SAM4E單片機之旅——23、在AS6（GCC）中使用FPU

　　浮點單元(Floating Point Unit，FPU)，是用于處理浮點數(shù)運算的單元。

　　為使用FPU，除了需要啟用FPU外，還需要對編譯器進行設(shè)置，以使其針對浮點運算生成特殊的指令。雖然在Atmel Studio 6中，開發(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(shè)置的方法進行介紹，同時簡單測試一下FPU的效率。

　　一、 編譯器設(shè)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”表示沒有指定操作系統(tǒng)，“eabi”表示使用的二進制文件接口是eabi。

　　在ARM GCC中，可以使用-mfloat-abi選項設(shè)置浮點數(shù)的ABI：

　　soft： 調(diào)用軟浮點庫對浮點運算進行支持。在GCC中采用常用的指令來模擬浮點運算。

　　softfp： 使用FPU進行浮點數(shù)運算。但是在函數(shù)調(diào)用時，仍然使用通用的寄存器傳遞浮點數(shù)參數(shù)。這需要額外的類型轉(zhuǎn)換的開銷。

　　hard： 使用FPU進行浮點數(shù)運算。而且在函數(shù)調(diào)用時，使用FPU的寄存器傳遞浮點數(shù)參數(shù)。

　　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(shè)置FPU硬件的類型。

　　SAM4E搭載了Cortex-M4F FPU，它實現(xiàn)了FPv4-SP版本(SP表示單精度)的浮點數(shù)擴展。另外，它也搭載了32個32位的單精度寄存器，而這些寄存器也可以被當(dāng)作16個64位的雙精度寄存器以進行l(wèi)oad，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64位寄存器。

　　AS6中的設(shè)置。

　　在解決方案管理器中，右鍵點擊工程，進入屬性頁面。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，表示實現(xiàn)了完全的FPV4的版本，且配有32個64位寄存器。很明顯，這是一個不怎么正確的設(shè)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行修改。

　　二、 啟用FPU

　　開發(fā)板重置時，F(xiàn)PU是禁止訪問的。但是AS6中使用的startup文件會根據(jù)編譯器設(shè)置啟用FPU。

　　啟用FPU的方法

　　向FPU的CPACR寄存器的CP10和CP11字段寫入0b11即可開放FPU的完全訪問權(quán)限。另外，在特權(quán)模式下才能讀寫該寄存器。

　　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(yīng)的API：

　　#include // 會和sam.h的宏定義沖突，使用board.h即可

　　fpu_enable();

　　fpu_enable() 的實現(xiàn)如下：

　　/** CPACR寄存器 */

　　#define ADDR_CPACR 0xE000ED88

　　#define REG_CPACR (*((volatile uint32_t *)ADDR_CPACR))

　　/** 保存CPU當(dāng)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 */

　　/** 根據(jù)設(shè)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

　　開發(fā)板使用的AS6的工程模板中，程序的入口函數(shù)是Reset_Handler() 。

　　該函數(shù)在調(diào)用main() 函數(shù)之前，會執(zhí)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__ )

　　/* 判斷是否啟用浮點運算，且運算不是用軟件實現(xiàn)的 */

　　#if defined (__VFP_FP__) && !defined(__SOFTFP__)

　　/* 判斷目標(biāo)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(shè)置好了編譯器的參數(shù)，就可以自動啟用FPU了。

　　PS：__GNUC__ 在GCC編譯器預(yù)定義的宏，__VFP_FP__ 在GCC啟用浮點運算時預(yù)定義，__SOFTFP__ 是使用軟模擬浮點運算時預(yù)定義。GCC可以使用“-dM –E”參數(shù)打印出預(yù)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)來進行延時，來完成LED的閃爍工作。在這里，我們將這個空循環(huán)的循環(huán)體修改為對一個浮點數(shù)的運算。然后觀察在是否使用硬件FPU時，LED閃爍的頻率的差別。

　　將延時函數(shù)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(zhí)行程序，觀察LED閃爍的頻率。