<2012 12 20> Gcc/ARM/Linux Kernel关于浮点运算的一些说明（很有用！）

参考之前的两篇博文《ABI/EABI/OABI详解及ARM-linux 浮点运算解析与配置》《Why ARM's EABI Matters？有关ARM-Linux平台浮点计算性能。》

跟这篇博文的主题都有关系，这篇博文整理这方面的知识比较清楚，也便于应用。

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名字解释：
ABI，application binary interface (ABI)，应用程序二进制接口。

编译版本问题：
  GCC 4.0 为分界线
  4.0版本以下，由于采用OABI接口，其对浮点的支持不太好
  4.0版本以上，采用了新的EABI接口，其对软浮点和硬浮点的支持都比较好。

考虑在4.0版本以下时，其支持的ARM内核大多数没有硬浮点，所以可以分析资料比较少，
现在重点关注4.0版本以上。以下所述都是针对4.0版本以上的。


编译器相关的参数：
  -mfloat-abi=soft    使用这个参数时，其将调用软浮点库(softfloat lib)来支持对浮点的运算，GCC编译器已经有这个库了，一般在libgcc里面。这时根本不会使用任何浮点指令，而是采用常用的指令来模拟浮点运算。但使用的ARM芯片不支持硬浮点时，可以考虑使用这个参数。在使用这个参数时，连接时一般会出现下面的提示：
   undefined reference to `__aeabi_fdiv'
  或者类似的提示，主要因为一般情况下连接器没有去主动寻找软浮点库，这时使用将libgcc库加入即可。

  -mfloat-abi=softfp
  -mfloat-abi=hard
  这两个参数都用来产生硬浮点指令，至于产生哪里类型的硬浮点指令，需要由-mfpu=xxx参数来指令。这两个参数不同的地方是：
         -mfloat-abi=softfp生成的代码采用兼容软浮点调用接口(即使用-mfloat-abi=soft时的调用接口)，这样带来的好处是：兼容性和灵活性。库可以采用-mfloat-abi=soft编译，而关键的应用程序可以采用-mfloat-abi=softfp来编译。特别是在库由第三方发布的情况下。
         -mfloat-abi=hard生成的代码采用硬浮点(FPU)调用接口。这样要求所有库和应用程序必须采用这同一个参数来编译，否则连接时会出现接口不兼容错误。
  
  
  -mfpu=vfp
  -mfpu=fpa
  ...
  前面已经讲述了,-mfpu参数就是用来指定要产生哪种硬浮点指令。常见的有vfp,fpa等。


编译器使用时要注意的地方：
  1.确认编译器默认是使用哪种参数来处理浮点操作的。写一个简单的浮点数程序：
  #include <stdio.h>
 int main(void)
{
    double d1 = 10.3;
    double d2 = 2.0;
    
    double dret = d1/d2;
    dret++;
    
    printf("result :%f",dret);
    
    return 0;
}
     
 然后使用
      arm-linux-gcc -c main.c -o main.o
    再使用
      arm-linux-objdump -d main.o
     然后观察产生的指令，从而确定默认使用的是软浮点还是硬浮点。(确认的过程，看个人。晃一眼，里面如果有不熟悉指令，那可能就是硬浮点指令了)

 2.确认编译器所带的库使用哪种参数来编译的。
 3.确认所使用的芯片是否支持硬浮点，如果支持，是哪种类型的浮点指令。如果1,2与使用的芯片相冲突，这时就要考虑另寻编译器了。

这三点确认以后，我们在写自己的应用程序时，就会知道该怎样使用这些参数了。



Linux相关问题：
 这里涉及两个问题：1.使用的ARM芯片不支持硬浮点
                   2.使用的ARM芯片支持硬浮点
问题1：使用的ARM芯片不支持硬浮点
   在配置ARM Linux内核时，应该都会看到这样的配置：
    menu "Floating point emulation"
    comment "At least one emulation must be selected"
    config FPE_NWFPE
        ...
    这个是用来配置在内核里面模拟浮点处理器。
  这个配置有什么作用呢？估计很少有人能够知道。其实它是这样的：
   当使用的ARM芯片不支持硬浮点，而又采用了-mfpu=fpa -mfloat-abi=softfp/hard来编译应用程序。现在应该知道，采用这样的参数是要参数fpa硬浮点指令。但是使用的ARM芯片不支持硬浮点，这时这个配置就其作用了。因为使用了fpa硬浮点指令，但使用的ARM芯片不支持硬浮点，这样当程序运行到fpa硬浮点指令，会出现指令异常，便会陷入到内核里，这时这个模拟浮点处理器就来模拟这些浮点指令。现在应该清楚了，其作用了吧。但是现在有了更好的办法，前面已经讲过了，采用-mfloat-abi=soft参数来编译应用程序，这样效率会快得多。想想从用户态切换到内核态，以及由此产生的cache和TLB表的损失。所以可以考虑将这个配置抛弃了。


问题2：使用的ARM芯片支持硬浮点
一般ARM芯片支持硬浮点，都是采用协处理器方式的。与ARM内核本身一样，协处理器也有自己的寄存器。这样当多个进程同时涉及浮点运算时，会怎样？所以Linux内核为了支持硬浮点，也要做一些工作的。
内核配置：
   config VFP
    bool "VFP-format floating point maths"
    depends on CPU_V6 || CPU_ARM926T || CPU_V7 || CPU_FEROCEON
如果使用的ARM芯片支持硬浮点，同时在应用程序里面使用了硬浮点，那么内核可能需要做一些工作。。上面这个配置是针对vfp硬浮点处理器的；如果是其他硬浮点处理，需要参考相关的资料，来确认要做哪些功能。如果可以确保所有时候，可以确保只有一个进程使用硬浮点处理器，那可以不需要考虑对硬浮点相关寄存器的保存和切换，问题是可以确认吗？



对于浮点运算，针对ARM芯片应该尽量避免。如果无法避免，那就需要综合考虑到底使用哪种方式？如何去操作？性能如何？都需要考虑，去实验测试是最好的。