STM32F4之FPU性能的充分发挥-设置要点

淩亂°似流年 2022-06-10 04:22 182阅读 0赞

浮点运算一直是定点CPU的难题，比如一个简单的1.1+1.1，定点CPU必须要按照IEEE-754标准的算法来完成运算，对于8位单片机来说已经完全是噩梦，对32为单片机来说也不会有多大改善。虽然将浮点数进行Q化处理能充分发挥32位单片机的运算性能，但是精度受到限制而不会太高。对于有FPU（浮点运算单元）的单片机或者CPU来说，浮点加法只是几条指令的事情。

现在又FPU或者硬件浮点运算能力的主要有高端DSP（比如TI F28335/C6000/DM6XX/OMAP等)，通用CPU（X87数学协处理器）和高级的ARM+DSP处理器等。

STM32-F4属于Cortex-M4F构架，这和M0、M3的最大不同就是多了一个F-float，即支持浮点指令集，因此在处理数学运算时能比M0/M3高出数十倍甚至上百倍的性能，但是要充分发挥FPU的数学性能，还需要一些小小的设置：

1.编译控制选项：虽然STM32F4XX固件库的例程之system\_stm32f4XXX.c文件中添加了对应的代码，但给用户评估使用的STM32F4-Discovery例程中却没有，因此MDK4.23编写浮点运算程序时，虽然编译器正确产生了V指令来进行浮点运算，但是因为system\_stm32f4XXX.c文件没有启用FPU，因此CPU执行时只认为是遇到非法指令而跳转到HardFault\_Handler()中断中原地踏步。因此要保证这个错误不发生，必须要在system\_init()函数里面添加如下代码：

/\* FPU settings ------------------------------------------------------------\*/  
  \#if (\_\_FPU\_PRESENT == 1) && (\_\_FPU\_USED == 1)  
    SCB->CPACR |= ((3UL << 10\*2)|(3UL << 11\*2));  /\* set CP10 and CP11 Full Access \*/  
  \#endif

因为这个选项是有条件编译控制的，因此需要在工程选项（Project->Options for target "XXXX"）中的C/C++选项卡的Define中加入如下的语句：\_\_FPU\_PRESENT=1,\_\_FPU\_USED =1。这样编译时就加入了启动FPU的代码，CPU也就能正确高效的使用FPU进行简单的加减乘除了。

但这还远远不够。对于复杂运算，比如三角函数，开方等运算，如果编程时还是使用math.h头文件，那是没法提升效率的：因为math.h头文件是针对所有ARM处理器的，其运算函数都是基于定点CPU和标准算法（IEEE-754），并没有预见使用FPU的情况，需要很多指令和复杂的过程才能完成运算，也就增加了运算时间。因此要充分发挥M4F的浮点功能，就需要使用固件库自带的arm\_math.h，这个文件根据编译控制项（\_\_FPU\_USED == 1）来决定是使用那一种函数方法：如果没有使用FPU，那就调用keil的标准math.h头文件中定义的函数；如果使用了FPU，那就是用固件库自带的优化函数来解决问题。

在arm\_math的开头部分是有这些编译控制信息：

\#ifndef \_ARM\_MATH\_H  
         \#define \_ARM\_MATH\_H  
  
         \#define \_\_CMSIS\_GENERIC              /\* disable NVIC and Systick functions \*/  
  
         \#if defined (ARM\_MATH\_CM4)  
                    \#include "core\_cm4.h"  
         \#elif defined (ARM\_MATH\_CM3)  
                     \#include "core\_cm3.h"  
         \#elif defined (ARM\_MATH\_CM0)  
                     \#include "core\_cm0.h"  
         \#else  
                   \#include "ARMCM4.h"  
                   \#warning "Define either ARM\_MATH\_CM4 OR ARM\_MATH\_CM3...By Default building on ARM\_MATH\_CM4....."  
         \#endif  
  
         \#undef  \_\_CMSIS\_GENERIC              /\* enable NVIC and Systick functions \*/  
               \#include "string.h"  
                \#include "math.h"

就是说如果不使用CMSIS的，就会调用keil自带的标准库函数。否则就用CMSIS的定义。这里因为是用的STM32F4，所以应该要ARM\_MATH\_CM4控制，即加入core\_cm4.h，否则就用使用ARMCM4.h——但在编译时keil会提示找不到这文件。因此需要在工程选项之C/C++选项卡的define中继续加入语句ARM\_MATH\_CM4。

加入上述编译控制项之后，高级数学函数的使用基本没问题了，比如正余弦三角函数的计算。但需要注意，如果你直接使用sin()、cos()、sqrt()这样的函数，那结果还算调用keil的math.h，你可以在debug时看对应的代码，其汇编指令为BL.W \_\_hardfp\_xxx。因此这时要完成三角函数的计算就要使用arm\_sin\_f32()或者arm\_cos\_f32()，用法不变，这两个函数的原型分别在arm\_sin\_f32.c和arm\_cos\_f32.c中。通过对256点三角函数表的查询和插值算法得到任意角度的精确函数值，这就比“原装”的sin()、cos()快多了。

当然有些例外的是开发函数sqrt()，在arm\_math.h中是这么定义的：

static \_\_INLINE arm\_status  arm\_sqrt\_f32(float32\_t in, float32\_t \*pOut)  
                     \{  
                        if(in > 0)  
                             \{  
                                     //    \#if \_\_FPU\_USED  
                                    \#if (\_\_FPU\_USED == 1) && defined ( \_\_CC\_ARM   )  
                                              \*pOut = \_\_sqrtf(in);  
                                   \#else        
                                              \*pOut = sqrtf(in);  
                                   \#endif  
                                 return (ARM\_MATH\_SUCCESS);  
                            \}  
                        else  
                           \{  
                               \*pOut = 0.0f;  
                                return (ARM\_MATH\_ARGUMENT\_ERROR);  
                          \}  
               \}

即开方用的函数是arm\_sqrt\_f32()，其中首先判断被开发的书是否大于0，只有大于0的才能进行运算，否则输出结果为0并返回“错误”标志。如果大于0，并且实用了FPU和\_\_CC\_ARM控制项，那调用\_\_sqrtf()来完成编译，否则调用sqrtf()——这个sqrtf()是能在keil的math.h中找到的，即调用子函数来完成运算，而\_\_sqrtf()呢？新出现的，相信大家都能猜到是什么玩意儿：对，就是VSQRT指令！因此要把这点性能也要发挥出来，就需要工程选项之C/C++选项卡的define中继续加入语句\_\_CC\_ARM才行。大家可以比较一下是否加入\_\_CC\_ARM编译后会汇编代码的差别巨大差别。

当然，对于arm\_sqrt\_f32()函数还是有些麻烦，如果你确认被开方的书是大于等于0的，那就直接使用\_\_sqrtf()函数完成运算，即一条简单的VSQRT指令。

STM32F4固件库还提供了其他很有用的数学函数，都位于DSP\_Lib文件夹，请大家慢慢探索，Discovery！

这里是我的一个官方标准库，并且包含了dsp，开启了FPU

[点击打开链接][Link 1]

[Link 1]: http://http://download.csdn.net/detail/laoylhuli/4401685