ARMCC和GCC編譯ARM代碼的軟浮點和硬浮點問題

VFP (vector floating-point)

從ARMv5開始，就有可選的Vector Floating Point (VFP)模塊，當(dāng)然最新的如Cortex-A8,Cortex-A9和Cortex-A5可以配置成不帶VFP的模式供芯片廠商選擇。VFP經(jīng)過若干年的發(fā)展，有VFPv2 (一些ARM9/ARM11)、VFPv3-D16（只使用16個浮點寄存器，默認(rèn)為32個）和VFPv3+NEON (如大多數(shù)的Cortex-A8芯片)。對于包含NEON的ARM芯片，NEON一般和VFP公用寄存器。

硬浮點Hard-float

編譯器將代碼直接編譯成發(fā)射給硬件浮點協(xié)處理器（浮點運算單元FPU）去執(zhí)行。FPU通常有一套額外的寄存器來完成浮點參數(shù)傳遞和運算。使用實際的硬件浮點運算單元FPU當(dāng)然會帶來性能的提升。因為往往一個浮點的函數(shù)調(diào)用需要幾個或者幾十個時鐘周期。

軟浮點 Soft-float

編譯器把浮點運算轉(zhuǎn)換成浮點運算的函數(shù)調(diào)用和庫函數(shù)調(diào)用，沒有FPU的指令調(diào)用，也沒有浮點寄存器的參數(shù)傳遞。浮點參數(shù)的傳遞也是通過ARM寄存器或者堆棧完成?，F(xiàn)在的Linux系統(tǒng)默認(rèn)編譯選擇使用hard-float，即使系統(tǒng)沒有任何浮點處理器單元，這就會產(chǎn)生非法指令和異常。因而一般的系統(tǒng)鏡像都采用軟浮點以兼容沒有VFP的處理器。

armel和armhf ABI
在armel中，關(guān)于浮點數(shù)計算的約定有三種。以gcc為例，對應(yīng)的-mfloat-abi參數(shù)值有三個：soft,softfp,hard。soft是指所有浮點運算全部在軟件層實現(xiàn)，效率當(dāng)然不高，會存在不必要的浮點到整數(shù)、整數(shù)到浮點的轉(zhuǎn)換，只適合于早期沒有浮點計算單元的ARM處理器；softfp是目前armel的默認(rèn)設(shè)置，它將浮點計算交給FPU處理，但函數(shù)參數(shù)的傳遞使用通用的整型寄存器而不是FPU寄存器；hard則使用FPU浮點寄存器將函數(shù)參數(shù)傳遞給FPU處理。需要注意的是，在兼容性上，soft與后兩者是兼容的，但softfp和hard兩種模式不兼容。默認(rèn)情況下，armel使用softfp，因此將hard模式的armel單獨作為一個abi，稱之為armhf。而使用hard模式，在每次浮點相關(guān)函數(shù)調(diào)用時，平均能節(jié)省20個CPU周期。對ARM這樣每個周期都很重要的體系結(jié)構(gòu)來說，這樣的提升無疑是巨大的。在完全不改變源碼和配置的情況下，在一些應(yīng)用程序上，使用armhf能得到20%——25%的性能提升。對一些嚴(yán)重依賴于浮點運算的程序，更是可以達到300%的性能提升。

Soft-float和hard-float的編譯選項

在CodeSourcery gcc的編譯參數(shù)上，使用-mfloat-abi=name來指定浮點運算處理方式。-mfpu=name來指定浮點協(xié)處理的類型?？蛇x類型如fpa，fpe2，fpe3，maverick，vfp，vfpv3，vfpv3-fp16，vfpv3-d16，vfpv3-d16-fp16，vfpv3xd，vfpv3xd-fp16，neon，neon-fp16，vfpv4，vfpv4-d16，fpv4-sp-d16，neon-vfpv4等。使用-mfloat-abi=hard (等價于-mhard-float)-mfpu=vfp來選擇編譯成硬浮點。使用-mfloat-abi=softfp就能兼容帶VFP的硬件以及soft-float的軟件實現(xiàn)，運行時的連接器ld.so會在執(zhí)行浮點運算時對于運算單元的選擇，是直接的硬件調(diào)用還是庫函數(shù)調(diào)用，是執(zhí)行/lib還是/lib/vfp下的libm。-mfloat-abi=soft （等價于-msoft-float）直接調(diào)用軟浮點實現(xiàn)庫。

在ARM RVCT工具鏈下，定義fpu模式：

? --fpu softvfp
? --fpu softvfp+vfpv2
? --fpu softvfp+vfpv3
? --fpu softvfp+vfpv_fp16
? --fpu softvfp+vfpv_d16
? --fpu softvfp+vfpv_d16_fp16.

定義浮點運算類型

--fpmode ieee_full :所有單精度float和雙精度double的精度都要和IEEE標(biāo)準(zhǔn)一致，具體的模式可以在運行時動態(tài)指定；

--fpmode ieee_fixed：舍入到最接近的實現(xiàn)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)，不帶不精確的異常；

--fpmode ieee_no_fenv：舍入到最接近的實現(xiàn)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)，不帶異常；

--fpmode std：非規(guī)格數(shù)flush到0、舍入到最接近的實現(xiàn)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)，不帶異常；

--fpmode fast：更積極的優(yōu)化，可能會有一點精度損失。

一個浮點軟鏈接實現(xiàn)的匯編例子

IMPORT __softfp_cos

BL __softfp_cos

ARMCC fplib浮點運算庫

__aeabi_dadd 浮點double類型數(shù)據(jù)的加法，__aeabi_fdiv 單精度浮點除法。

附錄：常見的芯片和VFP配置

Partial reference of SoC and supported ISAs

本文介紹了ARM代碼編譯時的軟浮點(soft-float)和硬浮點(hard-float)的編譯以及鏈接實現(xiàn)時的不同。從VFP浮點單元的引入到軟浮點(soft-float)和硬浮點(hard-float)的概念，然后是在GCC和ARMCC RVCT工具鏈下的具體編譯參數(shù)。