浅析Cortex-M FPU的Lazy Stacking机制

1.浮点运算指令

浮点运算指令用于FPU单元的单精度浮点运算。浮点运算指令都是用V开头的汇编指令。

只有在FPU开启的状态下，才能运行这些指令。

如果在FPU没有开启的状态下，执行了浮点运算指令，系统会产生一个硬fault异常。

2.为什么FPU需要Lazy Stacking

当Cortex-M系列的芯片多了对浮点运算的支持之后，在中断响应和退出时会增加对FPU扩展寄存器的保护。

入栈浮点寄存器组所带来的影响有如下几方面：

a.增加stack frame所占的存储区域；

b.增加中断响应延迟；

c.在OS环境下，增加上下文切换时间；

为了减少中断响应延迟和OS环境下的上下文切换时间，引入了FPU的Lazy Stacking机制。

3.FPU Lazy Stacking简述

Lazy Stacking机制在下面的情况下，会跳过对浮点寄存器组的入栈操作（仅预留浮点寄存器组S0~S15和FPSCR的存储空间），以避免中断延迟的增加：

a.中断处理函数不使用FPU；

b.被中断的程序未曾用到FPU；

被中断函数使用了FPU，如果在执行中断处理函数时也用到了FPU，在执行到中断函数的第一条浮点指令时，内核会暂停，然后硬件自动将先前的浮点寄存器内容（S0~S15，FPSCR）压入预留的存储空间中。

Lazy Stacking是可以通过软件使能和关闭的，如下述操作：

a.使能Lazy Stacking必须同时置位FPCCR寄存器的LSPEN位和ASPEN位；

b.清除FPCCR寄存器的LSPEN位可以关闭Lazy Stacking；

关于FPCCR寄存器的LSPEN位和ASPEN位的组合情况有如下说明：

FPCCR.ASPEN	FPCCR.LSPEN	说明
0	0	取消自动状态保存。中断响应时不入栈FPU寄存器。 应用场景： 1. 应用中没有用到OS或者多任务调度，如果没有任何中断异常用到FPU。 2. 在应用程序代码中只有一个中断用到FPU。如果有多个中断用到FPU，那么中断嵌套必须被禁止。可以通过把所有的中断优先级设置位相同优先级实现。
1	0	关闭Lazy Stacking，仅打开自动状态保存。 如果用到FPU，CONTROL.FPCA位自动置1。中断响应时，硬件自动入栈S0~S15和FPSCR寄存器。
1	1	打开Lazy Stacking，打开自动状态保存。 如果用到FPU，CONTROL.FPCA位自动置1。如果响应中断时，CONTROL.FPCA为1，处理器在堆栈中预留FPU寄存器的空间，同时将FPCCR.LSPACT位置1。但是PFU寄存器并没有马上入栈，直到在中断处理函数中用到FPU时再入栈。
0	1	非法配置

4.FPU Lazy Stacking用到的几个重要标志

浮点寄存器入栈和出栈过程中用到的标志位：

标志位	说明
CONTROL.FPCA	0 = 当前上下文中没有用到FPU 1 = 当前上下文中用到FPU 这里的上下文，即表示普通的任务上下文，也表示中断上下文。
FPCCR.LSPACT	0 = 退出Lazy状态（实际入栈后被硬件清零或者中断返回时硬件清零） 1 = 进入Lazy状态（栈帧中预留了FPU寄存器的空间，但没有实际入栈）
EXC_RETURN[4]	0 = 栈帧中包括了FPU寄存器空间 1 = 栈帧中不包括FPU寄存器空间

5.FPU Lazy Stacking使用实例

下面的例子都是在使能了FPU的Lazy Stacking机制下进行说明的。

(1).被中断的程序和中断程序中都没有使用到FPU，其示意图如下所示：

Snipaste_2020-04-10_11-46-40

(2).被中断的程序用到了FPU，中断程序中没有使用到FPU，其示意图如下所示：

Snipaste_2020-04-10_12-38-54

(3).被中断的程序和中断程序中都用到了FPU，其示意图如下所示：

Snipaste_2020-04-10_14-05-19

6.RTOS使用Lazy Stacking

首先肯定是要使能FPU的Lazy Stacking，然后在PendSV切换任务的时候做下面的处理：

(1).上文保存阶段：检测 EXC_RETURN 的 bit4（通过LR访问），如果该位为零，就入栈剩下的S16-S31 即可；如果该位为 1，则无需保存 FPU 寄存器，因为该任务未曾使用过 FPU。当然了这里有一个标志数据，表示当前任务是否使用了FPU，便于下次任务恢复时，确定是否需要从堆栈弹出内容到S16-S31。标志数据也压入当前任务的堆栈进行保存。

(2).下文恢复阶段：从堆栈中弹出标志数据，判断待恢复的任务是否使用了FPU，如果使用了FPU，那么从堆栈中弹出内容到S16-S31；如果没有使用FPU，则不需要恢复FPU寄存器。接下来需要修改当前LR寄存器的内容，如果使用了FPU，LR(EXC_RETURN)的bit4需要清零，来保证在退出PendSV时将先前压入该任务堆栈的S0-S15和FPSCR寄存器出栈；如果没有使用FPU，LR(EXC_RETURN)的bit4需要置1，来告诉CPU该任务栈帧中不包括FPU寄存器内容，不需要进行出栈操作。

对于S0-S15和FPSCR寄存器，如果任务使用了FPU，在进入到PendSV之前，就在任务堆栈中预留了存储空间，当执行上文保存阶段的S16-S31的入栈操作时，会首先将S0-S15和FPSCR寄存器压入先前堆栈预留的存储空间中，接着再将S16-S31压入堆栈。

审核编辑：刘清