關(guān)于STM32浮點(diǎn)運(yùn)算單元FPU的應(yīng)用示例

有人利用STM32芯片做些DSP處理，在啟用FPU單元進(jìn)行調(diào)試、驗(yàn)證過(guò)程中可能會(huì)遇到些小問(wèn)題、小困惑，這里通過(guò)STM32F4芯片一個(gè)具體的應(yīng)用示例簡(jiǎn)單分享下，希望順便能給同仁提供些幫助或提醒。

我這里通過(guò)調(diào)用DSP庫(kù)里的FFT相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)1024點(diǎn)的FFT運(yùn)算，樣點(diǎn)數(shù)據(jù)及運(yùn)算結(jié)果均為浮點(diǎn)數(shù)。

上圖中A區(qū)代碼是做樣點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，B區(qū)代碼完成FFT運(yùn)算。我們來(lái)一起看看基本的配置以及不啟用硬件浮點(diǎn)單元和啟用硬件浮點(diǎn)單元執(zhí)行B區(qū)代碼的時(shí)間上的差別。

程序里要調(diào)用一些數(shù)學(xué)函數(shù)，而這些數(shù)學(xué)函數(shù)往往集成在相應(yīng)的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)里。我們選用ARM公司的DSP數(shù)學(xué)庫(kù)，該庫(kù)系專門針對(duì)AMR核芯片及指令系統(tǒng)而組織的代碼，相比IDE自帶的通用數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)會(huì)更優(yōu)化、高效。

目前該DSP數(shù)學(xué)庫(kù)包括基本數(shù)學(xué)函數(shù)、復(fù)數(shù)數(shù)學(xué)函數(shù)、濾波函數(shù)、矩陣函數(shù)等幾大塊，詳細(xì)內(nèi)容可以去ARM網(wǎng)站閱讀比較方便。【可點(diǎn)擊左下方原文鏈接前往】

我們開(kāi)發(fā)時(shí)，這些文件具體在哪里呢？在各個(gè)編譯環(huán)境的安裝目錄下都不難找到。不妨看看ARM keil MDK環(huán)境下它們所在位置。

上面我們看到的是DSP庫(kù)源文件所在目錄，在另一個(gè)目錄存放著基于不同內(nèi)核、不同存儲(chǔ)端格式以及是否支持硬件浮點(diǎn)單元而編譯出來(lái)的庫(kù)文件。我們?cè)陂_(kāi)發(fā)時(shí)，直接添加合適的庫(kù)文件進(jìn)工程即可，不必逐個(gè)查找源文件來(lái)添加。下圖就是可以用于ARM MDK環(huán)境的庫(kù)文件?！緦?duì)于不同IDE，庫(kù)文件名后綴略有差異】

這里以用于M4內(nèi)核的DSP數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)稍作解釋，詳見(jiàn)下面表格。

從上表可以看出，基于Cortex M4內(nèi)核芯片進(jìn)行DSP運(yùn)算可以能用到的庫(kù)有四個(gè)，但具體到STM32 基于M4內(nèi)核的芯片可以選用的只有兩個(gè)，即xxxM4l_math.lib或xxxM4lf_math.lib,因?yàn)镾TM32芯片的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)都是小端模式。所謂小端模式，簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是指多字節(jié)數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存儲(chǔ)時(shí)，按照低位字節(jié)對(duì)應(yīng)地址低位來(lái)存放，反之則為大端模式。

在上面截圖中，我還截取了對(duì)應(yīng)M0內(nèi)核可用的DSP數(shù)學(xué)庫(kù)，它為什么只有兩個(gè)？這是因?yàn)镸0內(nèi)核沒(méi)有FPU硬件單元，不存在FPU是否啟用的可選情況。

現(xiàn)在就利用STM32F429開(kāi)發(fā)板，基于開(kāi)篇的截圖代碼進(jìn)行測(cè)試，并用定時(shí)器測(cè)量下面執(zhí)行代碼在不使用FPU和使用FPU分別所花費(fèi)的時(shí)間，并計(jì)算二者的時(shí)間比?！咀ⅲ篠TM32F429芯片自身是帶硬件FPU的】

必要的配置和文件包含及添加，如下表所示：

基于上面條件執(zhí)行FFT運(yùn)算代碼，不使用FPU和使用FPU的時(shí)間比為16。

采用相似的條件，基于IAR環(huán)境對(duì)相同功能代碼段進(jìn)行測(cè)試，不使用FPU和使用FPU的時(shí)間比為11。

關(guān)于這個(gè)時(shí)間比，除了跟是否使用微庫(kù)、優(yōu)化等級(jí)、浮點(diǎn)精度等有關(guān)外，跟你所選取的測(cè)試代碼也有很大關(guān)系，因?yàn)橛行┐a只能靠CPU執(zhí)行的話，開(kāi)不開(kāi)FPU硬件單元對(duì)這部分時(shí)間是沒(méi)有影響的。不難理解，被測(cè)試代碼里只能靠CPU運(yùn)行的代碼占比越多，上面的這個(gè)比值就會(huì)越小。一般來(lái)說(shuō)，我們不必太過(guò)糾結(jié)這個(gè)值的大小，知道有這個(gè)硬件浮點(diǎn)單元，既減輕了CPU負(fù)荷，又可以提升計(jì)算速度就好。

另外，我們?cè)谧鯠SP相關(guān)應(yīng)用時(shí)，注意添加的DSP庫(kù)既要跟所用芯片匹配，還要跟IDE里的配置匹配。還是以上面測(cè)試代碼為例，本意是想啟用FPU，結(jié)果添加的DSP庫(kù)卻是基于不使用FPU硬件的數(shù)學(xué)庫(kù)，那會(huì)怎么樣呢？

本應(yīng)該添加arm_cortexM4lf_math.h的，結(jié)果弄錯(cuò)了。如果按照上面條件構(gòu)建ARM MDK工程，一路編譯下來(lái)沒(méi)有任何警告或錯(cuò)誤提示。程序也能流暢運(yùn)行，F(xiàn)FT運(yùn)算結(jié)果似乎也出來(lái)了。

但仔細(xì)查看結(jié)果，跟之前正確配置的運(yùn)行結(jié)果明顯不一樣。經(jīng)驗(yàn)證核對(duì)，這次運(yùn)算結(jié)果是錯(cuò)的。為此我特意添加一行計(jì)算90°的正弦值代碼，它算出來(lái)結(jié)果竟然是1.5！逆天了。

如果說(shuō)在不知情的情況下這一路下來(lái)，估計(jì)要被摧殘一頓了。畢竟很多數(shù)學(xué)函數(shù)結(jié)果常人是無(wú)法一眼能看出對(duì)錯(cuò)的，即使看出錯(cuò)了若沒(méi)未及時(shí)想到庫(kù)問(wèn)題的話，恐怕還得折騰折騰。

針對(duì)這種情形，基于同樣代碼于IAR環(huán)境下測(cè)試，情況相比ARM MDK貌似要好點(diǎn)。至少編譯時(shí)有警告提示，提示引用沖突之類的。計(jì)算結(jié)果沒(méi)有MDK的那么具有隱蔽性【至少對(duì)于本次測(cè)試是這樣】，基本是清一色的0，頗有沖擊效果！當(dāng)然，此時(shí)讓它計(jì)算90°的正弦值結(jié)果也是明顯錯(cuò)的。

感覺(jué)上，這種情形下，使用IAR時(shí)挖的坑似乎稍微淺些，更容易讓人警醒懷疑哪里出問(wèn)題了。

好，就分享到這里，祝君好運(yùn)！

原文標(biāo)題：關(guān)于STM32浮點(diǎn)運(yùn)算單元FPU的小話題

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