SAM4E單片機之旅——23、在A(yíng)S6（GCC）中使用FPU
加入技術(shù)交流群
浮點(diǎn)單元(Floating Point Unit，FPU)，是用于處理浮點(diǎn)數運算的單元。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201705/358649.htm為使用FPU，除了需要啟用FPU外，還需要對編譯器進(jìn)行設置，以使其針對浮點(diǎn)運算生成特殊的指令。雖然在A(yíng)tmel Studio 6中，開(kāi)發(fā)板使用的工程模板中默認就完成了這兩部分工作，但這次仍然對設置的方法進(jìn)行介紹，同時(shí)簡(jiǎn)單測試一下FPU的效率。
一、 編譯器設置
AS6.1 SP2中，使用的編譯器為arm-none-eabi-gcc.exe，版本為4.7.3。其中“none”表示沒(méi)有指定操作系統，“eabi”表示使用的二進(jìn)制文件接口是eabi。
在A(yíng)RM GCC中，可以使用-mfloat-abi選項設置浮點(diǎn)數的ABI：
soft： 調用軟浮點(diǎn)庫對浮點(diǎn)運算進(jìn)行支持。在GCC中采用常用的指令來(lái)模擬浮點(diǎn)運算。
softfp： 使用FPU進(jìn)行浮點(diǎn)數運算。但是在函數調用時(shí)，仍然使用通用的寄存器傳遞浮點(diǎn)數參數。這需要額外的類(lèi)型轉換的開(kāi)銷(xiāo)。
hard： 使用FPU進(jìn)行浮點(diǎn)數運算。而且在函數調用時(shí)，使用FPU的寄存器傳遞浮點(diǎn)數參數。
AS6.1使用的編譯器，默認情況下即使用soft選項。而為了使用FPU，這里將使用softfp選項。
使用-mfpu選項設置FPU硬件的類(lèi)型。
SAM4E搭載了Cortex-M4F FPU，它實(shí)現了FPv4-SP版本(SP表示單精度)的浮點(diǎn)數擴展。另外，它也搭載了32個(gè)32位的單精度寄存器，而這些寄存器也可以被當作16個(gè)64位的雙精度寄存器以進(jìn)行load，store和move操作。
所以需要將-mfpu賦值為fpv4-sp-d16。其中d16表示有16個(gè)64位寄存器。
AS6中的設置。
在解決方案管理器中，右鍵點(diǎn)擊工程，進(jìn)入屬性頁(yè)面。然后選中“Toolchain”選項卡，再選擇“ARM/GUN C Complier”下的“Miscellaneous”選項，就可以看到自定義的編譯器的選項了。
可以看到，默認情況下已經(jīng)追加了“-mfloat-abi=softfp -mfpu=vfpv4”的選項了。vfpv4默認表示vfpv4-D32，表示實(shí)現了完全的FPV4的版本，且配有32個(gè)64位寄存器。很明顯，這是一個(gè)不怎么正確的設置，所以需要更改為“-mfloat-abi=softfp -mfpu= fpv4-sp-d16”：
注意，在Release版本的配置中也需要進(jìn)行修改。
二、 啟用FPU
開(kāi)發(fā)板重置時(shí)，FPU是禁止訪(fǎng)問(wèn)的。但是AS6中使用的startup文件會(huì )根據編譯器設置啟用FPU。
啟用FPU的方法
向FPU的CPACR寄存器的CP10和CP11字段寫(xiě)入0b11即可開(kāi)放FPU的完全訪(fǎng)問(wèn)權限。另外，在特權模式下才能讀寫(xiě)該寄存器。
在CMSIS中該寄存器的地址被定義成了保留地址。但是在fpu.h 中提供了相應的API：
#include
fpu_enable();
fpu_enable() 的實(shí)現如下：
/** CPACR寄存器 */
#define ADDR_CPACR 0xE000ED88
#define REG_CPACR (*((volatile uint32_t *)ADDR_CPACR))
/** 保存CPU當前中斷的狀態(tài)，并屏蔽之 */
irqflags_t flags;
flags = cpu_irq_save();
/** 修改CPACR寄存器*/
REG_CPACR |= (0xFu << 20);
__DSB(); /** 等待寄存器修改完成*/
__ISB(); /** 清空處理器流水線(xiàn) */
/** 根據設置決定是否重新啟用中斷 */
cpu_irq_restore(flags);
AS6中已經(jīng)完成的工作
開(kāi)發(fā)板使用的AS6的工程模板中，程序的入口函數是Reset_Handler() 。
該函數在調用main() 函數之前，會(huì )執行以下代碼：
#if __FPU_USED
fpu_enable();
#endif
__FPU_USED在以下代碼中定義：
//...
/* 判斷使用的編譯器是否為GCC */
#elif defined ( __GNUC__ )
/* 判斷是否啟用浮點(diǎn)運算，且運算不是用軟件實(shí)現的 */
#if defined (__VFP_FP__) && !defined(__SOFTFP__)
/* 判斷目標平臺是否有FPU */
#if (__FPU_PRESENT == 1)
#define __FPU_USED 1
#else
//...
__FPU_PRESENT 在sam4e16e.h 中定義：
/**< SAM4E16E does provide a FPU */
#define __FPU_PRESENT 1
所以，只需要設置好了編譯器的參數，就可以自動(dòng)啟用FPU了。
PS：__GNUC__ 在GCC編譯器預定義的宏，__VFP_FP__ 在GCC啟用浮點(diǎn)運算時(shí)預定義，__SOFTFP__ 是使用軟模擬浮點(diǎn)運算時(shí)預定義。GCC可以使用“-dM –E”參數打印出預定義的宏。
三、 測試
在第一次示例教程中，我們使用了空循環(huán)來(lái)進(jìn)行延時(shí)，來(lái)完成LED的閃爍工作。在這里，我們將這個(gè)空循環(huán)的循環(huán)體修改為對一個(gè)浮點(diǎn)數的運算。然后觀(guān)察在是否使用硬件FPU時(shí)，LED閃爍的頻率的差別。
將延時(shí)函數修改如下：
void Delay(int num)
{
volatile float f = 1.0f;
for (volatile int i = 0; i < 1024 * 64 * num; ++i )
f *= 1.1f;
}
然后分別使用“-mfloat-abi=softfp ”和“-mfloat-abi=soft ”選項編譯并執行程序，觀(guān)察LED閃爍的頻率。
評論