ARM Cortex M4使用浮点运算单元（FPU）

1.ARM Cortex M4
  ARM Cortex-M4处理器是由ARM专门开发的最新嵌入式处理器，在M3的基础上强化了运算能力，新加了浮点、DSP、并行计算等。Cortex-M4处理器的最大亮点之一，也是本文主要描述的一个功能就是增加了一个单精度浮点单元（FPU)，能够高效率处理较为复杂的浮点运算，如电机闭环控制、PID算法、快速傅里叶变换等。关于M4与M3的性能对比，官方提供的测试数据如图。

                  16bit循环计数

                  32bit循环计数

  对于图表，Y轴代表执行给出的计算用的相对的周期数。 因此，循环数越小，性能越好。以Cortex - M3作为参考，Cortex - M4的性能计算，性能比大概为其周期计数的倒数。举例说明，PID功能，Cortex - M4的周期数是与Cortex - M3的约0.7倍，因此相对性能是1/0.7，即1.4倍。

2.使用M4的浮点运算
2.1获取FPU库
M4浮点库集成在Keil中，安装完Keil工具，即可从对应的文件路径获取FPU库。
 ·对于Keil4，库文件在路径：“..\Keil\ARM\CMSIS”
 ·对于Keil5，库文件在路径：“..\Keil_v5\ARM\Pack\ARM\CMSIS\4.3.0\CMSIS”，前面“..”是安装的磁盘路径，比如：“D:\Keil_v5\ARM\Pack\ARM\CMSIS\4.3.0\CMSIS”；对于不同版本的的Keil5其中“4.3.0”的命名不一样，如有可能是“4.2.0”。

2.2拷贝库文件
对于一个项目来说，为了工程的完整性和源文的管理，一般将库文件拷贝到项目工程中文件路径下。这里有两种处理用方法。
 ·使用该目录下的“Lib”库，该文件夹就是FPU相关运算函数库，使用时根据头文件函数名调用库。
 ·使用该目录下的“DSP_Lib”库，该文件夹是FPU相关运算函数库源码，每个浮点运算函数都提供源码，比较好理解和使用。如下图，各类函数都有分好类，可以查看源码，具体函数功能和描述官方有标准的手册介绍。

  鄙人用的是第二种方法，两种方法各有优势，方法一中已将源码编译程库文件，不参与编译过程，只参与链接，编译速度快；方法二，参与编译、链接过程，编译耗时，但使用时可以查看源码，便于理解和使用。

2.3加入FPU库
  首先将FPU库的路径加入Keil的编译路径中。
  第二步是加入工程，可以全部FPU库函数添加到工程中，但一般根据需要选择性添加使用到的函数库，提高编译速度和节省空间。鄙人暂时用到标准差（ standard deviation）和平均值（mean）运算函数，所以仅添加两函数。另外，从命名看，ARM的命名规则比较易懂，基本上看函数名称即可知道该函数的功能，如标准差运算函数arm_std_f32，平均值运算函数arm_mean_f32，等都是以对应术语的英文名称命名。


2.4开启FPU
  使能浮点运算，在工程设置中“option for target” 中开启浮点运算功能。

  加入FPU库的宏“ARM_MATH_CM4”定义。

  在官方提供的对应MCU型号的头文件中，将FPU选择宏开启，如STM32的“stm32f407xx.h”，鄙人用的是LPC4088，头文件为“LPC407x_8x_177x_8x.h”。

#define __FPU_PRESENT                  1            /*!< FPU present or not                                                    */

2.5使用FPU
  使用前，需要在文件头加入浮点库函数头文件，即是#include “arm_math.h”，否则编译时可能会提示警告或者编译错误。然后即是根据库函数的参数类型传入对应类型参数调用该函数。

3.总结
实体测试及综合网友的一些实验，关于FPU的几个总结：
1）编译器未开启FPU功能，代码中配置了FPU，程序依然按照未配置FPU的代码进行处理。
2）编译器开启了FPU功能，代码中未配置FPU，如果代码中带有单精度（float）浮点运算的代码，编译器会使用FPU单元汇编指令，无论芯片是否开启了FPU功能。除非用户在代码中关闭了FPU功能，此时程序执行会出错，直接进入HardFault_Handle。
3）Cortex M4默认的开启浮点运算功能的，但目前M4只支持单精度浮点运算，单精度浮点运算对于大部分场合来说已经足够使用。
4）一般情况下，编译器对于小数处理默认是双精度（double）类型，所以在涉及小数运算时，若要使用FPU功能，应该指定为单精度类型，如：float a = 1.23f * 2.34f。