ARM 浮点运算一

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:

使用GNU ARM编译器翻译成的部分汇编代码如下:

从图中我们可以知道，默认情况下，编译器使用的是软浮点，图中__aeabi_fadd这个函数是在浮点库中实现。如果想让代码能正常的运行，还需要在连接的时候静态连接一下浮点库。

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:

翻译成的汇编代码如下:

start.s:
        .global _start
        #define USER_MODE 0x10
        _start:
        @ 设置为所有模式都可以访问协处理器,cortex-A8手册 3.2.27
        mov r0, #0xfffffff
        mcr p15, 0, r0, c1, c0, 2
        @ 使能NEON and VFP协处理器,NEON and VFP enable bit.
        @ 设置fpexc的30位为1去使能NEON and VFP,cortex-A8 手册 13.4.3
        ldr r0, =1<<30
        fmxr fpexc, r0
        @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()
        {
  nbsp;              float f1,f2,f3;
                f1 = 1.24;
                f2 = 1.22;
                f3 = f1 + f2;
                return 0;
        }
        Makefile:
        CC=arm-none-eabi-gcc
        AS=arm-none-eabi-as
        LD=arm-none-eabi-ld
        OBJDUMP=arm-none-eabi-objdump
        RM=rm -rf
        CFLAG=-g -c -mfpu=neon -mfloat-abi=softfp
        ASFLAG=-g -c -mfpu=neon -mfloat-abi=softfp
        OBJ=start.o main.o
        #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