ARM 浮点运算详解

早期的ARM没有协处理器，所以浮点运算是由CPU来模拟的，即所需浮点运算均在浮点运算模拟器（float math emulation）上进行，需要的浮点运算，常要耗费数千个循环才能执行完毕，因此特别缓慢。

直到今天，在ARM Kernel配置时，都有如下选项：

Floating point emulation --->

[ ] NWFPE math emulation

[ ] FastFPE math emulation (EXPERIMENTAL)

在这里，可以配置ARM 浮点模拟器。

浮点模拟器 模拟浮点是利用了undefined instrction handler，在运算过程中遇到浮点计算是产生异常中断，这么做带来的后果是带来极频繁的exception，大大增加中断延迟，降低系统实时性。

二：软浮点技术：

软浮点支持是由交叉工具链提供的功能，与Linux内核无关。当使用软浮点工具链编译浮点操作时，编译器会用内联的浮点库替换掉浮点操作，使得生成的机器码完全不含浮点指令，但是又能够完成正确的浮点操作。

三：浮点协处理器：

在较新版本的ARM中，可以添加协处理器。 一些ARM CPU为了更好的处理浮点计算的需要，添加了浮点协处理器。

并定义了浮点指令集。 如果不存在实际的硬件，则这些指令被截获并由浮点模拟器模块(FPEmulator)来执行。

四: 硬件浮点协处理器以及对应指令集的使用:

想要使用硬件浮点协处理器来帮助运算Application中的浮点运算。需要以下几个前提条件：

1. Kernel中设置支持硬件协处理器。

2. 编译器支持将浮点运算翻译成硬件浮点运算指令，或者在需要浮点运算的时候手动调用相应的浮点运算指令。

1. Kernle的支持：

如果Kernel不支持浮点协处理器，则因为协处理器寄存器等使用权限等问题，协处理器对应指令无法运行。

网络上有位高手指出：

CP15 c1 协处理器访问控制寄存器，这个寄存器规定了用户模式和特权对协处理器的访问权限。我们要使用VFP当然要运行用户模式访问CP10和CP11。
另外一个寄存器是VFP的FPEXC Bit30这是VFP功能的使用位。
其实操作系统在做了这两件事情之后，用户程序就可以使用VFP了。当然，Kernel 除了这2件事外，还处理了其他一些事情。

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. 编译器指定浮点指令：

编译器可以显式指定将浮点运算翻译成何种浮点指令。

如果编译器支持软浮点，则其可能会将浮点运算翻译成编译器中自带的浮点库。则不会有真正的浮点运算。

否则，可以翻译成FPA(FloatingPointAccelerator)指令。 FPA指令再去查看是否有浮点模拟器。

还可以将浮点运算指定为VFP（vectorfloating point）指令或者neon向量浮点指令。

五. 编译器指定编译硬浮点指令:

测试浮点加减乘除等运算的时间长度：

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];
}
}

通过printf 计算前后毫秒数的差值来看计算能力。

编译：

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

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

运行，则得到32位浮点数加1024次所需要时间。

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./

则运行后发现，所需要时间几乎减小了一半。 说明还是非常有效果的。

关于-mfpu -mfloat-abi讲解：见附录2。

另外，如何才能在直观的检查出是否使用VFP呢？

可以通过察看编译出的ASM程序得到结论。

#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

这里明显包含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 指令指令在附录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}

则不包含VFP指令。

且去调用 __aeabi_fadd

附录1 ：VFP 指令

可以查看arm的realView文档。

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

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