基于MM32提升浮点运算速度的一种方法

只看该作者 · 2024-1-25 12:18

本帖最后由 xld0932 于 2024-1-30 10:40 编辑

#申请原创# @21小跑堂

在Arm Cortex-M处理器中浮点数的运算有软件和硬件这两种计算方式，硬件计算浮点数相对于软件计算浮点数来说，执行运算的时间大大的提升了，对于MCU的开销也相对少很多，但需要通过硬件方式来计算浮点数，需要MCU配备FPU浮点运算单元，在MCU不具备FPU时，对于浮点数的运算只能是通过软件的方式来运算了。

对于不具备FPU的MCU来说，ARM提供了一个浮点支持软件库，来用于浮点数的运算支持：fplib。在fplib库中提供的API函数都是以__aeabi为前缀开头的，例如：
__aeabi_fadd：计算两个float类型的浮点数加法
__aeabi_dadd：计算两个double类型的浮点数加法
除此之外，fplib库还提取余、开方、乘除等等，非常丰富的浮点数操作函数，这些是KEIL MDK-ARM编译的时候，由编译器自动添加，编译的。

通过软件的方式计算浮点数，就少不了占用MCU的运行时间，有没有一种方式来加速浮点数的运算过程呢？本帖想到一种方式，就是将浮点数的库函数及需要处理的浮点数加载到MCU的SRAM中去执行，以此来加速/减少MCU在浮点数运算上的时间消耗。

这种方法的难点在于浮点数运算的库函数是编译器自动添加生成的，我们该如何找到，并配置正确，我们以MM32G0001这颗芯片为例子：
1.我们到官网下载MM32G0001的库函数与例程V2版本：https://www.mindmotion.com.cn/products/mm32mcu/mm32g/mm32g_value_line/mm32g0001

2.随便找一个例程进行验证，因为我们不需要其它的外设功能，所以对工程结构进行简化一下，然后在main.c文件中添加我们需要的代码，如下所示：

3.这个时候我们对工程进行编译，编译无误后，我们点击工具栏上的Start/Stop Debug Session按钮，进入Debug模式：

如上图我们可以看到，在做浮点数运算时，调用了fplib库中的__aeabi_fadd、__aeabi_f2d、__aeabi_dadd、__aeabi_d2f这几个API函数。

4.接下来，我们就是要找出上面调用的这几个函数，对应的生成文件是哪几个，我们先退出Debug模式，双击Project栏的工程，打开工程编译后生成的MAP文件，如下图所示：

5.在MAP文件中找到调用__aeabi为前缀的fplib库函数，如下图所示：

最前一列是函数名，0x08000xxx是这个函数在MCU FLASH存放的指令位置，最后面一列是这个函数所对应的生成文件，我们可以看到前面做浮点数运算的__aeabi_fadd、__aeabi_f2d、__aeabi_dadd、__aeabi_d2f这几个函数，分别对应fadd.o、f2d.o、dadd.o、d2f.o这几个文件，当前这些存储MCU FLASH中的函数，在运行时由于MCU运行时钟与FLASH读写时钟是有差异的，准确的说，当MCU的运行时钟/频率大于FLASH读写时钟时，MCU的流水线就需要插入FLASH读取的等待周期，但SRAM是挂载在MCU总线上的，MCU的流水线相当于直接从总线上取指令，而总线频率可以配置到与MCU运行时钟/频率相一致，这样指令在SRAM中的运行速度就比FLASH快很多了。

6.接下来，我们需要通过修改SCT文件来实现，将浮点运算的这几个生成文件添加到RAM中去：点击工具栏Options for Target...图标，在弹出的Options for Target窗口的Linker选项卡中，去除Use Memory Layout from Target Dialog选项，如下所示：

7.点击Scatter File后面的Edit...按钮，在Project.sct文件中的RAM域添加刚刚我们找到的那几个生成的.o文件，如下所示：

8.最后我们再重新编译工程，查看MAP文件，此时这个.o的生成文件就存放在SRAM中去了，如下图所示：