【安富莱DSP教程】第19章 MatrixFunctions的使用（一）

席萌0209

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第19章 MatrixFunctions的使用（一）

    本期教程主要讲解矩阵运算中的初始化，加法，逆矩阵和减法。
    19.1 矩阵初始化 MatInit
    19.2 矩阵加法 MatAdd
    19.3 逆矩阵 MatInverse
    19.4 矩阵减法 MatSub
    19.5 总结

19.1 矩阵初始化 MatInit

19.1.1 arm_mat_init_f32

函数定义如下：
    void arm_mat_init_f32(
        arm_matrix_instance_f32 * S,
        uint16_t nRows,
        uint16_t nColumns,
        float32_t * pData)
参数定义：
    [in,out] *S         points to an instance of the floating-point matrix structure.   
    [in]     nRows    number of rows in the matrix.   
    [in]     nColumns number of columns in the matrix.   
    [in]     *pData       points to the matrix data array.  
注意事项：
    1. arm_matrix_instance_f32的结构体定义如下（在文件arm_math.h文件里面）：
      typedef struct
            {
                uint16_t numRows;     // number of rows of the matrix.
                uint16_t numCols;      // number of columns of the matrix.
                float32_t *pData;       // points to the data of the matrix.
            } arm_matrix_instance_f32;

19.1.2 arm_mat_init_q31

函数定义如下：
    void arm_mat_init_q31(
        arm_matrix_instance_q31 * S,
       uint16_t nRows,
        uint16_t nColumns,
        q31_t * pData)
参数定义：
    [in,out] *S         points to an instance of the floating-point matrix structure.   
    [in]     nRows    number of rows in the matrix.   
    [in]     nColumns number of columns in the matrix.   
    [in]     *pData       points to the matrix data array.  
注意事项：
    1. arm_matrix_instance_q31的结构体定义如下（在文件arm_math.h文件里面）：
      typedef struct
            {
                uint16_t numRows;     // number of rows of the matrix.
                uint16_t numCols;      // number of columns of the matrix.
                q31_t *pData;       // points to the data of the matrix.
           } arm_matrix_instance_q31;

19.1.3 arm_mat_init_q15

函数定义如下：
    void arm_mat_init_q15(
        arm_matrix_instance_q15 * S,
        uint16_t nRows,
        uint16_t nColumns,
         q15_t * pData)
参数定义：
    [in,out] *S         points to an instance of the floating-point matrix structure.   
    [in]     nRows    number of rows in the matrix.   
    [in]     nColumns number of columns in the matrix.   
    [in]     *pData       points to the matrix data array.  
注意事项：
    1. arm_matrix_instance_q15的结构体定义如下（在文件arm_math.h文件里面）：
      typedef struct
          {
             uint16_t numRows;     // number of rows of the matrix.
              uint16_t numCols;      // number of columns of the matrix.
              q15_t *pData;       // points to the data of the matrix.
          } arm_matrix_instance_q15;

19.1.4 实例讲解

实验目的：
    1. 学习MatrixFunctions中矩阵的初始化
实验内容：
    1. 按下按键K1, 串口打印函数DSP_MatInit的输出结果
实验现象：
    通过窗口上位机软件SecureCRT（V5光盘里面有此软件）查看打印信息现象如下：

程序设计：

1. /*
2. *********************************************************************************************************
3. *    函 数 名: DSP_MatInit
4. *    功能说明: 矩阵数据初始化
5. *    形    参：无
6. *    返 回 值: 无
7. *********************************************************************************************************
8. */
9. static void DSP_MatInit(void)
10. {
11. uint8_t i;
13. /****浮点数数组******************************************************************/
14. float32_t pDataA[9] = {1.1f, 1.1f, 2.1f, 2.1f, 3.1f, 3.1f, 4.1f, 4.1f, 5.1f};
15. arm_matrix_instance_f32 pSrcA; //3行3列数据
16. arm_matrix_instance_f32 pDst;
17. /****定点数Q31数组******************************************************************/
18. q31_t pDataA1[9] = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5};
19. arm_matrix_instance_q31 pSrcA1; //3行3列数据
20. arm_matrix_instance_q31 pDst1;
21. /****定点数Q15数组******************************************************************/
22. q15_t pDataA2[9] = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5};
23. arm_matrix_instance_q15 pSrcA2; //3行3列数据
24. arm_matrix_instance_q15 pDst2;
25. /****浮点数***********************************************************************/
26. printf("****浮点数******************************************\r\n");
27. arm_mat_init_f32(&pSrcA, 3,3, pDataA);
28. for(i = 0; i < 9; i++)
29. {
30. printf("pDataA[%d] = %f\r\n", i, pDataA[i]);
31. }
32. /****定点数Q31***********************************************************************/
33. printf("****浮点数******************************************\r\n");
34. arm_mat_init_q31(&pSrcA1, 3,3, pDataA1);
35. for(i = 0; i < 9; i++)
36. {
37. printf("pDataA1[%d] = %d\r\n", i, pDataA1[i]);
38. }
39. /****定点数Q15***********************************************************************/
40. printf("****浮点数******************************************\r\n");
41. arm_mat_init_q15(&pSrcA2, 3,3, pDataA2);
42. for(i = 0; i < 9; i++)
43. {
44. printf("pDataA2[%d] = %d\r\n", i, pDataA2[i]);
45. }
46. }

复制代码

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19.2 矩阵加法 MatAdd

19.2.1 arm_mat_add_f32

公式描述（以3*3矩阵为例进行说明）：

函数定义如下：
    arm_status arm_mat_add_f32(
        const arm_matrix_instance_f32 * pSrcA,
        const arm_matrix_instance_f32 * pSrcB,
        arm_matrix_instance_f32 * pDst)
参数定义：
    [in]    *pSrcA   points to the first input matrix structure        
    [in]    *pSrcB   points to the second input matrix structure        
    [out]   *pDst   points to output matrix structure        
    return             The function returns either    
注意事项：
    1. pSrcA，pSrcB，pDst的行数和列数必须是相同的，要不没有办法使用加法运行。
    2. 矩阵在数组中的存储是从左到右，再从上到下。

19.2.2 arm_mat_add_q31

函数定义如下：
    arm_status arm_mat_add_q31(
        const arm_matrix_instance_q31 * pSrcA,
        const arm_matrix_instance_q31 * pSrcB,
        arm_matrix_instance_q31 * pDst)
参数定义：
    [in]    *pSrcA   points to the first input matrix structure        
    [in]    *pSrcB   points to the second input matrix structure        
    [out]   *pDst   points to output matrix structure        
    return             The function returns either    
注意事项：
    1. pSrcA，pSrcB，pDst的行数和列数必须是相同的，要不没有办法使用加法运行。
    2. 矩阵在数组中的存储是从左到右，再从上到下。

19.2.3 arm_mat_add_q15

函数定义如下：
    arm_status arm_mat_add_q15(
        const arm_matrix_instance_q15 * pSrcA,
        const arm_matrix_instance_q15 * pSrcB,
        arm_matrix_instance_q15 * pDst)
参数定义：
    [in]    *pSrcA   points to the first input matrix structure        
    [in]    *pSrcB   points to the second input matrix structure        
    [out]   *pDst   points to output matrix structure        
    return             The function returns either    
注意事项：
    1. pSrcA，pSrcB，pDst的行数和列数必须是相同的，要不没有办法使用加法运行。
    2. 矩阵在数组中的存储是从左到右，再从上到下。

19.2.4 实例讲解

实验目的：
    1. 学习MatrixFunctions中矩阵的加法
实验内容：
    1. 按下按键K2, 串口打印函数DSP_MatAdd的输出结果
实验现象：
    通过窗口上位机软件SecureCRT（V5光盘里面有此软件）查看打印信息现象如下：

程序设计：

1. /*
2. *********************************************************************************************************
3. *    函 数 名: DSP_MatAdd
4. *    功能说明: 矩阵求和
5. *    形    参：无
6. *    返 回 值: 无
7. *********************************************************************************************************
8. */
9. static void DSP_MatAdd(void)
10. {
11. uint8_t i;
12. /****浮点数数组******************************************************************/
13. float32_t pDataA[9] = {1.1f, 1.1f, 2.1f, 2.1f, 3.1f, 3.1f, 4.1f, 4.1f, 5.1f};
14. float32_t pDataB[9] = {1.1f, 1.1f, 2.1f, 2.1f, 3.1f, 3.1f, 4.1f, 4.1f, 5.1f};
15. float32_t pDataDst[9];
16. arm_matrix_instance_f32 pSrcA; //3行3列数据
17. arm_matrix_instance_f32 pSrcB; //3行3列数据
18. arm_matrix_instance_f32 pDst;
19. /****定点数Q31数组******************************************************************/
20. q31_t pDataA1[9] = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5};
21. q31_t pDataB1[9] = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5};
22. q31_t pDataDst1[9];
23. arm_matrix_instance_q31 pSrcA1; //3行3列数据
24. arm_matrix_instance_q31 pSrcB1; //3行3列数据
25. arm_matrix_instance_q31 pDst1;
26. /****定点数Q15数组******************************************************************/
27. q15_t pDataA2[9] = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5};
28. q15_t pDataB2[9] = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5};
29. q15_t pDataDst2[9];
30. arm_matrix_instance_q15 pSrcA2; //3行3列数据
31. arm_matrix_instance_q15 pSrcB2; //3行3列数据
32. arm_matrix_instance_q15 pDst2;
33. /****浮点数***********************************************************************/
34. pSrcA.numCols = 3;
35. pSrcA.numRows = 3;
36. pSrcA.pData = pDataA;
37. pSrcB.numCols = 3;
38. pSrcB.numRows = 3;
39. pSrcB.pData = pDataB;
40. pDst.numCols = 3;
41. pDst.numRows = 3;
42. pDst.pData = pDataDst;
43. printf("****浮点数******************************************rn");
44. arm_mat_add_f32(&pSrcA, &pSrcB, &pDst);
45. for(i = 0; i < 9; i++)
46. {
47. printf("pDataDst[%d] = %frn", i, pDataDst[i]);
48. }
49. /****定点数Q31***********************************************************************/
50. pSrcA1.numCols = 3;
51. pSrcA1.numRows = 3;
52. pSrcA1.pData = pDataA1;
53. pSrcB1.numCols = 3;
54. pSrcB1.numRows = 3;
55. pSrcB1.pData = pDataB1;
56. pDst1.numCols = 3;
57. pDst1.numRows = 3;
58. pDst1.pData = pDataDst1;
59. printf("****定点数Q31******************************************rn");
60. arm_mat_add_q31(&pSrcA1, &pSrcB1, &pDst1);
61. for(i = 0; i < 9; i++)
62. {
63. printf("pDataDst1[%d] = %drn", i, pDataDst1[i]);
64. }
65. /****定点数Q15***********************************************************************/
66. pSrcA2.numCols = 3;
67. pSrcA2.numRows = 3;
68. pSrcA2.pData = pDataA2;
69. pSrcB2.numCols = 3;
70. pSrcB2.numRows = 3;
71. pSrcB2.pData = pDataB2;
72. pDst2.numCols = 3;
73. pDst2.numRows = 3;
74. pDst2.pData = pDataDst2;
75. printf("****定点数Q15******************************************rn");
76. arm_mat_add_q15(&pSrcA2, &pSrcB2, &pDst2);
77. for(i = 0; i < 9; i++)
78. {
79. printf("pDataDst2[%d] = %drn", i, pDataDst2[i]);
80. }
81. }

复制代码

1. 矩阵的加法从C语言的实现上来看，比较的容易，下面通过Matlab来求解矩阵和（在命令窗口输入）。

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19.3 逆矩阵 MatInverse

19.3.1 arm_mat_inverse_f32

公式描述（Gauss-Jordan法求逆矩阵）：

函数定义如下：
    arm_status arm_mat_inverse_f32(
        const arm_matrix_instance_f32 * pSrc,
        arm_matrix_instance_f32 * pDst)
参数定义：
    [in]   *pSrc points to input matrix structure   
    [out] *pDst points to output matrix structure     
注意事项：
    1. pSrc必须得是方阵（行数和列数相同）。
    2. pSrc和pDst必须是相同的方阵。
    3. 输入的矩阵可逆，函数会返回ARM_MATH_SUCCESS，如果不可逆，返回ARM_MATH_SINGULAR。
    4. ARM官方库只提供了浮点数矩阵求逆矩阵。

19.3.2 实例讲解

实验目的：
    1. 学习MatrixFunctions中逆矩阵的求解
实验内容：
    1. 按下按键K3, 串口打印函DSP_MatInverse的输出结果
实验现象：
    通过窗口上位机软件SecureCRT（V5光盘里面有此软件）查看打印信息现象如下：

程序设计：

1. /*
2. *********************************************************************************************************
3. *    函 数 名: DSP_MatInverse
4. *    功能说明: 求逆矩阵
5. *    形    参：无
6. *    返 回 值: 无
7. *********************************************************************************************************
8. */
9. static void DSP_MatInverse(void)
10. {
11. uint8_t i;
13. /****浮点数数组******************************************************************/
14. float32_t pDataA[9] = {1.1f, 1.1f, 2.1f, 2.1f, 3.1f, 3.1f, 4.1f, 4.1f, 5.1f};
15. float32_t pDataB[9];
16. arm_matrix_instance_f32 pSrcA; //3行3列数据
17. arm_matrix_instance_f32 pSrcB; //3行3列数据;
19. /****浮点数***********************************************************************/
20. pSrcA.numCols = 3;
21. pSrcA.numRows = 3;
22. pSrcA.pData = pDataA;
23. pSrcB.numCols = 3;
24. pSrcB.numRows = 3;
25. pSrcB.pData = pDataB;
26. arm_mat_inverse_f32(&pSrcA, &pSrcB);
27. for(i = 0; i < 9; i++)
28. {
29. printf("pDataB[%d] = %frn", i, pDataB[i]);
30. }
31. }

复制代码

1. 用C语言实现逆矩阵要稍麻烦些，下面我们通过Matlab来实现求逆矩阵（数据和上面代码中的程序一样）

    可以看出求得结果跟上面的C函数求得结果基本一致。

席萌0209

19.4 矩阵减法 MatSub

19.4.1 arm_mat_sub_f32

公式描述（以3*3矩阵为例进行说明）：

函数定义如下：
    arm_status arm_mat_sub_f32(
        const arm_matrix_instance_f32 * pSrcA,
        const arm_matrix_instance_f32 * pSrcB,
        arm_matrix_instance_f32 * pDst)
参数定义：
    [in]    *pSrcA   points to the first input matrix structure        
    [in]    *pSrcB   points to the second input matrix structure        
    [out]   *pDst   points to output matrix structure        
    return             The function returns either    
注意事项：
    1. pSrcA，pSrcB，pDst的行数和列数必须是相同的，要不没有办法使用加法运行。
    2. 矩阵在数组中的存储是从左到右，再从上到下。

19.4.2 arm_mat_add_q31

函数定义如下：
    arm_status arm_mat_add_q31(
        const arm_matrix_instance_q31 * pSrcA,
        const arm_matrix_instance_q31 * pSrcB,
        arm_matrix_instance_q31 * pDst)
参数定义：
    [in]    *pSrcA   points to the first input matrix structure        
    [in]    *pSrcB   points to the second input matrix structure        
    [out]   *pDst   points to output matrix structure        
    return             The function returns either    
注意事项：
    1. pSrcA，pSrcB，pDst的行数和列数必须是相同的，要不没有办法使用加法运行。
    2. 矩阵在数组中的存储是从左到右，再从上到下。

19.4.3 arm_mat_add_q15

函数定义如下：
    arm_status arm_mat_add_q15(
        const arm_matrix_instance_q15 * pSrcA,
        const arm_matrix_instance_q15 * pSrcB,
        arm_matrix_instance_q15 * pDst)
参数定义：
    [in]    *pSrcA   points to the first input matrix structure        
    [in]    *pSrcB   points to the second input matrix structure        
    [out]   *pDst   points to output matrix structure        
    return             The function returns either    
注意事项：
    1. pSrcA，pSrcB，pDst的行数和列数必须是相同的，要不没有办法使用加法运行。
    2. 矩阵在数组中的存储是从左到右，再从上到下。

19.4.4 实例讲解

实验目的：
   1. 学习MatrixFunctions中矩阵的加法
实验内容：
    1. 按下按键K2, 串口打印函数DSP_MatAdd的输出结果
实验现象：
    通过窗口上位机软件SecureCRT（V5光盘里面有此软件）查看打印信息现象如下：

程序设计：

1. /*
2. *********************************************************************************************************
3. *    函 数 名: DSP_MatSub
4. *    功能说明: 矩阵减法
5. *    形    参：无
6. *    返 回 值: 无
7. *********************************************************************************************************
8. */
9. static void DSP_MatSub(void)
10. {
11. uint8_t i;
12. /****浮点数数组******************************************************************/
13. float32_t pDataA[9] = {1.1f, 1.1f, 2.1f, 2.1f, 3.1f, 3.1f, 4.1f, 4.1f, 5.1f};
14. float32_t pDataB[9] = {1.1f, 1.1f, 2.1f, 2.1f, 3.1f, 3.1f, 4.1f, 4.1f, 5.1f};
15. float32_t pDataDst[9];
16. arm_matrix_instance_f32 pSrcA; //3行3列数据
17. arm_matrix_instance_f32 pSrcB; //3行3列数据
18. arm_matrix_instance_f32 pDst;
19. /****定点数Q31数组******************************************************************/
20. q31_t pDataA1[9] = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5};
21. q31_t pDataB1[9] = {2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2};
22. q31_t pDataDst1[9];
23. arm_matrix_instance_q31 pSrcA1; //3行3列数据
24. arm_matrix_instance_q31 pSrcB1; //3行3列数据
25. arm_matrix_instance_q31 pDst1;
26. /****定点数Q15数组******************************************************************/
27. q15_t pDataA2[9] = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5};
28. q15_t pDataB2[9] = {2, 2, 2, 2, 23, 2, 2, 2, 2};
29. q15_t pDataDst2[9];
30. arm_matrix_instance_q15 pSrcA2; //3行3列数据
31. arm_matrix_instance_q15 pSrcB2; //3行3列数据
32. arm_matrix_instance_q15 pDst2;
33. /****浮点数***********************************************************************/
34. pSrcA.numCols = 3;
35. pSrcA.numRows = 3;
36. pSrcA.pData = pDataA;
37. pSrcB.numCols = 3;
38. pSrcB.numRows = 3;
39. pSrcB.pData = pDataB;
40. pDst.numCols = 3;
41. pDst.numRows = 3;
42. pDst.pData = pDataDst;
43. printf("****浮点数******************************************rn");
44. arm_mat_sub_f32(&pSrcA, &pSrcB, &pDst);
45. for(i = 0; i < 9; i++)
46. {
47. printf("pDataDst[%d] = %frn", i, pDataDst[i]);
48. }
49. /****定点数Q31***********************************************************************/
50. pSrcA1.numCols = 3;
51. pSrcA1.numRows = 3;
52. pSrcA1.pData = pDataA1;
53. pSrcB1.numCols = 3;
54. pSrcB1.numRows = 3;
55. pSrcB1.pData = pDataB1;
56. pDst1.numCols = 3;
57. pDst1.numRows = 3;
58. pDst1.pData = pDataDst1;
59. printf("****定点数Q31******************************************rn");
60. arm_mat_sub_q31(&pSrcA1, &pSrcB1, &pDst1);
61. for(i = 0; i < 9; i++)
62. {
63. printf("pDataDst1[%d] = %drn", i, pDataDst1[i]);
64. }
65. /****定点数Q15***********************************************************************/
66. pSrcA2.numCols = 3;
67. pSrcA2.numRows = 3;
68. pSrcA2.pData = pDataA2;
69. pSrcB2.numCols = 3;
70. pSrcB2.numRows = 3;
71. pSrcB2.pData = pDataB2;
72. pDst2.numCols = 3;
73. pDst2.numRows = 3;
74. pDst2.pData = pDataDst2;
75. printf("****定点数Q15******************************************rn");
76. arm_mat_sub_q15(&pSrcA2, &pSrcB2, &pDst2);
77. for(i = 0; i < 9; i++)
78. {
79. printf("pDataDst2[%d] = %drn", i, pDataDst2[i]);
80. }
81. }

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1. 矩阵的减法从C语言的实现上来看，比较的容易，下面通过Matlab来求解矩阵和（在命令窗口输入）。


19.5 总结
    本期教程就跟大家讲这么多，有兴趣的可以深入研究下算法的具体实现。