, ???782, ???686, ???596, ???510, ???430, ???357, ???291,
??????232, ???180, ???136, ????98, ????67, ????43, ????24, ????11, ?????4,
?????-129
};
/*------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
/*低通滤波数据缓存*/
#pragma DATA_SECTION(buf1,".buffer1")//定义一个数据段，需要在cmd文件中有相应的段定义
DATA buf1[64] ;
DATA ?*buf1ptr = &buf1[0];
DATA ff1[1024];//低通滤波输出数组
void main()
{
??? int i;
? printf("HelloWorld!\n");
for(i=0;i<1024;i++) //产生波形
In[i]=1024*sin(w1*i)+1024*sin(w2*i)
/*fir(DATA *x, DATA *h, DATA *r,DATA **d, ushort nh, ushort nx);
????*x:待滤波信号输入 ????????
????*h:滤波系数，即一个数组
????*r:滤波输出
????*d:滤波输出缓存
????*nh:滤波器的阶数
????*nx:待滤波信号输入的大小，即数组的大小
*/
fir(In, lowpass, ff1, &buf1ptr, 64, 1024); // ?调用函数，低通滤波
while(1);
}
MEMORY {
???PAGE 0: ??VECT: ????? origin = 0x80, ????????len = 0x80
???PAGE 0: ??PROG: ????? origin = 0x100, ???????len = 0x3f00 ?
???PAGE 1: ??DATA: ????? origin = 0x4000, ??????len = 0x3c00 ??
???PAGE 1: ??f1aDATA: ??? origin = 0x8000, ??????len = 0x80
???PAGE 1: ??f1bDATA: ??? origin = 0x8080, ??????len = 0x80
} /* MEMORY */
SECTIONS {
???.text ???> PROG PAGE 0 ??????????????/* code ????????????????????*/
???.switch ?> PROG PAGE 0 ??????????????/* switch table info ???????*/
???.cinit ??> PROG PAGE 0
???.vectors > VECT PAGE 0 ???????????????/* interrupt vectors ????????*/
???
???.cio ????> DATA PAGE 1 ??????????????/* C I/O ????????????????????*/ ?
???.data ???> DATA PAGE 1 ??????/* initialized data ?????????*/
???.bss ????> DATA PAGE 1 ??????/* global & static variables */
???.const ??> DATA PAGE 1 ??????????????/* constant data ????????????*/
???.sysmem ?> DATA PAGE 1 ??????????????/* heap ?????????????????????*/
???.stack ??> DATA PAGE 1 ??????????????/* stack ????????????????????*/
???.buffer1: ?{} align =64, ?load = f1aDATA PAGE 1 ??
???.lowpass: ?{} align =64, ?load = f1bDATA PAGE 1 ?????
} ??/*SECTIONS */
由于在程序中定义了数据段，所以要在cmd文件中定义使用的数据段大小
图5.3 ?定义cmd文字内容
再次编译一下，如果没有问题的话应该是没有错误和警告的，然后就可以查看频谱了，操作跟上面看输入信号频谱一样，需要修改的是开始的地址，改为滤波输出的数组的名称即可
图5.4 ?修改滤波输出数组名
图 5.5 ?运用内联函数实现低通滤波
图5.6 ?运用内联函数实现高通滤波