ARM 浮點運算詳解

早期的ARM沒有協處理器，所以浮點運算是由CPU來模擬的，即所需浮點運算均在浮點運算模擬器（float math emulation）上進行，需要的浮點運算，常要耗費數千個循環才能執行完畢，因此特別緩慢。

直到今天，在ARM Kernel配置時，都有如下選項：

Floating point emulation --->

[ ] NWFPE math emulation

[ ] FastFPE math emulation (EXPERIMENTAL)

在這里，可以配置ARM 浮點模擬器。

浮點模擬器 模擬浮點是利用了undefined instrction handler，在運算過程中遇到浮點計算是產生異常中斷，這么做帶來的后果是帶來極頻繁的exception，大大增加中斷延遲，降低系統實時性。

二：軟浮點技術：

軟浮點支持是由交叉工具鏈提供的功能，與Linux內核無關。當使用軟浮點工具鏈編譯浮點操作時，編譯器會用內聯的浮點庫替換掉浮點操作，使得生成的機器碼完全不含浮點指令，但是又能夠完成正確的浮點操作。

三：浮點協處理器：

在較新版本的ARM中，可以添加協處理器。 一些ARM CPU為了更好的處理浮點計算的需要，添加了浮點協處理器。

并定義了浮點指令集。 如果不存在實際的硬件，則這些指令被截獲并由浮點模擬器模塊(FPEmulator)來執行。

四: 硬件浮點協處理器以及對應指令集的使用:

想要使用硬件浮點協處理器來幫助運算Application中的浮點運算。需要以下幾個前提條件：

1. Kernel中設置支持硬件協處理器。

2. 編譯器支持將浮點運算翻譯成硬件浮點運算指令，或者在需要浮點運算的時候手動調用相應的浮點運算指令。

1. Kernle的支持：

如果Kernel不支持浮點協處理器，則因為協處理器寄存器等使用權限等問題，協處理器對應指令無法運行。

網絡上有位高手指出：

CP15 c1 協處理器訪問控制寄存器，這個寄存器規定了用戶模式和特權對協處理器的訪問權限。我們要使用VFP當然要運行用戶模式訪問CP10和CP11。
另外一個寄存器是VFP的FPEXC Bit30這是VFP功能的使用位。
其實操作系統在做了這兩件事情之后，用戶程序就可以使用VFP了。當然，Kernel 除了這2件事外，還處理了其他一些事情。

Floating point emulation --->
[*]VFP-format floating point maths

Include VFP support code in the kernel. This is needed IF your hardware includes a VFP unit.

2. 編譯器指定浮點指令：

編譯器可以顯式指定將浮點運算翻譯成何種浮點指令。

如果編譯器支持軟浮點，則其可能會將浮點運算翻譯成編譯器中自帶的浮點庫。則不會有真正的浮點運算。

否則，可以翻譯成FPA(FloatingPointAccelerator)指令。 FPA指令再去查看是否有浮點模擬器。

還可以將浮點運算指定為VFP（vectorfloating point）指令或者neon向量浮點指令。

五. 編譯器指定編譯硬浮點指令:

測試浮點加減乘除等運算的時間長度：

float src_mem_32[1024] = {1.024};

float dst_mem_32[1024] = {0.933};

for(j = 0; j < 1024; j++)
{
for(i = 0; i < 1024; i++)
{
src_32 = src_mem_32[i] + dst_mem_32[i];
}
}

通過printf 計算前后毫秒數的差值來看計算能力。

編譯：

arm-hisiv200-linux-gcc -c -Wall fcpu.c -o fcpu.o

arm-hisiv200-linux-gcc fcpu.o -o FCPU -L./

運行，則得到32位浮點數加1024次所需要時間。

如果要使用VFP呢？

arm-hisiv200-linux-gcc -c -Wall -mfpu=vfp -mfloat-abi=softfp fcpu.c -o fcpu.o

arm-hisiv200-linux-gcc -Wall -mfpu=vfp -mfloat-abi=softfp fcpu.o -o FCPU -L./

則運行后發現，所需要時間幾乎減小了一半。 說明還是非常有效果的。

關于-mfpu -mfloat-abi講解：見附錄2。

另外，如何才能在直觀的檢查出是否使用VFP呢？

可以通過察看編譯出的ASM程序得到結論。

#arm-hisiv200-linux-objdump -d fcpu.o

00000000 :
0: e52db004 push {fp} ; (str fp, [sp, #-4]!)
4: e28db000 add fp, sp, #0
8: e24dd00c sub sp, sp, #12
c: e3a03000 mov r3, #0
10: e50b300c str r3, [fp, #-12]
14: e3a03000 mov r3, #0
18: e50b3008 str r3, [fp, #-8]
1c: e3a03000 mov r3, #0
20: e50b3008 str r3, [fp, #-8]
24: ea000017 b 88
28: e3a03000 mov r3, #0
2c: e50b300c str r3, [fp, #-12]
30: ea00000d b 6c
34: e51b200c ldr r2, [fp, #-12]
38: e59f3064 ldr r3, [pc, #100] ; a4
3c: e0831102 add r1, r3, r2, lsl #2
40: ed917a00vldr s14, [r1]
44: e51b200c ldr r2, [fp, #-12]
48: e59f3058 ldr r3, [pc, #88] ; a8
4c: e0831102 add r1, r3, r2, lsl #2
50: edd17a00vldr s15, [r1]
54: ee777a27vadd.f32 s15, s14, s15
58: e59f304c ldr r3, [pc, #76] ; ac
5c: edc37a00vstr s15, [r3]
60: e51b300c ldr r3, [fp, #-12]
64: e2833001 add r3, r3, #1
68: e50b300c str r3, [fp, #-12]
6c: e51b200c ldr r2, [fp, #-12]
70: e59f3038 ldr r3, [pc, #56] ; b0
74: e1520003 cmp r2, r3
78: daffffed ble 34
7c: e51b3008 ldr r3, [fp, #-8]
80: e2833001 add r3, r3, #1
84: e50b3008 str r3, [fp, #-8]
88: e51b2008 ldr r2, [fp, #-8]
8c: e59f301c ldr r3, [pc, #28] ; b0
90: e1520003 cmp r2, r3
94: daffffe3 ble 28
98: e28bd000 add sp, fp, #0
9c: e49db004 pop {fp} ; (ldr fp, [sp], #4)
a0: e12fff1e bx lr

這里明顯包含vfp指令。 所以是使用vfp指令的：

arm-hisiv200-linux-gcc -c -Wall -mfpu=vfp -mfloat-abi=softfp fcpu.c -o fcpu.o

注意：VFP 指令指令在附錄1中。

如果使用：

arm-hisiv200-linux-gcc -c -Wall fcpu.c -o fcpu.o

#arm-hisiv200-linux-objdump -d fcpu.o

00000000 :
0: e92d4800 push {fp, lr}
4: e28db004 add fp, sp, #4
8: e24dd008 sub sp, sp, #8
c: e3a03000 mov r3, #0
10: e50b300c str r3, [fp, #-12]
14: e3a03000 mov r3, #0
18: e50b3008 str r3, [fp, #-8]
1c: e3a03000 mov r3, #0
20: e50b3008 str r3, [fp, #-8]
24: ea000019 b 90
28: e3a03000 mov r3, #0
2c: e50b300c str r3, [fp, #-12]
30: ea00000f b 74
34: e51b200c ldr r2, [fp, #-12]
38: e59f3068 ldr r3, [pc, #104] ; a8
3c: e7932102 ldr r2, [r3, r2, lsl #2]
40: e51b100c ldr r1, [fp, #-12]
44: e59f3060 ldr r3, [pc, #96] ; ac
48: e7933101 ldr r3, [r3, r1, lsl #2]
4c: e1a00002 mov r0, r2
50: e1a01003 mov r1, r3
54: ebfffffebl 0 <__aeabi_fadd>
58: e1a03000 mov r3, r0
5c: e1a02003 mov r2, r3
60: e59f3048 ldr r3, [pc, #72] ; b0
64: e5832000 str r2, [r3]
68: e51b300c ldr r3, [fp, #-12]
6c: e2833001 add r3, r3, #1
70: e50b300c str r3, [fp, #-12]
74: e51b200c ldr r2, [fp, #-12]
78: e59f3034 ldr r3, [pc, #52] ; b4
7c: e1520003 cmp r2, r3
80: daffffeb ble 34
84: e51b3008 ldr r3, [fp, #-8]
88: e2833001 add r3, r3, #1
8c: e50b3008 str r3, [fp, #-8]
90: e51b2008 ldr r2, [fp, #-8]
94: e59f3018 ldr r3, [pc, #24] ; b4
98: e1520003 cmp r2, r3
9c: daffffe1 ble 28
a0: e24bd004 sub sp, fp, #4
a4: e8bd8800 pop {fp, pc}

則不包含VFP指令。

且去調用 __aeabi_fadd

附錄1 ：VFP 指令

可以查看arm的realView文檔。

http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.dui0204ic/Bcffbdga.html

附錄2：

-mfpu=name
-mfpe=number
-mfp=number
This specifies what floating point hardware (or hardware emulation) is available on the target. Permissible names are: fpa, fpe2, fpe3, maverick, vfp. -mfp and -mfpe are synonyms for -mfpu=fpenumber, for compatibility with older versions of GCC.

-mfloat-abi=name
Specifies which ABI to use for floating point values. Permissible values are: soft, softfp and hard.

soft and hard are equivalent to -msoft-float and -mhard-float respectively. softfp allows the generation of floating point instructions, but still uses the soft-float calling conventions.