kernel 对浮点的支持

http://blog.chinaunix.net/uid-22545494-id-316735.html

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        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

 ARM的GCC 编译选项：

http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.1.1/gcc/ARM-Options.html#ARM-Options

附录1 ：VFP 指令

• VABS、VNEG 和 VSQRT

  浮点绝对值、求反和平方根。

• VADD、VSUB 和 VDIV

  浮点加法、减法和除法。

• VMUL、VMLA、VMLS、VNMUL、VNMLA 和 VNMLS

  浮点乘法和乘加，包含可选求反。

• VCMP

  浮点数比较。

• VCVT（在单精度数和双精度数之间）

  在单精度数和双精度数之间转换。

• VCVT（在浮点数和整数之间）

  在浮点数和整数之间转换。

• VCVT（在浮点数和定点数之间）

  在浮点数和定点数之间转换。

• VCVTB，VCVTT（半精度扩展）

  在半精度和单精度浮点数之间转换。

• VMOV

  将浮点常数插入单精度或双精度寄存器。

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