SAM4E單片機之旅——23、在AS6（GCC）中使用FPU
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浮點單元(Floating Point Unit，FPU)，是用于處理浮點數運算的單元。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201705/358649.htm為使用FPU，除了需要啟用FPU外，還需要對編譯器進行設置，以使其針對浮點運算生成特殊的指令。雖然在Atmel Studio 6中，開發(fā)板使用的工程模板中默認就完成了這兩部分工作，但這次仍然對設置的方法進行介紹，同時簡單測試一下FPU的效率。
一、 編譯器設置
AS6.1 SP2中，使用的編譯器為arm-none-eabi-gcc.exe，版本為4.7.3。其中“none”表示沒有指定操作系統(tǒng)，“eabi”表示使用的二進制文件接口是eabi。
在ARM GCC中，可以使用-mfloat-abi選項設置浮點數的ABI：
soft： 調用軟浮點庫對浮點運算進行支持。在GCC中采用常用的指令來模擬浮點運算。
softfp： 使用FPU進行浮點數運算。但是在函數調用時，仍然使用通用的寄存器傳遞浮點數參數。這需要額外的類型轉換的開銷。
hard： 使用FPU進行浮點數運算。而且在函數調用時，使用FPU的寄存器傳遞浮點數參數。
AS6.1使用的編譯器，默認情況下即使用soft選項。而為了使用FPU，這里將使用softfp選項。
使用-mfpu選項設置FPU硬件的類型。
SAM4E搭載了Cortex-M4F FPU，它實現了FPv4-SP版本(SP表示單精度)的浮點數擴展。另外，它也搭載了32個32位的單精度寄存器，而這些寄存器也可以被當作16個64位的雙精度寄存器以進行l(wèi)oad，store和move操作。
所以需要將-mfpu賦值為fpv4-sp-d16。其中d16表示有16個64位寄存器。
AS6中的設置。
在解決方案管理器中，右鍵點擊工程，進入屬性頁面。然后選中“Toolchain”選項卡，再選擇“ARM/GUN C Complier”下的“Miscellaneous”選項，就可以看到自定義的編譯器的選項了。
可以看到，默認情況下已經追加了“-mfloat-abi=softfp -mfpu=vfpv4”的選項了。vfpv4默認表示vfpv4-D32，表示實現了完全的FPV4的版本，且配有32個64位寄存器。很明顯，這是一個不怎么正確的設置，所以需要更改為“-mfloat-abi=softfp -mfpu= fpv4-sp-d16”：
注意，在Release版本的配置中也需要進行修改。
二、 啟用FPU
開發(fā)板重置時，FPU是禁止訪問的。但是AS6中使用的startup文件會根據編譯器設置啟用FPU。
啟用FPU的方法
向FPU的CPACR寄存器的CP10和CP11字段寫入0b11即可開放FPU的完全訪問權限。另外，在特權模式下才能讀寫該寄存器。
在CMSIS中該寄存器的地址被定義成了保留地址。但是在fpu.h 中提供了相應的API：
#include
fpu_enable();
fpu_enable() 的實現如下：
/** CPACR寄存器 */
#define ADDR_CPACR 0xE000ED88
#define REG_CPACR (*((volatile uint32_t *)ADDR_CPACR))
/** 保存CPU當前中斷的狀態(tài)，并屏蔽之 */
irqflags_t flags;
flags = cpu_irq_save();
/** 修改CPACR寄存器*/
REG_CPACR |= (0xFu << 20);
__DSB(); /** 等待寄存器修改完成*/
__ISB(); /** 清空處理器流水線 */
/** 根據設置決定是否重新啟用中斷 */
cpu_irq_restore(flags);
AS6中已經完成的工作
開發(fā)板使用的AS6的工程模板中，程序的入口函數是Reset_Handler() 。
該函數在調用main() 函數之前，會執(zhí)行以下代碼：
#if __FPU_USED
fpu_enable();
#endif
__FPU_USED在以下代碼中定義：
//...
/* 判斷使用的編譯器是否為GCC */
#elif defined ( __GNUC__ )
/* 判斷是否啟用浮點運算，且運算不是用軟件實現的 */
#if defined (__VFP_FP__) && !defined(__SOFTFP__)
/* 判斷目標平臺是否有FPU */
#if (__FPU_PRESENT == 1)
#define __FPU_USED 1
#else
//...
__FPU_PRESENT 在sam4e16e.h 中定義：
/**< SAM4E16E does provide a FPU */
#define __FPU_PRESENT 1
所以，只需要設置好了編譯器的參數，就可以自動啟用FPU了。
PS：__GNUC__ 在GCC編譯器預定義的宏，__VFP_FP__ 在GCC啟用浮點運算時預定義，__SOFTFP__ 是使用軟模擬浮點運算時預定義。GCC可以使用“-dM –E”參數打印出預定義的宏。
三、 測試
在第一次示例教程中，我們使用了空循環(huán)來進行延時，來完成LED的閃爍工作。在這里，我們將這個空循環(huán)的循環(huán)體修改為對一個浮點數的運算。然后觀察在是否使用硬件FPU時，LED閃爍的頻率的差別。
將延時函數修改如下：
void Delay(int num)
{
volatile float f = 1.0f;
for (volatile int i = 0; i < 1024 * 64 * num; ++i )
f *= 1.1f;
}
然后分別使用“-mfloat-abi=softfp ”和“-mfloat-abi=soft ”選項編譯并執(zhí)行程序，觀察LED閃爍的頻率。
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