VFP--ARM浮点体系结构机介绍【转】

ARM VFP 的浮点功能为汽车动力系统、车身控制应用和图像应用（如打印中的缩放、转换和字体生成以及图形中的 3D 转换、FFT 和过滤）中使用的浮点运算提供增强的性能。下一代消费类产品（如 Internet 设备、机顶盒和家庭网关）可直接从 ARM VFP 受益。

VFP 应用

• 汽车控制应用
  • 动力系统
  • ABS、牵引控制和主动悬架
• 3D 图形
  • 数字消费类产品
  • 机顶盒、游戏机
• 图像
  • 激光打印机、静态数码相机、数码摄像机
• 工业控制系统
  • 运动控制

工业和汽车领域中的许多实时控制应用都得益于 ARM VFP 提供的浮点的动态范围和准确性。汽车动力系统、防抱死制动系统、牵引控制和主动悬架系统都是关键业务应用，它们对准确性和可预测性的要求必不可少。

VFP 体系结构版本

    在 ARMv7 体系结构之前，VFP 代表矢量浮点体系结构，并曾用于矢量运算。

    对于许多应用来说，设置硬件浮点至关重要，并且硬件浮点可用作使用高级设计工具（如 MatLab、MATRIXx 和 LabVIEW）直接对系统建模和派生应用程序代码的片上系统 (SoC) 设计流程的一部分。在与 NEON™ 多媒体处理功能结合使用时，硬件浮点可用于增强图像应用程序的性能（如缩放、2D 和 3D 转换、字体生成和数字过滤）。

迄今为止，VFP 主要有三个版本：

• VFPv1 已废弃。要获取详细信息，可向 ARM 发送相关请求。
• VFPv2 是对 ARMv5TE、ARMv5TEJ 和 ARMv6 体系结构中 ARM 指令集的可选扩展。
• VFPv3 是对 ARMv7-A 和 ARMv7-R 配置文件中 ARM、Thumb&reg; 和 ThumbEE 指令集的可选扩展。可使用 32 个或 16 个双字长寄存器实现 VFPv3。术语 VFPv3-D32 和 VFPv3-D16 用于区别这两个实现选项。可通过半精度扩展对 VFPv3 进行扩展，这些扩展可在半精度浮点和单精度浮点之间提供双向转换功能。</ol>

• ARM VFPv2 ISA
• 16 个双精度或 32 个单精度寄存器
• 使 ARM 支持代码完全符合 IEEE754
• 大致符合 IEEE754 的快速运行模式（仅硬件）
• 与 VFP10 和 VFP11 保持二进制兼容
• 可使用支持工具和单元库移植到任何工艺
• 100 - 130K 门
• 1.3Mflops/MHz
• 面积 <1.0mm2 TSMC 0.13µm G
• 180 - 210MHz（最坏情况）TSMC 0.13µm G
• <0.4mW/MHz（典型情况）功耗 TSMC 0.13µm G

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，在运算过程中遇到浮点计算是产生异常中断，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:

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，或者在需要浮点运算的时候手动调用相应的浮点运算指令。

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。

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）指令或者neon向量浮点指令。

五. 编译器指定编译硬浮点指令:

测试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

附录1 ：VFP 指令

可以查看arm的realView文档。

http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.dui0204ic/Bcffbdga.html

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.