浮点 _ 运算处理方式(软硬-mfloat-abi=) _ 浮点协处理器类型 -mfpu=

本文介绍了ARM代码编译时的软浮点(soft-float)和硬浮点(hard-float)的编译以及链接实现时的不同。从VFP浮点单元的引入到软浮点(soft-float)和硬浮点(hard-float)的概念，然后是在GCC和ARMCC RVCT工具链下的具体编译参数。

VFP (vector floating-point)

从ARMv5开始，就有可选的 Vector Floating Point (VFP)模块，当然最新的如 Cortex-A8, Cortex-A9 和 Cortex-A5 可以配置成不带VFP的模式供芯片厂商选择。VFP经过若干年的发展，有VFPv2 (一些 ARM9 / ARM11)、 VFPv3-D16（只使用16个浮点寄存器，默认为32个）和VFPv3+NEON (如大多数的Cortex-A8芯片)。对于包含NEON的ARM芯片，NEON一般和VFP公用寄存器。

硬浮点Hard-float

编译器将代码直接编译成发射给硬件浮点协处理器（浮点运算单元FPU）去执行。FPU通常有一套额外的寄存器来完成浮点参数传递和运算。使用实际的硬件浮点运算单元FPU当然会带来性能的提升。因为往往一个浮点的函数调用需要几个或者几十个时钟周期。

软浮点 Soft-float

编译器把浮点运算转换成浮点运算的函数调用和库函数调用，没有FPU的指令调用，也没有浮点寄存器的参数传递。浮点参数的传递也是通过ARM寄存器或者堆栈完成。 现在的Linux系统默认编译选择使用hard-float，即使系统没有任何浮点处理器单元，这就会产生非法指令和异常。因而一般的系统镜像都采用软浮点以兼容没有VFP的处理器。

armel和armhf ABI
在armel中，关于浮点数计算的约定有三种。以gcc为例，对应的-mfloat-abi参数值有三个：soft,softfp,hard。soft是指所有浮点运算全部在软件层实现，效率当然不高，会存在不必要的浮点到整数、整数到浮点的转换，只适合于早期没有浮点计算单元的ARM处理器；softfp是目前armel的默认设置，它将浮点计算交给FPU处理，但函数参数的传递使用通用的整型寄存器而不是FPU寄存器；hard则使用FPU浮点寄存器将函数参数传递给FPU处理。需要注意的是，在兼容性上，soft与后两者是兼容的，但softfp和hard两种模式不兼容。默认情况下，armel使用softfp，因此将hard模式的armel单独作为一个abi，称之为armhf。而使用hard模式，在每次浮点相关函数调用时，平均能节省20个CPU周期。对ARM这样每个周期都很重要的体系结构来说，这样的提升无疑是巨大的。在完全不改变源码和配置的情况下，在一些应用程序上，使用armhf能得到20%——25%的性能提升。对一些严重依赖于浮点运算的程序，更是可以达到300%的性能提升。

Soft-float和hard-float的编译选项

在CodeSourcery gcc的编译参数上，使用-mfloat-abi=name来指定浮点运算处理方式。-mfpu=name来指定浮点协处理的类型。可选类型如fpa，fpe2，fpe3，maverick，vfp，vfpv3，vfpv3-fp16，vfpv3-d16，vfpv3-d16-fp16，vfpv3xd，vfpv3xd-fp16，neon，neon-fp16，vfpv4，vfpv4-d16，fpv4-sp-d16，neon-vfpv4等。使用-mfloat-abi=hard (等价于-mhard-float) -mfpu=vfp来选择编译成硬浮点。使用-mfloat-abi=softfp就能兼容带VFP的硬件以及soft-float的软件实现，运行时的连接器ld.so会在执行浮点运算时对于运算单元的选择，是直接的硬件调用还是库函数调用，是执行/lib还是/lib/vfp下的libm。-mfloat-abi=soft （等价于-msoft-float）直接调用软浮点实现库。

在ARM RVCT工具链下，定义fpu模式：

? --fpu softvfp
? --fpu softvfp+vfpv2
? --fpu softvfp+vfpv3
? --fpu softvfp+vfpv_fp16
? --fpu softvfp+vfpv_d16
? --fpu softvfp+vfpv_d16_fp16.

定义浮点运算类型

--fpmode ieee_full :所有单精度float和双精度double的精度都要和IEEE标准一致，具体的模式可以在运行时动态指定；

--fpmode ieee_fixed：舍入到最接近的实现的IEEE标准，不带不精确的异常；

--fpmode ieee_no_fenv：舍入到最接近的实现的IEEE标准，不带异常；

--fpmode std：非规格数flush到0、舍入到最接近的实现的IEEE标准，不带异常；

--fpmode fast：更积极的优化，可能会有一点精度损失。

一个浮点软链接实现的汇编例子

IMPORT __softfp_cos

BL __softfp_cos

ARMCC fplib浮点运算库

__aeabi_dadd 浮点double类型数据的加法，__aeabi_fdiv 单精度浮点除法。

附录：常见的芯片和VFP配置

Partial reference of SoC and supported ISAs

Manufacturer http://houh-1984.blog.163.com/	SoC	architecture	VFP	SIMD	Notes
Freescale	iMX5x	armv7			;  only reliable in Tape-Out 3 or above
Nvidia	Tegra2	armv7		none
Marvell	Dove	armv7		iwMMXt
Texas Instruments	OMAP3xxx	armv7
Texas Instruments	OMAP4xxx	armv7
	OMAP5xxx	armv7	VFPv4		(ARMv7-A) +  (ARMv7-ME)
Qualcomm	Snapdragon	armv7		[1]	Qualcomm "Scorpion" core
	S5PC100	armv7
	A1x	armv7

Reference

http://houh-1984.blog.163.com/

本文介绍了ARM代码编译时的软浮点(soft-float)和硬浮点(hard-float)的编译以及链接实现时的不同。从VFP浮点单元的引入到软浮点(soft-float)和硬浮点(hard-float)的概念，然后是在GCC和ARMCC RVCT工具链下的具体编译参数。


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NCNN在RK3288 Linux系统的原生编译问题解决

NCNN默认支持Android和iOS，使用Android NDK编译时会自动定义__ARM_NEON宏，从而获得较高的处理性能。在RK3288 Ubuntu Linux系统上编译时，默认是不开启__ARM_NEON宏的，虽然也能编译过，但是其性能却比Android系统低了一倍。

因此，要对NCNN做如下修改才能获得和Android一样的运行效果：

1、在顶层目录的CMakelist.txt文件中增加如下语句，强制打开宏__ARM_NEON：

add_definitions(-D__ARM_NEON)
add_definitions("-mfloat-abi=hard -mfpu=neon")

2、按如下方式修改src/CMakeLists.txt:

if(TURE OR (ANDROID AND ("${CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR}" STREQUAL "armv7-a"))

即强制进入ARM平台分支编译，否则会编译X86平台对应的C程序。

3、在RK3288的Linux系统上按照软件包：

sudo apt-get install gcc-multilib g++-multilib

如果不安装此包，则会报告错误：/usr/include/c++/5/string:38:28: fatal error: bits/c++config.h: No such file or directory

特别说明：

RK3288 Ubuntu系统默认的浮点数格式hard，所以上面要用参数-mfloat-abi=hard

但是对于安卓或者不支持hard模式的处理器，应该定义参数-mfloat-abi=softfp（NCNN的README.md文档中提到的3519处理器就是这样）

如果这两个参数不一致，那么虽然编译能通过，但是程序运行时就会报出找不到文件的错误，比如：./mtcnn: error while loading shared libraries: libopencv_highgui.so.2.4: cannot open shared object file: No such file or directory。我解决这个错误花了较长时间，它产生的原因就是：mtcnn程序使用“-mfloat-abi=softfp -mfpu=neon”编译，而安装的libopencv-dev软件包却默认采用-mfloat-abi=hard编译。

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出于低功耗、封装限制等种种原因，之前的一些ARM架构处理器因为内部资源宝贵，加入浮点运算单元是十分奢侈的，因为需要额外的软件实现。随着技术发展，目前高端的ARM处理器已经具备了硬件执行浮点操作的能力。这样新旧两种架构之间的差异，就产生了两个不同的嵌入式应用程序二进制接口（EABI）——软浮点与矢量浮点（VFP）。但是软浮点（soft float）和硬浮点（hard float）之间有向前兼容却没有向后兼容的能力，也就是软浮点的二进制接口（EABI）仍然可以用于当前的高端ARM处理器。

fpu单元

在ARM体系架构内核中，有些有浮点运算单元（fpu），有些没有。对于没有fpu内核，是不能使用armel和armhf的。在有fpu的情况下，就可以通过gcc的选项-mfloat-abi来指定使用哪种，有如下三种值：

• soft：不用fpu计算，即使有fpu浮点运算单元也不用。
• armel：也即softfp，用fpu计算，但是传参数用普通寄存器传，这样中断的时候，只需要保存普通寄存器，中断负荷小，但是参数需要转换成浮点的再计算。
• armhf：也即hard，用fpu计算，传参数用fpu中的浮点寄存器传，省去了转换性能最好，但是中断负荷高。

kernel、rootfs和app编译的时候，指定的必须保持一致才行。

使用softfp模式，会存在不必要的浮点到整数、整数到浮点的转换。而使用hard模式，在每次浮点相关函数调用时，平均能节省20个CPU周期。对ARM这样每个周期都很重要的体系结构来说，这样的提升无疑是巨大的。

在完全不改变源码和配置的情况下，在一些应用程序上，虽然armhf比armel硬件要求（确切的是指fpu硬件）高一点，但是armhf能得到20-25%的性能提升。对一些严重依赖于浮点运算的程序，更是可以达到300%的性能提升。

armel与armhf

之前EABI中，armel（低端ARM硬件，支持armv4以上版本），在执行浮点运算之前，浮点参数必须首先通过整数寄存器，然后传递到浮点运算单元。新的EABI ，也就是armhf，通过直接传递参数到浮点寄存器优化了浮点运算的调用约定。

相比我们熟悉的armel，armhf代表了另一种不兼容的二进制标准。在一些社区的支持下，armhf目前已经得到了很大的发展。像Ubuntu，已经计划在之后的发行版中放弃armel，转而支持armhf编译的版本。正如目前依然很火热的Raspberry Pi（ARM11），由于ubuntu只支持armv7架构的编译，Raspberry Pi将不能直接安装ubuntu系统。而BB Black（Cortex-A8）和Cubietruct（Cortex-A7）则同时支持ubuntu的armel与armhf的编译。

安装armel和armhf

以上就是armel与armhf的比较。相信大家也应该有个大概的了解了。在Ubuntu系统下，如何根据需求分别实现两种交叉编译器的安装呢？

arm-linux-gnueabi的安装

sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi

按操作下载即可，没啥好说的。

 arm-linux-gnueabihf的安装

两种方法，

1. linaro开源组织有相关的交叉工具链下载，点击进入网页选择下载即可，地址：。
2. 到本站工具链页面下载，地址：。

然后就是解压到自定义目录中，并添加bin环境变量。

armhf 使用

armhf的开启需要硬件的支持，在Debian的wiki上要求ARMv7 CPU、Thumb-2指令集以及VFP3D16浮点处理器。

在gcc的编译参数上，使用-mfloat-abi=hard -mfpu=vfp即可。

在工具上，CodeSourcery最早支持hard模式。或者，也可已自己编译工具链。