Cortex-M3內(nèi)核浮點型運算的研究與實現(xiàn)
摘要:通過分析Cortex-M3內(nèi)核的結(jié)構(gòu)與浮點型格式,充分利用Cortex-M3內(nèi)核中的分支預(yù)測、單周期乘法、硬件除法等眾多功能強大的特性,使用Thumb-2指令集實現(xiàn)了單精度浮點型的加、減、乘、除與比較運算,并給出了加減法運算的流程圖和除法運算的源程序。
關(guān)鍵詞:Cortex-M3內(nèi)核;浮點型;速度
引言
在一些較為復(fù)雜的運算中,經(jīng)常需要處理取值范圍大、精度高的浮點型數(shù)據(jù)。但一般的低端嵌入式內(nèi)核中沒有浮點型硬件運算器,因此處理語音信號等數(shù)據(jù)比較困難。本文提出了一種基于Cortex-M3內(nèi)核的浮點型運算的處理方法。
1 Thumb-2指令集與COrtex-M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)
Thumb-2指令集具有以下優(yōu)點:許多指令(包括乘法相關(guān)指令、突破性的32位硬件除法指令等)都是單周期的,并且位段處理指令取指都按32位處理。
Cortex-M3是一個32位處理器內(nèi)核,采用哈佛結(jié)構(gòu),擁有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線,可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問并行不悖。它具有如下特點:功耗低,有睡眠、停機(jī)和待機(jī)3種模式;實時性好;響應(yīng)中斷快,而且響應(yīng)中斷所需的周期數(shù)是確定的;采用Thumb-2指令集,使得代碼
密度和執(zhí)行效率更高。
2 浮點數(shù)的格式
IEEE的浮點型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,浮點數(shù)具有單精度(4字節(jié))、雙精度(8字節(jié))和擴(kuò)展精度(10字節(jié))三種浮點型格式。在實際的應(yīng)用中,使用最多的是單精度浮點數(shù),格式如下:
浮點數(shù)表示為:X=MsEsEm-1…E1E0 M-1M-2…M-n。IEEE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:階碼用移碼;尾數(shù)的符號位用1表示負(fù)數(shù),0表示正數(shù);尾數(shù)的數(shù)據(jù)位用原碼表示,并且隱藏了第24位(即M-1),M-1為1,所以尾數(shù)是大于等于0.5小于1的小數(shù)。
階碼用移碼表示、尾數(shù)用原碼表示浮點數(shù)的好處:
①浮點數(shù)據(jù)零的所有位均為零。
②2個浮點數(shù)比較大小時,可不必區(qū)分階碼位和數(shù)據(jù)位,視為有符號32位整型數(shù)據(jù)比較。
3 浮點型運算的具體實現(xiàn)
3.1 加減運算
Cortex-M3是32位的內(nèi)核,可以把單精度浮點數(shù)存儲為32位的有符號整數(shù),這樣便于比較運算。加減運算的流程如圖1所示。
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