SAM4E單片機(jī)之旅——23、在AS6（GCC）中使用FPU

時(shí)間：2018-11-14 16:20:02

關(guān)鍵字： fpu gcc sam4e 單片機(jī) as6

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[導(dǎo)讀]浮點(diǎn)單元（Floating Point Unit，F(xiàn)PU)，是用于處理浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的單元。為使用FPU，除了需要啟用FPU外，還需要對(duì)編譯器進(jìn)行設(shè)置，以使其針對(duì)浮點(diǎn)運(yùn)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

浮點(diǎn)單元（Floating Point Unit，F(xiàn)PU)，是用于處理浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的單元。

為使用FPU，除了需要啟用FPU外，還需要對(duì)編譯器進(jìn)行設(shè)置，以使其針對(duì)浮點(diǎn)運(yùn)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(rèn)就完成了這兩部分工作，但這次仍然對(duì)設(shè)置的方法進(jìn)行介紹，同時(shí)簡單測(cè)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(jìn)制文件接口是eabi。

在ARM GCC中，可以使用-mfloat-abi選項(xiàng)設(shè)置浮點(diǎn)數(shù)的ABI：

AS6.1使用的編譯器，默認(rèn)情況下即使用soft選項(xiàng)。而為了使用FPU，這里將使用softfp選項(xiàng)。

soft：調(diào)用軟浮點(diǎn)庫對(duì)浮點(diǎn)運(yùn)算進(jìn)行支持。在GCC中采用常用的指令來模擬浮點(diǎn)運(yùn)算。

softfp：使用FPU進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。但是在函數(shù)調(diào)用時(shí)，仍然使用通用的寄存器傳遞浮點(diǎn)數(shù)參數(shù)。這需要額外的類型轉(zhuǎn)換的開銷。

hard：使用FPU進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。而且在函數(shù)調(diào)用時(shí)，使用FPU的寄存器傳遞浮點(diǎn)數(shù)參數(shù)。

使用-mfpu選項(xiàng)設(shè)置FPU硬件的類型。

SAM4E搭載了Cortex-M4F FPU，它實(shí)現(xiàn)了FPv4-SP版本（SP表示單精度）的浮點(diǎn)數(shù)擴(kuò)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(dāng)作16個(gè)64位的雙精度寄存器以進(jìn)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(gè)64位寄存器。

AS6中的設(shè)置。

在解決方案管理器中，右鍵點(diǎn)擊工程，進(jìn)入屬性頁面。然后選中“Toolchain”選項(xiàng)卡，再選擇“ARM/GUN C Complier”下的“Miscellaneous”選項(xiàng)，就可以看到自定義的編譯器的選項(xiàng)了。

可以看到，默認(rèn)情況下已經(jīng)追加了“-mfloat-abi=softfp-mfpu=vfpv4”的選項(xiàng)了。vfpv4默認(rèn)表示vfpv4-D32，表示實(shí)現(xiàn)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(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(jìn)行修改。

二、啟用FPU

開發(fā)板重置時(shí)，F(xiàn)PU是禁止訪問的。但是AS6中使用的startup文件會(huì)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：

12#include // 會(huì)和sam.h的宏定義沖突，使用board.h即可fpu_enable();

fpu_enable()的實(shí)現(xiàn)如下：

12345678910111213141516/** 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()。

所以，只需要設(shè)置好了編譯器的參數(shù)，就可以自動(dòng)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(diǎn)運(yùn)算時(shí)預(yù)定義，__SOFTFP__是使用軟模擬浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)預(yù)定義。GCC可以使用“-dM –E”參數(shù)打印出預(yù)定義的宏。

該函數(shù)在調(diào)用main()函數(shù)之前，會(huì)執(zhí)行以下代碼：

123#if __FPU_USEDfpu_enable();#endif

__FPU_USED在以下代碼中定義：

12345678910//.../* 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(yùn)算，且運(yùn)算不是用軟件實(shí)現(xiàn)的 */#if defined (__VFP_FP__) && !defined(__SOFTFP__)/* 判斷目標(biāo)平臺(tái)是否有FPU */#if (__FPU_PRESENT == 1)#define __FPU_USED 1#else//...

__FPU_PRESENT在sam4e16e.h中定義：

12/**< SAM4E16E does provide a FPU */#define __FPU_PRESENT 1

三、測(cè)試

在第一次示例教程中，我們使用了空循環(huán)來進(jìn)行延時(shí)，來完成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(duì)一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算。然后觀察在是否使用硬件FPU時(shí)，LED閃爍的頻率的差別。

將延時(shí)函數(shù)修改如下：

123456voidDelay(intnum){volatilefloatf = 1.0f;for(volatileinti = 0; i < 1024 * 64 * num; ++i )f *= 1.1f;}

然后分別使用“-mfloat-abi=softfp”和“-mfloat-abi=soft”選項(xiàng)編譯并執(zhí)行程序，觀察LED閃爍的頻率。