【技术分享】APM32F411 如何在Eclipse环境下开启FPU

只看该作者 · 2023-11-7 15:45

本帖最后由 kai迪皮于 2023-11-7 15:46 编辑

#申请原创# @21小跑堂

1 背景

APM32F411是基于Arm® Cortex®-M4F内核的MCU，这个内核自带FPU。我们的程序中有大量的浮点运算的时候FPU会给我们带来相对比较快的运算速度。

本帖子就APM32F411如何在Eclipse环境下开启FPU，进行一个简单的梳理及分享。因为之前有朋友问我在Eclipse环境下如何开启FPU，便想着最近有时间整理一下思路给到需要的小伙伴。

2 ARM Cortex - M4 FPU

首先先简单介绍一下，啥是FPU。简单来说它是ARM Cortex - M4内核MCU的一个可选的协处理的存在（由于是可选的，一些ARM Cortex - M4是没有FPU的），它可以在我们进行单精度浮点运算时加速我们的运算。

需要注意的是：浮点数可以是单精度（C 中的“float”）或双精度（C 中的“double”）。ARM Cortex - M4 处理器中的 FPU 支持单精度运算，但不支持双精度运算。如果存在双精度计算，则 C 编译器将使用运行时库函数在软件中处理计算（大多数编译器将使用整数运算（而不是单精度 FP）模拟双精度）。为了能最大化利用ARM Cortex - M4的FPU，我们最好以单精度进行数据的处理。

2.1 FPU的汇编指令

我们一般会使用到的FPU的汇编指令有：

1. 无符号转浮点型的：vcvt.f32.u32，用于将无符号整数（unsigned int）转换为单精度浮点数（float）。
2. 乘法的：vmul.f32，用于执行单精度浮点数的乘法运算。
3. 除法的：vdiv.f32，用于执行单精度浮点数的除法运算。

2.2 如何开启FPU

在APM32F4的SDK中SystemInit()函数里，有这样一段代码负责开启其FPU：

复制

   /* FPU settings */

    #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)

    SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2));  //!< set CP10 and CP11 Full Access

    #endif

其中__FPU_PRESENT 在apm32f4xx.h中被设置成了1；

而__FPU_USED需要我们在编译器上进行设置。

在Eclipse+GCC的环境下，我们开启FPU的方法是（即设置__FPU_USED=1），选择工程右键打开配置“Properties->C/C++ Build->Settings->Tool Setttttings”把相关设置：

1. Float ABI 设置为 FP instruction（hard）;
2. FPU Type 设置为 fpv4-sp-d16。

（PS：我这里使用的是硬件FPU，在某些场合我们需要的是软件+FPU的方式。）

3 验证FPU是否开启成功

在未开启FPU前，我们可以看到代码编译出来的汇编指令（图右侧）是不包含FPU的相关的汇编指令的。

开启FPU后，我们可以看到代码编译出来的汇编指令（图右侧）找到了FPU的相关的汇编指令。如：

1. 无符号转浮点型的：vcvt.f32.u32
2. 乘法的：vmul.f32
3. 除法的：vdiv.f32

4 FPU开启前后速度对比

我这里使用例子自带的滴答定时器进行一个简单的计时，以测试我们完成一个运算的前后时间速度关系。测速流程如下：

1. 设置滴答定时器，每1ms进入一次滴答中断。进入一次中断对计时变量：TimingDelay进行自加一次。
2. 在运算前将TimingDelay初始化为0；
3. 输出运算后此时的TimingDelay的值内容。

或许这个时间不太精准，但是由于我们的测试过程中只有“是否开启FPU”这一个变量，在一定意义上我们可以看到当前芯片的FPU开启前后的运算速度对比。

我这里的运算非常简单，就是在两个循环中进行不断执行运算（PS：这种运算要求我们的编译器优化等级设置为0,不然的话编译器可能一步到位给我们算出最终结果而不进行for循环中的运算）：

复制

for(uint32_t i = 0;i < 1000; i++)

    {

            for(uint32_t j = 0;j < 10000; j++)

            {

                    fdata = multi*j;

            }

    }

4.1 只有乘法

未开启FPU：

开启FPU：

提速：（7704-2201）/2201*100%=71.43%

4.2 乘法和除法

未开启FPU：

开启FPU：

提速：（25957-4102）/25957*100%=84.19%

5 总结

根据测试的数据情况，我们可以看到在开启FPU后我们的运算速度大大提升，而且在运算的式子复杂度越高的情况下，速度提升越是明显。

以上便是APM32F411 如何在Eclipse环境下开启FPU的一些步骤分享，欢迎各位一起探讨，这个是代码及工程

APM32F4xx_SDK_V1.4_Eclipse_FPU.zip (786.12 KB) 。

只看该作者 · 2023-11-7 20:32

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