STM32F4之FPU效能的充分發揮設定要點

浮點運算一直是定點cpu的難題，比如乙個簡單的1.1+1.1，定點cpu必須要按照ieee-754標準的演算法來完成運算，對於8位微控制器來說已經完全是噩夢，對32為微控制器來說也不會有多大改善。雖然將浮點數進行q化處理能充分發揮32位微控制器的運算效能，但是精度受到限制而不會太高。對於有fpu（浮點運算單元）的微控制器或者cpu來說，浮點加法只是幾條指令的事情。

現在又fpu或者硬體浮點運算能力的主要有高階dsp（比如ti f28335/c6000/dm6xx/omap等)，通用cpu（x87數學協處理器）和高階的arm+dsp處理器等。

stm32-f4屬於cortex-m4f構架，這和m0、m3的最大不同就是多了乙個f-float，即支援浮點指令集，因此在處理數**算時能比m0/m3高出數十倍甚至上百倍的效能，但是要充分發揮fpu的數學效能，還需要一些小小的設定：

1.編譯控制選項：雖然stm32f4xx韌體庫的例程之system_stm32f4***.c檔案中新增了對應的**，但給使用者評估使用的stm32f4-discovery例程中卻沒有，因此mdk4.23編寫浮點運算程式時，雖然編譯器正確產生了v指令來進行浮點運算，但是因為system_stm32f4***.c檔案沒有啟用fpu，因此cpu執行時只認為是遇到非法指令而跳轉到hardfault_handler()中斷中原地踏步。因此要保證這個錯誤不發生，必須要在system_init()函式裡面新增如下**：

#if (__fpu_present == 1) && (__fpu_used == 1)

scb->cpacr |= ((3ul << 10*2)|(3ul << 11*2));

#endif

因為這個選項是有條件編譯控制的，因此需要在工程選項（project->options for target "***x"）中的c/c++選項卡的define中加入如下的語句：__fpu_present=1,__fpu_used =1。這樣編譯時就加入了啟動fpu的**，cpu也就能正確高效的使用fpu進行簡單的加減乘除了。

但這還遠遠不夠。對於複雜運算，比如三角函式，開方等運算，如果程式設計時還是使用math.h標頭檔案，那是沒法提公升效率的：因為math.h標頭檔案是針對所有arm處理器的，其運算函式都是基於定點cpu和標準演算法（ieee-754），並沒有預見使用fpu的情況，需要很多指令和複雜的過程才能完成運算，也就增加了運算時間。因此要充分發揮m4f的浮點功能，就需要使用韌體庫自帶的arm_math.h，這個檔案根據編譯控制項（__fpu_used == 1）來決定是使用那一種函式方法：如果沒有使用fpu，那就呼叫keil的標準math.h標頭檔案中定義的函式；如果使用了fpu，那就是用韌體庫自帶的優化函式來解決問題。

在arm_math的開頭部分是有這些編譯控制資訊：

#ifndef _arm_math_h

#define _arm_math_h

#define __cmsis_generic

#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

#include "string.h"

#include "math.h"

就是說如果不使用cmsis的，就會呼叫keil自帶的標準庫函式。否則就用cmsis的定義。這裡因為是用的stm32f4，所以應該要arm_math_cm4控制，即加入core_cm4.h，否則就用使用armcm4.h——但在編譯時keil會提示找不到這檔案。因此需要在工程選項之c/c++選項卡的define中繼續加入語句arm_math_cm4。

加入上述編譯控制項之後，高階數學函式的使用基本沒問題了，比如正余弦三角函式的計算。但需要注意，如果你直接使用sin()、cos()、sqrt()這樣的函式，那結果還算呼叫keil的math.h，你可以在debug時看對應的**，其彙編指令為bl.w __hardfp_***。因此這時要完成三角函式的計算就要使用arm_sin_f32()或者arm_cos_f32()，用法不變，這兩個函式的原型分別在arm_sin_f32.c和arm_cos_f32.c中。通過對256點三角函式表的查詢和插值演算法得到任意角度的精確函式值，這就比「原裝」的sin()、cos()快多了。

當然有些例外的是開發函式sqrt()，在arm_math.h中是這麼定義的：

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

STM32F4之FPU效能的充分發揮設定要點

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KEIL中STM32F4系列使能FPU

STM32F4外設配置速查 FPU與DSP部分

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