ARM處理器Linux下浮點(diǎn)運(yùn)算單元運(yùn)用

Float Point Unit，浮點(diǎn)運(yùn)算單元是專(zhuān)用于浮點(diǎn)運(yùn)算的協(xié)處理器，在計(jì)算領(lǐng)域，例如三角函數(shù)以及時(shí)域頻域變換通常會(huì)用到浮點(diǎn)運(yùn)算。當(dāng)CPU執(zhí)行一個(gè)需要浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的程序時(shí)，有三種方式可以執(zhí)行：軟件仿真器（浮點(diǎn)運(yùn)算函數(shù)庫(kù)）、附加浮點(diǎn)運(yùn)算器和集成浮點(diǎn)運(yùn)算單元。區(qū)別于以往的ARM9處理器，目前基于Cortex構(gòu)架的ARM處理均集成了浮點(diǎn)運(yùn)算單元。如Nvidia Tegra 2, Tegra 3和 NXP/Freescale i.MX 6集成了VFPv3浮點(diǎn)運(yùn)算單元，NXP/Freescale i.MX 7 則集成了VFPv4浮點(diǎn)運(yùn)算單元。ARM 浮點(diǎn)架構(gòu) （VFP） 為半精度、單精度和雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算中的浮點(diǎn)操作提供硬件支持。它完全符合 IEEE 754 標(biāo)準(zhǔn)，并提供完全軟件庫(kù)支持，與 NEONTM 多媒體處理功能結(jié)合使用時(shí)，可增強(qiáng)圖像應(yīng)用程序的性能（如縮放、2D 和 3D 轉(zhuǎn)換、字體生成和數(shù)字過(guò)濾）。

2). 浮點(diǎn)調(diào)用約定（Calling Convention）

調(diào)用約定由應(yīng)用二進(jìn)制接口（Application Binary Interface, ABI）來(lái)定義參數(shù)是如何在調(diào)用過(guò)程中傳遞以及如何獲取返回值，對(duì)于ARM CPU常用的ABI為EABI，提供了兩種互相不兼容的方式來(lái)傳遞浮點(diǎn)數(shù)：

通常交叉編譯ToolChain已經(jīng)配置好所需的ABI而無(wú)需在命令行重新設(shè)置，并且ToolChain提供的庫(kù)也已經(jīng)自動(dòng)配置為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)格式。

兩個(gè)二進(jìn)制文件（如可執(zhí)行文件和C庫(kù)文件）使用不同的調(diào)用約定，相互之間是不兼容的。所有的程序和庫(kù)必須遵循同一個(gè)調(diào)用約定進(jìn)行編譯，要么軟浮點(diǎn)，要么硬浮點(diǎn)。如果你試圖在一個(gè)基于硬浮點(diǎn)編譯的平臺(tái)上運(yùn)行一個(gè)基于軟浮點(diǎn)的程序時(shí)，會(huì)出現(xiàn) " No such file or directory " 錯(cuò)誤，盡管這這個(gè)文件是存在的并且可以執(zhí)行。

另外，硬浮點(diǎn)調(diào)用約定需要使用浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU）的寄存器，因此在不帶有浮點(diǎn)運(yùn)算單元寄存器的處理器上則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

下面列出Toradex Colibri Tegra ARM 計(jì)算機(jī)模塊 BSP 上所采用的調(diào)用約定

3). 協(xié)處理器/硬件引擎

如本文開(kāi)篇所述，目前基于Cortex架構(gòu)的ARM處理器都內(nèi)置了浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU）來(lái)加速浮點(diǎn)數(shù)據(jù)操作，通常浮點(diǎn)運(yùn)算單元會(huì)添加額外的指令到現(xiàn)有的指令集中。于此相關(guān)的NEON指令集添加了單指令多數(shù)據(jù)操作（single instruction act on multiple data ，SIMD)，它實(shí)現(xiàn)的是NEON 媒體處理器引擎，提供了基于VFPv3指令集的浮點(diǎn)運(yùn)算單元功能。

更多介紹請(qǐng)參考:

- en.wikipedia.org/wiki/ARM_architecture

- wiki.debian.org/ArmHardFloatPort/VfpComparison

./ Toradex Colibri產(chǎn)品系列所提供的協(xié)處理器/硬件引擎

1. 注：PXA 系列核心板沒(méi)有硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元，但是GCC編譯器提供了經(jīng)過(guò)優(yōu)化的基于Intel Integer SIMD extension(iWMMXt)的軟浮點(diǎn)運(yùn)算仿真功能。

4). 編譯器選項(xiàng)

相關(guān)介紹請(qǐng)見(jiàn)如下，下面同樣以Toradex產(chǎn)品為例：

gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.7.3/gcc/ARM-Options.html#ARM-Options

./ Toradex Colibri Tegra 系列 BSP 編譯器選項(xiàng)

./ Toradex Colibri PXA編譯器選項(xiàng)

使用軟浮點(diǎn)調(diào)用約定編譯器，同時(shí)編譯器選項(xiàng)不能包含F(xiàn)PU相關(guān)，產(chǎn)生的代碼中不包含由FPU來(lái)執(zhí)行的指令，而是依賴(lài)于CPU整數(shù)指令集基于相關(guān)庫(kù)進(jìn)行運(yùn)算。

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-march=armv5te -mtune=xscale -O3

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./ Toradex Colibri T20編譯器選項(xiàng)

產(chǎn)生的代碼兼容于含NEON 協(xié)處理器的CPU 。取決于在mfloat-abi 選項(xiàng)所配置的調(diào)用約定為"softfp" 還是"hard"

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-march=armv7-a -mfloat-abi=xxx -mfpu=vfpv3-d16 -mtune=cortex-a9 -O3

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./ Toradex Colibri/Apalis i.MX6/T30編譯器選項(xiàng)

取決于在mfloat-abi選項(xiàng)所配置的調(diào)用約定為"softfp" 還是"hard"

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-march=armv7-a -mfloat-abi=xxx -mfpu=neon -mtune=cortex-a9 -O3

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./ Toradex Colibri VFxx編譯器選項(xiàng)

取決于在mfloat-abi選項(xiàng)所配置的調(diào)用約定為"softfp" 還是"hard"，未來(lái)可以通過(guò)更多的mfpu 選項(xiàng)來(lái)優(yōu)化NEON的實(shí)現(xiàn)。

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-march=armv7-a -mfloat-abi=xxx -mfpu=neon -mtune=cortex-a5 -O3

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5). 檢測(cè)一個(gè)二進(jìn)制文件的浮點(diǎn)調(diào)用約定

同樣以Toradex產(chǎn)品為例，其所發(fā)布的Linux Images 所有的object 目標(biāo)文件都使用ELF，詳細(xì)介紹請(qǐng)參考：

en.wikipedia.org/wiki/Executable_and_Linkable_Format

首先架構(gòu)信息（如i686 或者ARM）可以通過(guò)" file afile "程序來(lái)獲取，架構(gòu)相關(guān)屬性信息可以通過(guò)" readelf –A afile "程序來(lái)獲取 （原生或者交叉編譯ToolChain都可以使用readelf）

如果readelf命令輸出信息里面包含"Tag_ABI_VFP_args: VFP registers"，則調(diào)用約定為硬浮點(diǎn)；如沒(méi)有，則為軟浮點(diǎn)。

./ 以Colibri T20 編譯的共享目標(biāo)文件為例

•使用 VFPv3-D16 指令和寄存器

•不使用 SIMD extensions

•硬調(diào)用約定

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$ file colibri-t20/usr/lib/libcurl.so.5.3.0

colibri-t20/usr/lib/libcurl.so.5.3.0: ELF 32-bit LSB shared object, ARM, version 1 (SYSV), dynamically linked, not stripped

$ readelf -A colibri-t20/usr/lib/libcurl.so.5.3.0

Attribute Section: aeabi

File Attributes

Tag_CPU_name: "7-A"

Tag_CPU_arch: v7

Tag_CPU_arch_profile: Application

Tag_ARM_ISA_use: Yes

Tag_THUMB_ISA_use: Thumb-2

Tag_FP_arch: VFPv3-D16

Tag_ABI_PCS_wchar_t: 4

Tag_ABI_FP_denormal: Needed

Tag_ABI_FP_exceptions: Needed

Tag_ABI_FP_number_model: IEEE 754

Tag_ABI_align_needed: 8-byte

Tag_ABI_align_preserved: 8-byte, except leaf SP

Tag_ABI_enum_size: int

Tag_ABI_HardFP_use: SP and DP

Tag_ABI_VFP_args: VFP registers

Tag_CPU_unaligned_access: v6

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./ 以NXP/Freescale Vybrid 編譯的共享目標(biāo)文件為例

•使用 VFPv3 指令和寄存器

•使用用 NEON SIMD extensions

•軟調(diào)用約定

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$ file twr-vf65gs10/usr/lib/libcurl.so.5.3.0

twr-vf65gs10/usr/lib/libcurl.so.5.3.0: ELF 32-bit LSB shared object, ARM, version 1 (SYSV), dynamically linked, not stripped

$ readelf -A twr-vf65gs10/usr/lib/libcurl.so.5.3.0

Attribute Section: aeabi

File Attributes

Tag_CPU_name: "7-A"

Tag_CPU_arch: v7

Tag_CPU_arch_profile: Application

Tag_ARM_ISA_use: Yes

Tag_THUMB_ISA_use: Thumb-2

Tag_FP_arch: VFPv3

Tag_Advanced_SIMD_arch: NEONv1

Tag_ABI_PCS_wchar_t: 4

Tag_ABI_FP_denormal: Needed

Tag_ABI_FP_exceptions: Needed

Tag_ABI_FP_number_model: IEEE 754

Tag_ABI_align_needed: 8-byte

Tag_ABI_align_preserved: 8-byte, except leaf SP

Tag_ABI_enum_size: int

Tag_ABI_HardFP_use: SP and DP

Tag_CPU_unaligned_access: v6

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./ 以Colibri PXA 編譯的共享目標(biāo)文件為例

•不使用浮點(diǎn)運(yùn)算單元

•不使用SIMD extensions

•軟調(diào)用約定

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$ file colibri-pxa/usr/lib/libcurl.so.5.3.0

colibri-pxa/usr/lib/libcurl.so.5.3.0: ELF 32-bit LSB shared object, ARM, version 1 (SYSV), dynamically linked, not stripped

$ readelf -A colibri-pxa/usr/lib/libcurl.so.5.3.0

Attribute Section: aeabi

File Attributes

Tag_CPU_name: "5TE"

Tag_CPU_arch: v5TE

Tag_ARM_ISA_use: Yes

Tag_THUMB_ISA_use: Thumb-1

Tag_ABI_PCS_wchar_t: 4

Tag_ABI_FP_denormal: Needed

Tag_ABI_FP_exceptions: Needed

Tag_ABI_FP_number_model: IEEE 754

Tag_ABI_align8_neededU: Yes

Tag_ABI_align8_preserved: Yes, except leaf SP

Tag_ABI_enum_size: int

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