ガレスタさんのDIY日記

電子回路、Web、組み込み、自作エフェクターを語るblog

EclipseのTODO機能が意外に便利やぞって話

タイトルの通りTODO機能がいいですって話です。



ものとしてはコメントにTODOを打つとTaskに追加されてやることが整理されるって機能。

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使い道

  • 疑似コード書いといて整理したい時とかに使える。
  • とりあえず動くコードだけ書いてビルドアップする時にどうせ忘れるのでTODOで最低限しか書いてないよ〜とかコメント振っておくとわかりやすい

デジタルエフェクター:トレモロの実装例

ここ最近実装エフェクト数が増えてきたのでまとめておきます。
今回はトレモロです。
音量を周期的に揺らすエフェクトですね。


トレモロの仕組み

何かに追従して可変できる抵抗

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Strymon様より引用


図に示すように周期的に音量を上下させるようにLDRなどを用いて構成します。

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Codaエフェクト様より引用

このような実現方法もあります。

その他。帰還抵抗をLDRに変えたり。FETのような電圧で抵抗が変化するものを使ったりいろいろ実現方法があります。

LFO

もう一個工夫する点があります。
変調波であるLFOの作り方ですね。

これもアナログではいろいろな発振回路が用いられています。
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デジタルでは?

というわけでアナログの場合

原音→可変抵抗素子で音量を上下に→出力

みたいな流れでエフェクトを実現していました。


デジタルの場合間接的な可変をするみたいな考えを捨てて脳死できます。
通常のトレモロ効果を得るならかんたんで
もらってきた原音に対してsin関数を書ければ終ります。
式で表すとこんな感じ

\displaystyle
out = input \times sin(wt)

オシロでみるとこんな感じ

演算が浮動小数点なので-1~+1の間でsin関数を用意してあげて乗算しているだけです。

これだけでは面白くないのでLFO波形を変えてみます。

二個の正弦波を足す

式で書くとこんな感じです。

\displaystyle
out = input \times (\frac{sin(wt)+sin(2wt)}{2})

処理後の波形はこんな感じです。


さらなる工夫

実際にはやってないですがアイデアとしてあげておきます。

  • ノコギリ波形
  • 三角波
  • 非周期的信号を使う

少しレベルアップすると

  • 入力をスプリットしてべつべつのフィルタを通過後別々の変調を行い加算

こういうこともできますね。

デジタルでやる利点

まずLFOの種類を増やすと回路規模が多くなります。
デジタルの場合LFOをいっぱい作れるし保存もできます。非周期的信号もメモリに持っておけば簡単に流すことができます。
こういった点で有利になりますね。

その他連続してトレモロをかけることもできますし並列にエフェクトをかけることができるのもいいですね。

C言語での実装例

ARM CortexM7で処理した時の例です。
サンプリング周波数は48kHz
作成LFO周波数 1Hz
固定少数(blackfinなど)の場合は数値の処理をきちんとしてください

#include "tremolo.h"
float tremolo_index = 0.0;
void effects_tremolo(float rx_float_buffer[],float tx_float_buffer[],ControlParamTypeDef param){
	//s = Asin(2*pi*f0*t)
	//t = n/fs
	//s = Asin(2*pi*(n/fs));
	//正規化するならAは1かな
	float	freq = 1.0;
	float	fs	 = 48000.0;
	tx_float_buffer[0] = rx_float_buffer[0] * (arm_sin_f32(2.0 * PI * freq * (tremolo_index++/fs)))
}

離散信号処理で正弦波を使うときの解説はこの方のが一番わかりやすいので読むのおすすめです。

aidiary.hatenablog.com

biquadBPFの処理負荷が高い・・・・・・

どうもがれすたさんです。

通常のLPFとHPFができてからいろいろ遊んでいたのですがBPFを作って計測してみると唖然・・・・・
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22%も持ってくのお前・・・・・・

まあ理由もある程度分かってます。

alpha = sin(w0)*sinh( ln(2)/2 * BW * w0/sin(w0) ) (case: BW)

バンド幅を利用してalphaを算出するとlogとsinhがでてくる。
というかこの辺の関数がCMSIS DSPにないのでそこでだいぶ食ってる。

普通のsin,cosはこういうふうにDSP_APIに置き換えてるので問題ないしLPFのようにsin,cos多用するのはものすごい早い
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負荷は数%だった。

対策法としては

  • そこの部分をQを使った演算に直すか
  • あらかじめ計算した値を持っておいて配列で呼んでくるかどっちか。

こんな感じよね。

実際ARMのBiquadサンプルではピーキング系のフィルタで各dBを表引きして5バンドEQを達成している。
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今後こういうEQブロックを書くエフェクトに差し込むことになるのでやって行くか

つか極論差分方程式を自分で書かないでCMSISDSPを使えって話ですよねw
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こっちのほうが直接型Ⅱ転置構成なので遅延器を減らせるしバイクアッド関数は共通で係数計算ルーチンだけ別で用意すればいい。
まあいろいろやってみますわ。

余談

最近このソフトを気に入ってつかっている。

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Eliさん作成のソフトだ。
Oxyplotで応答描画してくれるかなりわかりやすいソフトだ。

数式はMusicDSPの参考にしているらしい

ちなみにこの方を知ったのはこのソフトじゃないんですよね。
CircuitMakerというCADを使っていた時この方がKinetisマイコンでデジタルエフェクタを作っていたのでそのプロジェクトでだいぶ勉強させていただきました。

freescaleフォーラムで結構有名な方みたいですね。

ARMのData Watchpoint and Trace Unitを使って処理時間計測をしてみよう

毎度おなじみのARM共通の機能を使ってみようの記事です。


GPIOを使った処理時間の計測

まあオシロスコープがある方はこういう計測方法をよくやると思います。

MCU_GPIO_WRITE(GPIO_PORT_A,GPIO_PIN_13,TRUE);
/*
計測したい処理を記述
*/
MCU_GPIO_WRITE(GPIO_PORT_A,GPIO_PIN_13,FALSE);

処理時間の幅をはかればある程度の処理時間を計測できます。
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ですがこれだと毎回つなぐのめんどいしGPIOの立ち上がり時間が入っちゃう(特に問題にならない)

Data Watchpoint and Trace Unit

DWTははオプションのユニットで、次のようなデバッグ機能を実行します。
DWTユニットには4つのコンパレータが組み込まれており、ハードウェアウォッチポイント、ETMトリガ、PCサンプライベント トリガ、またはデータアドレスサンプラ イベントトリガとして構成することができます。最初のコンパレータDWT_COMP0は、クロックサイクル カウンタCYCCNTに対して比較することもできます。2番目のコンパレータDWT_COMP1は、データコンパレータとしても使用できます。DWTにコンパレータが1つだけ含まれるように構成し、そのコンパレータをウォッチポイントまたはトリガとして使用可能にすることもできます。コンパレータが1つしか存在しない場合、データの一致はサポートされません。
DWTには、次のものに対して使用するカウンタが組み込まれています。

  • クロックサイクル(CYCCNT)
  • フォールドされた命令
  • ロード/ ストアユニット(LSU)操作
  • スリープサイクル
  • CPI(最初のサイクルを除くすべての命令サイクル)
  • 割り込みオーバヘッド

※ARM社より引用

ちなみにこの機能オプションなのでメーカーによってはない場合もある。
STはデータシートの一番下のDEBUGに搭載の記述があるので使える。
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今回はこれのCYCCLE(クロックサイクルカウンタ)を利用して処理時間計測を行います。

DWTのレジスタをいじいじしていく

まずやらなければならないことはDWTのアクセスロックの解除です。
LARに対してアクセスキーを入力します。
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まあサンプルが出ているのでそのまま使います。

#define DWT_LSR_SLK_Pos                1
#define DWT_LSR_SLK_Msk                (1UL << DWT_LSR_SLK_Pos)
// CoreSight Lock Status Register lock availability bit
#define DWT_LSR_SLI_Pos                0
#define DWT_LSR_SLI_Msk                (1UL << DWT_LSR_SLI_Pos)
// CoreSight Lock Access key, common for all
#define DWT_LAR_KEY                    0xC5ACCE55

static inline void dwt_access_enable(int ena)
{
    uint32_t lsr = DWT->LSR;//ロックステータスのチェック

    if ((lsr & DWT_LSR_SLI_Msk) != 0)
    {
        if (ena)
        {
            if ((lsr & DWT_LSR_SLK_Msk) != 0)    //locked: access need unlock
                DWT->LAR = DWT_LAR_KEY;//ロック解除キーの入力
        }
        else
        {
            if ((lsr & DWT_LSR_SLK_Msk) == 0)    //unlocked
                DWT->LAR = 0;
        }
    }
}

プログラムの最初にこいつを呼んでやります。

あとは以下のようにしてDWTいじってあげます。

void init_cpu_cycle(){
	dwt_access_enable(1);
	CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
	DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;
	(*((volatile uint32_t *) 0xE0001004)) = 0;//DWT->CYCCLE = 0;でも可
}

uint32_t get_cpu_cycle(){
	uint32_t cycle = DWT->CYCCNT;
	return cycle;
}

この二つでは主に何をやっているかというと

  • カウンタの有効
  • カウンタの初期化

です。

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あとはこれらで取得したサイクルを減算してクロックで除算を行う関数を定義してやると楽です。
僕の場合オーディオ信号処理なので48kHzで割り込みが起きるので処理時間最大値のうちどのぐらいの時間を使っているかで負荷計測をしています。

float get_process_time(uint32_t start,uint32_t stop){
	float time = ((float)stop-(float)start)/(float)SystemCoreClock;
	return time*1000000;//マイクロで返したいから
}

float get_cpu_load(uint32_t start,uint32_t stop){
	float load = (((float)stop-(float)start)/(float)SystemCoreClock) / (float)(1.0/SAMPLE_RATE);
	return load*100;//%で返したいので
}

あとはこんな感じに埋め込む
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biquadフィルタを計算させたときの動作はこんな感じ

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5.6%とかなのでかなり余裕がある(ART+DSP関数を使っているので)

まとめ

ARMの共通機能のDWTについて理解を深めた
時間があればほかの機能についても試していきたい

STM32 ARTアクセラレータを試してみた。

最近ARM全般の話が多かったのですがST固有機能の話です。
ARTはF4にもついていますがCortexM7での話で書いていきます。


ART Accelerator(Adaptive real-time memory accelerator)

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ART Acceleratorは図の赤の部分についてるTCMバス経由でのフラッシュの読み出しウェイトを事実上0にするキャッシュ群みたいなもの。

実際flashの速度って30MHz程度が限界なので高速動作する場合はRAMにコードを置いたりする。(LPCなんかがそう

そこで下の図のようにflashから大量に先読みしてバッファするっていう脳筋ハードウエアペリフェラル
俗にいうインストラクションプリフェッチとか言われている奴をメモリで殴った感じ
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インストラクションプリフェッチにもいろいろ問題があって例えばに実行時にキャッシュ上に必要なデータがあってうまくヒットした場合はいいが何かのデータを当てに分岐命令を書いている場合必ずしもヒットしない。
この場合再リロードを行う必要がある。この際flashからの応答にコアはwaitで待つことになる。

そういうことも見越してART内にはブランチキャッシュというものを持っておりある程度の緩和を行っているものだと思う。

実際の流れでは以下のようになる。

インストラクションプリフェッチなし

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128bit読み出しを行っているので4命令までは連続フェッチ行けるがそのあとFlashをwaitしている。
この図はF4のなのでF7では256bit

インストラクションプリフェッチあり

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一方こちらではインストラクションキャッシュがFIFO的に働くので送りながら次の命令をプリフェッチできている。
なのでCPU的には連続で実行できる。

AXIMのこと忘れてね?

おっとそうでした。
図に示す通りにFlashへのアクセスはTCMだけではなくAHBのバスマトリックスを経由したAXIMからでも行えます。
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そもそもCortexM7にはI/Dキャッシュがあります。(0~64KBの間でベンダーが決定して搭載)
こっちを有効にすれば命令、データともにキャッシュが有効になります。

実質この機能だけでだいぶ高速になります。

このAXIMってバスはペリフェラルバスと同一なレーンにいるため渋滞を招くことも懸念されます。
そのためSTはTCIM経由でキャッシュできる構造を取ったのでしょう。

おまけ1:その他の高速化

とりあえずここまででARTが何なのか?がわかったと思うので僕が感心しているDTCMメモリでも話そうと思います。

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要するにCPUから最速アクセス可能な密結合メモリのことです。

場所としてはここ

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クリティカルなコードやデータをここに配置することで高速化を図れる。
おき方としてはリンカーでアドレスくくって定義てそこに対して起動時にコピーすれば行ける。

その他DTCMにはGPDMAでも書けるのでCPUとペリフェラルで書き換えが頻繁なものはこのアドレスに対して書き込ませれば処理時間が少しは早くなるかもしれない。
またこの領域はキャッシュの影響を受けないのでその点でも結構使いやすい。

各種配置による速度差はIAR様のこの資料がわかりやすいです。
https://www.iar.com/globalassets/pdf/st-kits-kk/8_work_with_effective_software_development_for_cortex-m7_201504.pdf

やりかた

やりかただけ書いておく。

CubeMXでCortexM7の欄を開く

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このように設定する。

次にリンカスクリプトでROMの開始アドレスを0x00200000に変更する。

これで実行した時のプログラムカウンタがそれっぽい番地に来てればいいはず

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ちなみにONとOFFでFIRフィルタを回した時はこんな感じだいぶ処理時間が変わってくる。

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各社CortexM7のひかくてきなやつ

Kinetis® KV5x MCU

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SAM V70

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i.MX RT1050

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これに関してはキャッシュが32KBもあるので強すぎかな?w

まとめ

CortexM7のキャッシュについて理解を深めた。
ARTが何なのかがわかった気がした。
関連してこの記事もどうぞ
gsmcustomeffects.hatenablog.com

参考文献

ネットの記事

APS様CortexM7解説
www.aps-web.jp

ねむいさんのブログ
ねむいさんのぶろぐ | STM32F7を使ってみる5 -AXIMとITCM-

CQ出版の解説ページ
www.kumikomi.net

マイナビニュース
news.mynavi.jp

書籍

  • ARMマイコンCortexM教科書
  • Interface2016年12月号付録 STM32便利帳2016

CMSIS DSPのFIRフィルタをやってみる

公開してるがかなり追記の予定



前回はIIRについてやったので今回はFIRについてやってみます。
今回もリアルテック氏(@realteck_KY )に協力してもらってます。


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みればわかるとおりに移動平均の数を増やして言った形ですね。
タップ数を増やすとより特性が理想に近くなるというのも頷けますね。

窓関数法

今回は窓関数法で係数を出している

なんで窓関数を使うといいのかはFFTの項を調べれば載ってますので割愛


窓関数として用いているハミング窓は以下のような式です。

\displaystyle
w[m] = 0.54-0.46cos(\frac{2\pi m}{M})

ここはまだ書く余地あり_____________________________________________________________

CMSIS DSP

前回同様にCMSIS DSP APIを使っていく。

導入はここ
gsmcustomeffects.hatenablog.com

やる順序は前回と変わらず

  1. インスタンスの生成
  2. インスタンスの初期化
  3. APIコール

という感じ

インスタンスの生成

arm_fir_instance_f32 S3;

構造体のメンバはこんな感じ

  typedef struct
  {
    uint16_t numTaps;     /**< number of filter coefficients in the filter. */
    float32_t *pState;    /**< points to the state variable array. The array is of length numTaps+blockSize-1. */
    float32_t *pCoeffs;   /**< points to the coefficient array. The array is of length numTaps. */
  } arm_fir_instance_f32;

インスタンスの初期化

フィルタはMATLABのフィルタ設計ツール
カットオフは1kHz、タップ数は300

float32_t buffer3[300] = {0};
float32_t pCoeffs3[300]=
{0.000112,0.000096,0.000077,0.000057,0.000035,0.000012,-0.000012,-0.000037,-0.000063,-0.000089,-0.000114,-0.000140,-0.000165,-0.000188,-0.000211,
 -0.000230,-0.000248,-0.000262,-0.000272,-0.000278,-0.000280,-0.000276,-0.000267,-0.000251,-0.000230,-0.000202,-0.000168,-0.000127,-0.000081,-0.000028,
0.000029,0.000091,0.000157,0.000225,0.000295,0.000365,0.000434,0.000500,0.000562,0.000618,0.000666,0.000705,0.000733,0.000750,0.000753,0.000741,0.000714,
0.000670,0.000611,0.000534,0.000441,0.000333,0.000209,0.000073,-0.000075,-0.000233,-0.000398,-0.000568,-0.000738,-0.000907,-0.001070,-0.001225,-0.001367,						  -0.001492,-0.001598,-0.001681,-0.001737,-0.001764,-0.001759,-0.001721,-0.001648,-0.001538,-0.001393,-0.001211,-0.000995,-0.000746,-0.000467,-0.000162,0.000167,						  0.000513,0.000871,0.001236,0.001600,0.001958,0.002301,0.002623,0.002917,0.003174,0.003388,0.003553,0.003662,0.003710,0.003692,0.003604,0.003444,0.003210,0.002902,						  0.002521,0.002070,0.001551,0.000971,0.000336,-0.000346,-0.001066,-0.001814,-0.002577,-0.003342,-0.004097,-0.004828,-0.005519,-0.006156,-0.006724,-0.007208,-0.007593,						  -0.007867,-0.008015,-0.008026,-0.007890,-0.007598,-0.007142,-0.006516,-0.005717,-0.004745,-0.003598,-0.002282,-0.000800,0.000839,0.002625,0.004547,0.006589,0.008737,						  0.010973,0.013276,0.015626,0.018001,0.020379,0.022736,0.025049,0.027294,0.029448,0.031488,0.033394,0.035143,0.036719,0.038103,0.039280,0.040238,0.040966,0.041456,0.041702,						  0.041702,0.041456,0.040966,0.040238,0.039280,0.038103,0.036719,0.035143,0.033394,0.031488,0.029448,0.027294,0.025049,0.022736,0.020379,0.018001,0.015626,0.013276,0.010973,						  0.008737,0.006589,0.004547,0.002625,0.000839,-0.000800,-0.002282,-0.003598,-0.004745,-0.005717,-0.006516,-0.007142,-0.007598,-0.007890,-0.008026,-0.008015,-0.007867,-0.007593,						  -0.007208,-0.006724,-0.006156,-0.005519,-0.004828,-0.004097,-0.003342,-0.002577,-0.001814,-0.001066,-0.000346,0.000336,0.000971,0.001551,0.002070,0.002521,0.002902,0.003210,						  0.003444,0.003604,0.003692,0.003710,0.003662,0.003553,0.003388,0.003174,0.002917,0.002623,0.002301,0.001958,0.001600,0.001236,0.000871,0.000513,0.000167,-0.000162,-0.000467,						  -0.000746,-0.000995,-0.001211,-0.001393,-0.001538,-0.001648,-0.001721,-0.001759,-0.001764,-0.001737,-0.001681,-0.001598,-0.001492,-0.001367,-0.001225,-0.001070,-0.000907,-0.000738,						  -0.000568,-0.000398,-0.000233,-0.000075,0.000073,0.000209,0.000333,0.000441,0.000534,0.000611,0.000670,0.000714,0.000741,0.000753,0.000750,0.000733,0.000705,0.000666,0.000618,0.000562,						  0.000500,0.000434,0.000365,0.000295,0.000225,0.000157,0.000091,0.000029,-0.000028,-0.000081,-0.000127,-0.000168,-0.000202,-0.000230,-0.000251,-0.000267,-0.000276,-0.000280,-0.000278,						  -0.000272,-0.000262,-0.000248,-0.000230-0.000211,-0.000188,-0.000165,-0.000140,-0.000114,-0.000089,-0.000063,-0.000037,-0.000012,0.000012,0.000035,0.000057,0.000077,0.000096,0.000112};

バッファと係数を代入してInitを呼びます。
係数がおおい・・・・・・・・・・

arm_fir_init_f32(&S3, 300, pCoeffs3, buffer3, 1);

APIコール

前回同様にin,outとブロック数を入れてやります。

arm_fir_f32(&S3, &in, &out, 1);

実際に動かしてみる。

FIRなのでかなり特性は急になる。
2kHzでほぼゼロwww
f:id:gsmcustomeffects:20171002072808p:plain

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余談

タップ数が300にもなるので普通にやると48kHzサンプリングで破たんする。
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そのためCubeでARTとデータキャッシュを有効にしてやる必要がある。

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これについては別の記事でまた書きます。