ARMCC和GCC編譯ARM代碼的軟浮點和硬浮點問題

VFP (vector floating-point)

從ARMv5開始，就有可選的Vector Floating Point (VFP)模塊，當然最新的如Cortex-A8,Cortex-A9和Cortex-A5可以配置成不帶VFP的模式供芯片廠商選擇。VFP經過若干年的發展，有VFPv2 (一些ARM9/ARM11)、VFPv3-D16（只使用16個浮點寄存器，默認為32個）和VFPv3+NEON (如大多數的Cortex-A8芯片)。對于包含NEON的ARM芯片，NEON一般和VFP公用寄存器。

硬浮點Hard-float

編譯器將代碼直接編譯成發射給硬件浮點協處理器（浮點運算單元FPU）去執行。FPU通常有一套額外的寄存器來完成浮點參數傳遞和運算。使用實際的硬件浮點運算單元FPU當然會帶來性能的提升。因為往往一個浮點的函數調用需要幾個或者幾十個時鐘周期。

軟浮點 Soft-float

編譯器把浮點運算轉換成浮點運算的函數調用和庫函數調用，沒有FPU的指令調用，也沒有浮點寄存器的參數傳遞。浮點參數的傳遞也是通過ARM寄存器或者堆棧完成。現在的Linux系統默認編譯選擇使用hard-float，即使系統沒有任何浮點處理器單元，這就會產生非法指令和異常。因而一般的系統鏡像都采用軟浮點以兼容沒有VFP的處理器。

armel和armhf ABI
在armel中，關于浮點數計算的約定有三種。以gcc為例，對應的-mfloat-abi參數值有三個：soft,softfp,hard。soft是指所有浮點運算全部在軟件層實現，效率當然不高，會存在不必要的浮點到整數、整數到浮點的轉換，只適合于早期沒有浮點計算單元的ARM處理器；softfp是目前armel的默認設置，它將浮點計算交給FPU處理，但函數參數的傳遞使用通用的整型寄存器而不是FPU寄存器；hard則使用FPU浮點寄存器將函數參數傳遞給FPU處理。需要注意的是，在兼容性上，soft與后兩者是兼容的，但softfp和hard兩種模式不兼容。默認情況下，armel使用softfp，因此將hard模式的armel單獨作為一個abi，稱之為armhf。而使用hard模式，在每次浮點相關函數調用時，平均能節省20個CPU周期。對ARM這樣每個周期都很重要的體系結構來說，這樣的提升無疑是巨大的。在完全不改變源碼和配置的情況下，在一些應用程序上，使用armhf能得到20%——25%的性能提升。對一些嚴重依賴于浮點運算的程序，更是可以達到300%的性能提升。

Soft-float和hard-float的編譯選項

在CodeSourcery gcc的編譯參數上，使用-mfloat-abi=name來指定浮點運算處理方式。-mfpu=name來指定浮點協處理的類型。可選類型如fpa，fpe2，fpe3，maverick，vfp，vfpv3，vfpv3-fp16，vfpv3-d16，vfpv3-d16-fp16，vfpv3xd，vfpv3xd-fp16，neon，neon-fp16，vfpv4，vfpv4-d16，fpv4-sp-d16，neon-vfpv4等。使用-mfloat-abi=hard (等價于-mhard-float)-mfpu=vfp來選擇編譯成硬浮點。使用-mfloat-abi=softfp就能兼容帶VFP的硬件以及soft-float的軟件實現，運行時的連接器ld.so會在執行浮點運算時對于運算單元的選擇，是直接的硬件調用還是庫函數調用，是執行/lib還是/lib/vfp下的libm。-mfloat-abi=soft （等價于-msoft-float）直接調用軟浮點實現庫。

在ARM RVCT工具鏈下，定義fpu模式：

? --fpu softvfp
? --fpu softvfp+vfpv2
? --fpu softvfp+vfpv3
? --fpu softvfp+vfpv_fp16
? --fpu softvfp+vfpv_d16
? --fpu softvfp+vfpv_d16_fp16.

定義浮點運算類型

--fpmode ieee_full :所有單精度float和雙精度double的精度都要和IEEE標準一致，具體的模式可以在運行時動態指定；

--fpmode ieee_fixed：舍入到最接近的實現的IEEE標準，不帶不精確的異常；

--fpmode ieee_no_fenv：舍入到最接近的實現的IEEE標準，不帶異常；

--fpmode std：非規格數flush到0、舍入到最接近的實現的IEEE標準，不帶異常；

--fpmode fast：更積極的優化，可能會有一點精度損失。

一個浮點軟鏈接實現的匯編例子

IMPORT __softfp_cos

BL __softfp_cos

ARMCC fplib浮點運算庫

__aeabi_dadd 浮點double類型數據的加法，__aeabi_fdiv 單精度浮點除法。

附錄：常見的芯片和VFP配置

Partial reference of SoC and supported ISAs

本文介紹了ARM代碼編譯時的軟浮點(soft-float)和硬浮點(hard-float)的編譯以及鏈接實現時的不同。從VFP浮點單元的引入到軟浮點(soft-float)和硬浮點(hard-float)的概念，然后是在GCC和ARMCC RVCT工具鏈下的具體編譯參數。