ARMCC和GCC編譯ARM程式碼的軟浮點和硬浮點問題

本文介紹了ARM程式碼編譯時的軟浮點(soft-float)和硬浮點(hard-float)的編譯以及連結實現時的不同。從VFP浮點單元的引入到軟浮點(soft-float)和硬浮點(hard-float)的概念，然後是在GCC和ARMCC RVCT工具鏈下的具體編譯引數。

VFP (vector floating-point)

從ARMv5開始，就有可選的 Vector Floating Point (VFP) 模組，當然最新的如 Cortex-A8, Cortex-A9 和 Cortex-A5 可以配置成不帶VFP的模式供晶片廠商選擇。VFP經過若干年的發展，有VFPv2 (一些 ARM9 / ARM11)、 VFPv3-D16（只使用16個浮點暫存器，預設為32個）和VFPv3+NEON (如大多數的Cortex-A8晶片) 。對於包含NEON的ARM晶片，NEON一般和VFP公用暫存器。

硬浮點Hard-float

編譯器將程式碼直接編譯成發射給硬體浮點協處理器（浮點運算單元FPU）去執行。FPU通常有一套額外的暫存器來完成浮點引數傳遞和運算。使用實際的硬體浮點運算單元FPU當然會帶來效能的提升。因為往往一個浮點的函式呼叫需要幾個或者幾十個時鐘週期。

軟浮點 Soft-float

編譯器把浮點運算轉換成浮點運算的函式呼叫和庫函式呼叫，沒有FPU的指令呼叫，也沒有浮點暫存器的引數傳遞。浮點引數的傳遞也是通過ARM暫存器或者堆疊完成。 現在的Linux系統預設編譯選擇使用hard-float，即使系統沒有任何浮點處理器單元，這就會產生非法指令和異常。因而一般的系統映象都採用軟浮點以相容沒有VFP的處理器。

armel和armhf ABI
在armel中，關於浮點數計算的約定有三種。以gcc為例，對應的-mfloat-abi引數值有三個：soft,softfp,hard。soft是指所有浮點運算全部在軟體層實現，效率當然不高，會存在不必要的浮點到整數、整數到浮點的轉換，只適合於早期沒有浮點計算單元的ARM處理器；softfp是目前armel的預設設定，它將浮點計算交給FPU處理，但函式引數的傳遞使用通用的整型暫存器而不是FPU暫存器；hard則使用FPU浮點暫存器將函式引數傳遞給FPU處理。需要注意的是，在相容性上，soft與後兩者是相容的，但softfp和hard兩種模式不相容。預設情況下，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，在每次浮點相關函式呼叫時，平均能節省20個CPU週期。對ARM這樣每個週期都很重要的體系結構來說，這樣的提升無疑是巨大的。在完全不改變原始碼和配置的情況下，在一些應用程式上，使用armhf能得到20%——25%的效能提升。對一些嚴重依賴於浮點運算的程式，更是可以達到300%的效能提升。

Soft-float和hard-float的編譯選項

在CodeSourcery gcc的編譯引數上，使用-mfloat-abi=name來指定浮點運算處理方式。-mfpu=name來指定浮點協處理的型別。可選型別如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 (等價於-mhard-float) -mfpu=vfp來選擇編譯成硬浮點。使用-mfloat-abi=softfp就能相容帶VFP的硬體以及soft-float的軟體實現，執行時的聯結器ld.so會在執行浮點運算時對於運算單元的選擇，是直接的硬體呼叫還是庫函式呼叫，是執行/lib還是/lib/vfp下的libm。-mfloat-abi=soft （等價於-msoft-float）直接呼叫軟浮點實現庫。

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.

定義浮點運算型別

--fpmode ieee_full : 所有單精度float和雙精度double的精度都要和IEEE標準一致，具體的模式可以在執行時動態指定；

--fpmode ieee_fixed ： 舍入到最接近的實現的IEEE標準，不帶不精確的異常；

--fpmode ieee_no_fenv ：舍入到最接近的實現的IEEE標準，不帶異常；

--fpmode std ：非規格數flush到0、舍入到最接近的實現的IEEE標準，不帶異常；

--fpmode fast ： 更積極的優化，可能會有一點精度損失。

 

一個浮點軟連結實現的彙編例子

IMPORT __softfp_cos

BL __softfp_cos

ARMCC fplib浮點運算庫

__aeabi_dadd 浮點double型別資料的加法，__aeabi_fdiv 單精度浮點除法。

附錄：常見的晶片和VFP配置

Partial reference of SoC and supported ISAs

 

本文介紹了ARM程式碼編譯時的軟浮點(soft-float)和硬浮點(hard-float)的編譯以及連結實現時的不同。從VFP浮點單元的引入到軟浮點(soft-float)和硬浮點(hard-float)的概念，然後是在GCC和ARMCC RVCT工具鏈下的具體編譯引數。