Cortex-M3內(nèi)核浮點(diǎn)型運(yùn)算的研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：通過(guò)分析Cortex-M3內(nèi)核的結(jié)構(gòu)與浮點(diǎn)型格式，充分利用Cortex-M3內(nèi)核中的分支預(yù)測(cè)、單周期乘法、硬件除法等眾多功能強(qiáng)大的特性，使用Thumb-2指令集實(shí)現(xiàn)了單精度浮點(diǎn)型的加、減、乘、除與比較運(yùn)算，并給出了加減法運(yùn)算的流程圖和除法運(yùn)算的源程序。
關(guān)鍵詞：Cortex-M3內(nèi)核；浮點(diǎn)型；速度

引言
在一些較為復(fù)雜的運(yùn)算中，經(jīng)常需要處理取值范圍大、精度高的浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)。但一般的低端嵌入式內(nèi)核中沒(méi)有浮點(diǎn)型硬件運(yùn)算器，因此處理語(yǔ)音信號(hào)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(diǎn)型運(yùn)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(diǎn)：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(gè)32位處理器內(nèi)核，采用哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨(dú)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(wèn)并行不悖。它具有如下特點(diǎn)：功耗低，有睡眠、停機(jī)和待機(jī)3種模式；實(shí)時(shí)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(diǎn)數(shù)的格式
IEEE的浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，浮點(diǎn)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(diǎn)型格式。在實(shí)際的應(yīng)用中，使用最多的是單精度浮點(diǎn)數(shù)，格式如下：

浮點(diǎn)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(hào)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(diǎn)數(shù)的好處：
①浮點(diǎn)數(shù)據(jù)零的所有位均為零。
②2個(gè)浮點(diǎn)數(shù)比較大小時(shí)，可不必區(qū)分階碼位和數(shù)據(jù)位，視為有符號(hào)32位整型數(shù)據(jù)比較。

3 浮點(diǎn)型運(yùn)算的具體實(shí)現(xiàn)
3．1 加減運(yùn)算
Cortex-M3是32位的內(nèi)核，可以把單精度浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)為32位的有符號(hào)整數(shù)，這樣便于比較運(yùn)算。加減運(yùn)算的流程如圖1所示。