STM32F4xx FPU的設(shè)置

現(xiàn)在又FPU或者硬件浮點(diǎn)運(yùn)算能力的主要有高端DSP（比如TI F28335/C6000/DM6XX/OMAP等)，通用CPU（X87數(shù)學(xué)協(xié)處理器）和高級(jí)的ARM+DSP處理器等。

STM32-F4屬于Cortex-M4F構(gòu)架，這和M0、M3的最大不同就是多了一個(gè)F-float，即支持浮點(diǎn)指令集，因此在處理數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí)能比M0/M3高出數(shù)十倍甚至上百倍的性能，但是要充分發(fā)揮FPU的數(shù)學(xué)性能，還需要一些小小的設(shè)置：

1.編譯控制選項(xiàng)：雖然STM32F4XX固件庫的例程之system_stm32f4XXX.c文件中添加了對(duì)應(yīng)的代碼，但給用戶評(píng)估使用的 STM32F4-Discovery例程中卻沒有，因此MDK4.23編寫浮點(diǎn)運(yùn)算程序時(shí)，雖然編譯器正確產(chǎn)生了V指令來進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，但是因?yàn)?system_stm32f4XXX.c文件沒有啟用FPU，因此CPU執(zhí)行時(shí)只認(rèn)為是遇到非法指令而跳轉(zhuǎn)到HardFault_Handler()中斷 中原地踏步。因此要保證這個(gè)錯(cuò)誤不發(fā)生，必須要在system_init()函數(shù)里面添加如下代碼：

#if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2));
#endif

因?yàn)檫@個(gè)選項(xiàng)是有條件編譯控制的，因此需要在工程選項(xiàng)（Project->Options for target "XXXX"）中的C/C++選項(xiàng)卡的Define中加入如下的語句：__FPU_PRESENT=1,__FPU_USED =1。這樣編譯時(shí)就加入了啟動(dòng)FPU的代碼，CPU也就能正確高效的使用FPU進(jìn)行簡(jiǎn)單的加減乘除了。

但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。對(duì)于復(fù)雜運(yùn)算，比如三角函數(shù)，開方等運(yùn)算，如果編程時(shí)還是使用math.h頭文件，那是沒法提升效率的：因?yàn)閙ath.h頭文件是針對(duì)所 有ARM處理器的，其運(yùn)算函數(shù)都是基于定點(diǎn)CPU和標(biāo)準(zhǔn)算法（IEEE-754），并沒有預(yù)見使用FPU的情況，需要很多指令和復(fù)雜的過程才能完成運(yùn)算， 也就增加了運(yùn)算時(shí)間。因此要充分發(fā)揮M4F的浮點(diǎn)功能，就需要使用固件庫自帶的arm_math.h，這個(gè)文件根據(jù)編譯控制項(xiàng)（__FPU_USED == 1）來決定是使用那一種函數(shù)方法：如果沒有使用FPU，那就調(diào)用keil的標(biāo)準(zhǔn)math.h頭文件中定義的函數(shù)；如果使用了FPU，那就是用固件庫自帶的 優(yōu)化函數(shù)來解決問題。

在arm_math的開頭部分是有這些編譯控制信息：

#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(huì)調(diào)用keil自帶的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)。否則就用CMSIS的定義。這里因?yàn)槭怯玫腟TM32F4，所以應(yīng)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(shí)keil會(huì)提示找不到這文件。因此需要在工程選 項(xiàng)之C/C++選項(xiàng)卡的define中繼續(xù)加入語句ARM_MATH_CM4。

加入上述編譯控制項(xiàng)之后，高級(jí)數(shù)學(xué)函數(shù)的使用基本沒問題了，比如正余弦三角函數(shù)的計(jì)算。但需要注意，如果你直接使用sin()、cos()、sqrt() 這樣的函數(shù)，那結(jié)果還算調(diào)用keil的math.h，你可以在debug時(shí)看對(duì)應(yīng)的代碼，其匯編指令為BL.W __hardfp_xxx。因此這時(shí)要完成三角函數(shù)的計(jì)算就要使用arm_sin_f32()或者arm_cos_f32()，用法不變，這兩個(gè)函數(shù)的原 型分別在arm_sin_f32.c和arm_cos_f32.c中。通過對(duì)256點(diǎn)三角函數(shù)表的查詢和插值算法得到任意角度的精確函數(shù)值，這就比“原 裝”的sin()、cos()快多了。

當(dāng)然有些例外的是開發(fā)函數(shù)sqrt()，在arm_math.h中是這么定義的：

static __INLINE arm_statusarm_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
*pOut = sqrtf(in);
#endif
return (ARM_MATH_SUCCESS);
}
else
{
*pOut = 0.0f;
return (ARM_MATH_ARGUMENT_ERROR);
}
}

即開方用的函數(shù)是arm_sqrt_f32()，其中首先判斷被開發(fā)的書是否大于0，只有大于0的才能進(jìn)行運(yùn)算，否則輸出結(jié)果為0并返回“錯(cuò)誤”標(biāo)志。如 果大于0，并且實(shí)用了FPU和__CC_ARM控制項(xiàng)，那調(diào)用__sqrtf()來完成編譯，否則調(diào)用sqrtf()——這個(gè)sqrtf()是能在 keil的math.h中找到的，即調(diào)用子函數(shù)來完成運(yùn)算，而__sqrtf()呢？新出現(xiàn)的，相信大家都能猜到是什么玩意兒：對(duì)，就是VSQRT指令！ 因此要把這點(diǎn)性能也要發(fā)揮出來，就需要工程選項(xiàng)之C/C++選項(xiàng)卡的define中繼續(xù)加入語句__CC_ARM才行。大家可以比較一下是否加入 __CC_ARM編譯后會(huì)匯編代碼的差別巨大差別。

當(dāng)然，對(duì)于arm_sqrt_f32()函數(shù)還是有些麻煩，如果你確認(rèn)被開方的書是大于等于0的，那就直接使用__sqrtf()函數(shù)完成運(yùn)算，即一條簡(jiǎn)單的VSQRT指令。

STM32F4固件庫還提供了其他很有用的數(shù)學(xué)函數(shù)，都位于DSP_Lib文件夾，請(qǐng)大家慢慢探索，Discovery！