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ARM 浮点运算详解

(2011-04-16 17:06:58)
标签:

arm

vfp

float-point

unit

rvct

neon

gcc

分类: 嵌入式Linux

作者: Sam(甄峰)  sam_code@hotmail.com

 

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             88 <test_F32bit_addition+0x88>
  28:   e3a03000        mov     r3, #0
  2c:   e50b300c        str     r3, [fp, #-12]
  30:   ea00000d             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             90 <test_F32bit_addition+0x90>
  28:   e3a03000        mov     r3, #0
  2c:   e50b300c        str     r3, [fp, #-12]
  30:   ea00000f             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=name:

Specifies which floating-point ABI to use.指定浮点应用程序二进制接口

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=name

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=number
-mfp=number

-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

 

 

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:

www.gnu.org

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

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