记一次编译浮点函数库的奇妙经历

NXP管管 · 发表于 2025-2-7 10:46:58

说起浮点运算，相信大家平时一定接触不少。无论你要编写什么项目代码，相信浮点运算都或多或少要被使用，简单来说：即便你是要计算1.0f+1.0f这样一个一眼得到答案的运算。那对于MCU平台来说，这个操作真的是一眼结果吗？答案是否定的。

先来说说MCU对于浮点计算的支持，换句话说，MCU是否能够进行浮点运算呢？这里以Cortex-M系列MCU为例，Cortex-M4处理器中有一个单精度浮点单元(FPU), 能够高效率处理较为复杂的浮点运算，例如电机闭环控制、PID算法、快速傅里叶变换等。而Cortex-M7系列处理器同时具备单精度和双精度浮点运算能力，加速复杂的浮点运算，提高嵌入式系统应用的性能。而针对于，那些不带FPU的处理器，例如Cortex-M0系列，ARM提供了一个浮点支持的软件库，用于计算浮点数。当然，这样一来，由于是软件模拟浮点运算，相较于具有专门的附件硬件单元的处理器，计算效率当然会大大降低。

这样一看，一个小小的浮点运算可真是内涵乾坤啊。本期小编给大家带来的奇妙体验也正是与此有关，由于没有合理使用硬件FPU单元而导致对程序运行时间产生影响。

为了能够更好的说明问题，小编在这里先举两个简单的浮点数计算的例子，并对其进行编译，看看不同的编译选项或者说不同的平台对于所编译的代码的影响。就让我们以Keil的armclang编译器为例进行说明。

以下是参考代码，代码本体很简单，分别针对float以及double类型进行浮点出发运算，将其命名为float_div.c：

#include "stdlib.h"
float fp32_div(float a, float b){
return a / b;
}
double d64_div(double a, double b){
return a / b;
}

复制代码

调用armclang对其进行编译，先指定平台为Cortex-M7：

armclang.exe .\float_div.c --target=arm-arm-none-eabi -mcpu=cortex-m7 -mfloat-abi=hard -c -ofast -o .\float_div.o

复制代码

看看汇编代码的样子：

00000000 <fp32_div>:
0: b082 sub sp, #8
2: ed8d 0a01 vstr s0, [sp, #4]
6: edcd 0a00 vstr s1, [sp]
a: ed9d 0a01 vldr s0, [sp, #4]
e: ed9d 1a00 vldr s2, [sp]
12: ee80 0a01 vdiv.f32 s0, s0, s2
16: b002 add sp, #8
18: 4770 bx lr
00000000 <d64_div>:
0: b084 sub sp, #16
2: ed8d 0b02 vstr d0, [sp, #8]
6: ed8d 1b00 vstr d1, [sp]
a: ed9d 0b02 vldr d0, [sp, #8]
e: ed9d 1b00 vldr d1, [sp]
12: ee80 0b01 vdiv.f64 d0, d0, d1
16: b004 add sp, #16
18: 4770 bx lr

复制代码

可以看到这里无论是float类型的fp32_div还是double类型的d64_div都调用了类似vdiv.n的汇编指令进行操作。

换一个平台，Cortex-M4:

armclang.exe .\float_div.c --target=arm-arm-none-eabi -mcpu=cortex-m4 -mfloat-abi=hard -c -ofast -o .\float_div.o

复制代码

继续看下汇编的样子：

00000000 <fp32_div>:
0: b082 sub sp, #8
2: ed8d 0a01 vstr s0, [sp, #4]
6: edcd 0a00 vstr s1, [sp]
a: ed9d 0a01 vldr s0, [sp, #4]
e: ed9d 1a00 vldr s2, [sp]
12: ee80 0a01 vdiv.f32 s0, s0, s2
16: b002 add sp, #8
18: 4770 bx lr
00000000 <d64_div>:
0: b580 push {r7, lr}
2: b084 sub sp, #16
4: ed8d 0b02 vstr d0, [sp, #8]
8: ed8d 1b00 vstr d1, [sp]
c: 9802 ldr r0, [sp, #8]
e: 9903 ldr r1, [sp, #12]
10: 9a00 ldr r2, [sp, #0]
12: 9b01 ldr r3, [sp, #4]
14: f7ff fffe bl 0 <__aeabi_ddiv>
18: ec41 0b10 vmov d0, r0, r1
1c: b004 add sp, #16
1e: bd80 pop {r7, pc}

复制代码

相信细心的读者已经发现了，d64_div的代码变了，变成了一条__aeabi_ddiv的函数调用。当然，这也正验证了我们刚才说的，Cortex-M4不具备double类型计算的能力，需要调用系统库中所提供的软件模拟函数。尽管我们已经指定了-mfloat-abi=hard，即硬件浮点单元。

不过，到了这里，故事还没有结束，假设我们指定使用软件模拟库呢：

armclang.exe .\float_div.c --target=arm-arm-none-eabi -mcpu=cortex-m7 -mfloat-abi=soft -c -ofast -o .\float_div.o
汇编代码如下：

00000000 <fp32_div>:
0: b580 push {r7, lr}
2: b082 sub sp, #8
4: 9001 str r0, [sp, #4]
6: 9100 str r1, [sp, #0]
8: 9801 ldr r0, [sp, #4]
a: 9900 ldr r1, [sp, #0]
c: f7ff fffe bl 0 <__aeabi_fdiv>
10: b002 add sp, #8
12: bd80 pop {r7, pc}
00000000 <d64_div>:
0: b580 push {r7, lr}
2: b084 sub sp, #16
4: 9103 str r1, [sp, #12]
6: 9002 str r0, [sp, #8]
8: 9301 str r3, [sp, #4]
a: 9200 str r2, [sp, #0]
c: 9802 ldr r0, [sp, #8]
e: 9903 ldr r1, [sp, #12]
10: 9a00 ldr r2, [sp, #0]
12: 9b01 ldr r3, [sp, #4]
14: f7ff fffe bl 0 <__aeabi_ddiv>
18: b004 add sp, #16
1a: bd80 pop {r7, pc}

复制代码

这样一来，无论是fp32_div还是d64_div都被编译成了调用库的样子。可能大家又开始好奇了，那链接之后会不会被展开呢？我们继续做实验，这次编写一个main函数，并将他们链接在一起：

#include "stdlib.h"
float fp32_div(float a, float b);
double d64_div(double a, double b);
int main(){
fp32_div(1.0f, 5.0f);
d64_div(1.0, 5.0);
}

复制代码

编译链接，将main.c和刚才生成的float_div.o链接到一起，不过我们这里指定float-abi为hard，即采用硬件浮点单元，看看发生什么：

armclang.exe .\main.c float_div.o --target=arm-arm-none-eabi -mcpu=cortex-m7 -mfloat-abi=hard -ofast -o test
来看看汇编代码：

00008148 <fp32_div>:
8148: b580 push {r7, lr}
814a: b082 sub sp, #8
814c: 9001 str r0, [sp, #4]
814e: 9100 str r1, [sp, #0]
8150: 9801 ldr r0, [sp, #4]
8152: 9900 ldr r1, [sp, #0]
8154: f000 f81c bl 8190 <_fdiv>
8158: b002 add sp, #8
815a: bd80 pop {r7, pc}
815c: 0000 movs r0, r0
...
00008160 <main>:
8160: b580 push {r7, lr}
8162: eeb7 0a00 vmov.f32 s0, #112 ; 0x3f800000 1.0
8166: eef1 0a04 vmov.f32 s1, #20 ; 0x40a00000 5.0
816a: f7ff ffed bl 8148 <fp32_div>
816e: eeb7 0b00 vmov.f64 d0, #112 ; 0x3f800000 1.0
8172: eeb1 1b04 vmov.f64 d1, #20 ; 0x40a00000 5.0
8176: f7ff ffd7 bl 8128 <d64_div>
817a: 2000 movs r0, #0
817c: bd80 pop {r7, pc}
。。。
00008190 <_fdiv>:
8190: ee00 0a10 vmov s0, r0
8194: ee00 1a90 vmov s1, r1
8198: ee80 1a20 vdiv.f32 s2, s0, s1
819c: ee11 0a10 vmov r0, s2
81a0: 4770 bx lr

复制代码

没错，尽管我们编译库的时候，选用了soft方式，但是链接的时候，由于我们使能了硬件浮点单元，因此链接器还是会将使用了硬件浮点单元的计算库链接到程序中。

当然，我们也可以认为，库中有两个同名函数，都叫_fdiv。只是链接器根据选用的浮点处理方式来链接不同的实现。大家感兴趣的话，也可以看看使用soft类型所链接的_fdiv函数是什么样子，这里只给大家看看部分代码：

000084ec <_fdiv>:
84ec: f44f 0c7f mov.w ip, #16711680 ; 0xff0000
84f0: ea1c 12d0 ands.w r2, ip, r0, lsr #7
84f4: bf1e ittt ne
84f6: ea1c 13d1 andsne.w r3, ip, r1, lsr #7
84fa: ea92 0f0c teqne r2, ip
84fe: ea93 0f0c teqne r3, ip
8502: f000 8085 beq.w 8610 <_fdiv+0x124>
8506: ea90 0f01 teq r0, r1
850a: bf48 it mi
850c: f442 7280 orrmi.w r2, r2, #256 ; 0x100
8510: f440 0c00 orr.w ip, r0, #8388608 ; 0x800000
8514: f441 0000 orr.w r0, r1, #8388608 ; 0x800000
8518: f02c 417f bic.w r1, ip, #4278190080 ; 0xff000000
851c: f020 407f bic.w r0, r0, #4278190080 ; 0xff000000
8520: b500 push {lr}
8522: eba2 0203 sub.w r2, r2, r3
8526: 4281 cmp r1, r0
8528: f20f 1c08 addw ip, pc, #264 ; 0x108
852c: ebac 4e50 sub.w lr, ip, r0, lsr #17
8530: f89e e000 ldrb.w lr, [lr]

复制代码

至此，小编就给大家分享了以下使用浮点计算时候，会遇到的一些小意外。大家在日常开发中，一定要根据所选的MCU类型，设置/使用正确的浮点计算方式，例如：单精度还是双精度。不然，很可能因为调用了本不支持的浮点操作，而增加了CPU loading。

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eefocus_3891719 · 发表于 2025-2-7 10:58:20

好文，赞

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