转载：
http://www.embedu.org/Column/Column821.htm
http://blog.sina.com.cn/s/blog_602f87700100r5xe.html
作者：程老师,华清远见嵌入式学院讲师。
很多时候我们要处理的数据，不仅仅是整数和字符串，还有浮点数即小数。在多媒体数据处理方面表现的更多。是不是所有的CPU都支持，浮点运算呢?答案:不是。
我们常常听到赢浮点和软浮点，这些到底说的是什么呢?下面我们就来一探究竟吧。在这里我们说的是ARM核浮点运算。
(1)硬浮点(hard-float)
编译器将代码直接编译成硬件浮点协处理器(浮点运算单元FPU)能识别的指令，这些指令在执行的时候ARM核直接把它转给协处理器执行。FPU 通常有一套额外的寄存器来完成浮点参数传递和运算。使用实际的硬件浮点运算单元(FPU)会带来性能的提升。
(2)软浮点(soft-float)
编译器把浮点运算转成浮点运算的函数调用和库函数调用，没有FPU的指令调用，也没有浮点寄存器的参数传 递。浮点参数的传递也是通过ARM寄存器或者堆栈完成。现在的Linux系统默认编译选择使用hard-float,如果系统没有任何浮点处理器单元，这 就会产生非法指令和异常。因而一般的系统镜像都采用软浮点以兼容没有VFP的处理器。
用一句话总结，软浮点是通过浮点库去实现浮点运算的，效率低；硬浮点是通过浮点运算单元(FPU)来完成的，效率高。
一、使用浮点库实现浮点运算(soft-float)
例如:我想实现两个浮点数相加，代码如下:
在这里我们以一个完成的案例来说明一下，软浮点库的使用方法。
start.S:
.global _start
#define USER_MODE 0x10
_start:
@设置CPU为user模式
mov r0,#USER_MODE
msr cpsr_c,r0
@跳到main函数
ldr sp,=0x34000
bl main
stop:
b stop
main.c:
int main()
{
float f1,f2,f3;
f1 = 1.24;
f2 = 1.22;
f3 = f1 + f2;
return 0;
}
Makefile:
LD=arm-none-eabi-ld
OBJDUMP=arm-none-eabi-objdump
RM=rm -rf
CFLAG= -g -c
ASFLAG=-g -c
OBJ=start.o main.o
LDFLAGS= -static -L\
#指定浮点库所在的路径
"C:\Program Files\yagarto\lib\gcc\arm-none-eabi\4.6.2" -lgcc
#设置编译模式
%.o:%.S
$(CC) $(ASFLAG) $< -o $@
%.o:%.c
$(CC) $(CFLAG) $< -o $@
all:$(OBJ)
$(LD) -Ttext=0x20000 $^ -o arm.elf $(LDFLAGS)
$(OBJDUMP) -D arm.elf > arm.dis
clean:
$(RM) *.o arm.dis arm.elf
使用硬件浮点实现浮点运算(hard-float)
使用硬件浮点的时候，我们需要给编译器传递一些参数，让编译器编译出硬件浮点单元处理器能识别的指令。
(1)-mfpu=name
参数-mfpu就是用来指定要产生那种硬件浮点运算指令,常用的右vfp和neon等。
浮点协处理器指令:
ARM10 and ARM9:
-mfpu=vfp(or vfpv1 or vfpv2)
Cortex-A8:
-mfpu=neon
(2) -mfloat-abi=value
-mfloat-abi=soft 使用这个参数时，其将调用软浮点库(softfloat
lib)来支持对浮点的运算，GCC编译器已经有这个库了，一般在libgcc里面。这时根本不会使用任何浮点指令，而是采用常用的指令来模拟浮点运算。
但使用的ARM芯片不支持硬浮点时，可以考虑使用这个参数。在使用这个参数时，连接时一般会出现下面的提示：
undefined reference to `__aeabi_fdiv'
或者类似的提示，主要因为一般情况下连接器没有去主动寻找软浮点库，这时使用将libgcc库加入即可。
-mfloat-abi=softfp
-mfloat-abi=hard
这两个参数都用来产生硬浮点指令，至于产生哪里类型的硬浮点指令，需要由
-mfpu=xxx参数来指令。这两个参数不同的地方是：
-mfloat-abi=softfp生成的代码采用兼容软浮点调用接口(即使用-mfloat-
abi=soft时的调用接口)，这样带来的好处是：兼容性和灵活性。库可以采用-mfloat-abi=soft编译，而关键的应用程序可以采用
-mfloat-abi=softfp来编译。特别是在库由第三方发布的情况下。
-mfloat-abi=hard生成的代码采用硬浮点(FPU)调用接口。这样要求所有库和应用程序必须采用这同一个参数来编译，否则连接时会出现接口不兼容错误。
我们对main.c文件使用硬件浮点重新编译:
#设置编译模式
%.o:%.S
$(CC) $(ASFLAG) $< -o $@
%.o:%.c
$(CC) $(CFLAG) $< -o $@
all:$(OBJ)
$(LD) -Ttext=0x20000 $^ -o arm.elf
$(OBJDUMP) -D arm.elf > arm.dis
clean:
$(RM) *.o arm.dis arm.elf
一：早期ARM上的浮点模拟器：
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，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:
这里Sam是这样理解的：
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。
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。
Sam看了看Kernel中对应代码，发现是汇编后就放弃继续研究了。
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(Floating Point Accelerator)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（vector floating point）指令。
五.
编译器指定编译硬浮点指令:
Sam有个测试程序，测试CPU浮点性能。例如：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
<test_F32bit_addition>:
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 <test_F32bit_addition+0x88>
28:
e3a03000
mov
r3, #0
2c:
e50b300c
str
r3, [fp, #-12]
30:
ea00000d
b
6c <test_F32bit_addition+0x6c>
34:
e51b200c
ldr
r2, [fp, #-12]
38:
e59f3064
ldr
r3, [pc, #100] ; a4
<test_F32bit_addition+0xa4>
3c:
e0831102
add
r1, r3, r2, lsl #2
40:
ed917a00
vldr
s14, [r1]
44:
e51b200c
ldr
r2, [fp, #-12]
48:
e59f3058
ldr
r3, [pc, #88] ; a8
<test_F32bit_addition+0xa8>
4c:
e0831102
add
r1, r3, r2, lsl #2
50:
edd17a00
vldr
s15, [r1]
54:
ee777a27
vadd.f32
s15, s14, s15
58:
e59f304c
ldr
r3, [pc, #76] ; ac
<test_F32bit_addition+0xac>
5c:
edc37a00
vstr
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
<test_F32bit_addition+0xb0>
74:
e1520003
cmp
r2, r3
78:
daffffed
ble
34 <test_F32bit_addition+0x34>
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
<test_F32bit_addition+0xb0>
90:
e1520003
cmp
r2, r3
94:
daffffe3
ble
28 <test_F32bit_addition+0x28>
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
<test_F32bit_addition>:
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 <test_F32bit_addition+0x90>
28:
e3a03000
mov
r3, #0
2c:
e50b300c
str
r3, [fp, #-12]
30:
ea00000f
b
74 <test_F32bit_addition+0x74>
34:
e51b200c
ldr
r2, [fp, #-12]
38:
e59f3068
ldr
r3, [pc, #104] ; a8
<test_F32bit_addition+0xa8>
3c:
e7932102
ldr
r2, [r3, r2, lsl #2]
40:
e51b100c
ldr
r1, [fp, #-12]
44:
e59f3060
ldr
r3, [pc, #96] ; ac
<test_F32bit_addition+0xac>
48:
e7933101
ldr
r3, [r3, r1, lsl #2]
4c:
e1a00002
mov
r0, r2
50:
e1a01003
mov
r1, r3
54:
ebfffffe
bl
0 <__aeabi_fadd>
58:
e1a03000
mov
r3, r0
5c:
e1a02003
mov
r2, r3
60:
e59f3048
ldr
r3, [pc, #72] ; b0
<test_F32bit_addition+0xb0>
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
<test_F32bit_addition+0xb4>
7c:
e1520003
cmp
r2, r3
80:
daffffeb
ble
34 <test_F32bit_addition+0x34>
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
<test_F32bit_addition+0xb4>
98:
e1520003
cmp
r2, r3
9c:
daffffe1
ble
28 <test_F32bit_addition+0x28>
a0:
e24bd004
sub
sp, fp, #4
a4:
e8bd8800
pop
{fp, pc}
则不包含VFP指令。
且去调用 __aeabi_fadd
六：新一代ARM
浮点引擎---Neon：
Neon是ARM核心附带的浮点SIMD引擎，可以把它当一个DSP用。
如果不使用Neon，就只能有CPU自带的VFP进行浮点运算。标准A8的VFP没有管线化，速度是比较低的。A9的VFP管线化后，效能有明显提升，但还是不如Neon。
Neon支持与VFP类似，都需要编译器和Kernel双方支持才可以。
Kernel配置中：
Floating point emulation
--->
[*] VFP-format floating point maths
[ ]
Advanced SIMD (NEON) Extension
support
需要选中。
编译器支持分析如下：
ARM的GCC 编译选项：
http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.1.1/gcc/ARM-Options.html#ARM-Options
七:
ARM浮点相关编译选项：
1。
-mfloat-abi=
可选值：soft，softfp，hard
soft: 编译器将浮点操作编译成调用输出库....(没吃透，也许是调用编译器中的软浮点实现？？)
softfp:
编译器生成硬件浮点指令（汇编语句见附录1）。但继续使用软浮点调用规则。
hard:编译器生成硬件浮点指令（汇编语句见附录1）。使用FPU指定的调用规则。
2.
-mhard-float- Equivalent to
-mfloat-abi=hard. -msoft-float- Equivalent to
-mfloat-abi=soft.
3.
-mfpu=
指定在此平台上，何种硬件浮点设备或者硬件浮点模拟器可用。
可用参数：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
vfp:
之前已经详细谈过。
neon:前面也谈过。但neon并不完全支持 IEEE
754。
4.
-mfpe=-mfp=
-mfpe=X -mfp=X 等同于-mfpu=fpeX 其中X为fpe后面的数字。为了与老版本GCC统一。
附录1 ：VFP 指令
浮点绝对值、求反和平方根。
浮点加法、减法和除法。
VMUL、VMLA、VMLS、VNMUL、VNMLA 和 VNMLS
浮点乘法和乘加，包含可选求反。
浮点数比较。
在单精度数和双精度数之间转换。
在浮点数和整数之间转换。
在浮点数和定点数之间转换。
在半精度和单精度浮点数之间转换。
将浮点常数插入单精度或双精度寄存器。
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 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.
Sam不明白为什么 hard不能使用。只好使用softfp
附录3：
RVCT 简介:
ARM公司提供的一套编译器。RVCT(RealView Compilation
Tools)业内公认的能够支持所有ARM处理器，并提供最好的执行性能的编译器。
RVDS 4.0中使用的编译器即为RVCT. 优化程度让人惊讶。
附录4:
其它与浮点有关的编译选项：
-ffast-math：
-fno-signed-zeros：高版本GCC才有的优化选项。与浮点里面的 正负0
有关。
附录5：GNU GCC, LD 官方文档：
点选 Documentation :
http://www.gnu.org/doc/doc.html
点选 GNU manuals: http://www.gnu.org/manual/manual.html
从list中选中GCC. : http://www.gnu.org/software/gcc/
从中选中Documentation->Manual
此处就是GNU GCC 所有document.
http://gcc.gnu.org/onlinedocs/
Sam需要看得是: GCC 4.6.0 Manual
http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.6.0/gcc/
LD:
LD则在list中选择：Binutils
(as
bfd binutils
gprof
ld)
http://sourceware.org/binutils/docs/ld/
Hi3716C:
Sam在Hi3716C 平台通常使用如下选项：
-mcpu=cortex-a9
-mfpu=vfp
-mfloat-abi=softfp
-march=armv7
-fsigned-char
-mcpu:
指出目标代码运行于何种ARM processor(ARM处理器)
可用的name 有：arm2, arm250, arm3, arm6, arm60,
arm600, arm610,arm620, arm7, arm7m, arm7d, arm7dm, arm7di, arm7dmi,
arm70, arm700, arm700i, arm710, arm710c, arm7100, arm720,arm7500,
arm7500fe, arm7tdmi, arm7tdmi-s, arm710t, arm720t, arm740t,
strongarm, strongarm110, strongarm1100,strongarm1110, arm8, arm810,
arm9, arm9e, arm920, arm920t, arm922t, arm946e-s, arm966e-s,
arm968e-s, arm926ej-s,arm940t, arm9tdmi, arm10tdmi, arm1020t,
arm1026ej-s, arm10e, arm1020e, arm1022e, arm1136j-s, arm1136jf-s,
mpcore, mpcorenovfp, arm1156t2-s, arm1156t2f-s,
arm1176jz-s, arm1176jzf-s, cortex-a5, cortex-a8, cortex-a9,
cortex-a15,cortex-r4, cortex-r4f, cortex-m4, cortex-m3, cortex-m1,
cortex-m0, xscale, iwmmxt, iwmmxt2, ep9312
-march=armv7
-march 指出目标ARM architecture(ARM指令集)。
可以使用的为：armv2, armv2a, armv3, armv3m, armv4, armv4t, armv5, armv5t,
armv5e, armv5te, armv6, armv6j,armv6t2, armv6z, armv6zk, armv6-m,
armv7, armv7-a, armv7-r, armv7-m, iwmmxt, iwmmxt2, ep9312