极海APM32F411微控制器硬件FPU使用指南

来源：转载自21ic论坛极海半导体专区

1、前言

APM32F411是一款基于32位Arm Cortex-M4F内核的微控制器。硬件FPU是Arm Cortex-M4F的一大优势。合理应用硬件FPU可以大大缩短运算时间。

2、如何开启硬件FPU

在system_apm32f4xx.c文件的SystemInit()函数里，有下图所示语句：

当__FPU_PRESENT（是否带有FPU）和__FPU_USED（是否开启FPU）都为1时，硬件FPU才算成功开启。

从M4权威指南手册可以查到，SCB->CPACR的寄存器信息如下图所示：

实际应用中，CP10和CP11一般都设置为11。

KEIL软件提供了一个非常方便的开启硬件FPU功能选项。如下图所示，点击KEIL的“魔法棒”菜单。“Target”界面中的“Floating Point Hardware”选项选择“Single Precision”。点击“OK”，完成硬件FPU开启。

3、测试

通过实例测试，感受一下硬件FPU的运算速度。根据极海官网APM32F4xx_SDK_V1.4的的GPIO_Toggle例程修改，APM32F411系统时钟设置为100MHz。

3.1 开启和不开启FPU测试

部分测试代码，如下图所示。主函数包括两个函数：LED2（PE6）引脚翻转函数和测试函数。测试函数主要内容是重复执行200次data_b = data_a * 3.14159的乘法运算。

通过逻辑分析仪抓取PE6的高低电平，评估代码执行时间。

不开启硬件FPU的IO翻转时间约207.56us，如下图所示。

开启硬件FPU的IO翻转时间约218.64us，如下图所示。

什么情况？开启硬件FPU的运算时间居然比不开启硬件FPU的运算时间要慢。

很多人使用M4/M4F产品，往往会忽略一个细节。参与运算的浮点型常量3.14159在C语言中默认是double类型常量。M4/M4F的硬件FPU只对单精度浮点数运算加速。所以，对double类型浮点数运算无效。

为什么开启硬件FPU的运算时间比不开启硬件FPU的运算时间要慢？我们从汇编代码可以看出，同样的一条乘法运算语句，不开启硬件FPU计算需要10816 - 10627 = 189个机器周期，开启硬件FPU计算需要10883 - 10692 = 191个机器周期，差了2个机器周期。

不开启硬件FPU的乘法运算汇编代码及机器周期数如下图所示：

开启硬件FPU的乘法运算汇编代码及机器周期数如下图所示：

3.2 浮点型常量都加f后缀，开启和不开启FPU测试。

float类型数值取值范围是

-3.402823466×1038~3.402823466×1038，可以满足大部分应用。测试代码的浮点型常量加上后缀f，其他内容与3.1章节一致，如下图所示。

不开启硬件FPU的IO翻转时间约73.48us，如下图所示。

开启硬件FPU的IO翻转时间约16.4us，如下图所示。

这才是我们想要的效果。从汇编代码对比，同样的一条乘法运算语句，不开启硬件FPU计算需要10737 - 10677 = 60个机器周期，开启硬件FPU计算需要11176 - 11165 = 11个机器周期，差了49个机器周期。

不开启硬件FPU的乘法运算汇编代码及机器周期数，如下图所示：

开启硬件FPU的乘法运算汇编代码及机器周期数，如下图所示：

4、结论

测试结果如下表所示

硬件FPU	浮点型常量	运行时间	data_b = data_a * 3.14159运算时间
不开启	不带f后缀	207.56us	189个机器周期
不开启	带f后缀	73.48us	60个机器周期
开启	不带f后缀	218.64us	191个机器周期
开启	带f后缀	16.4us	11个机器周期

计算没有超出float类型数值取值范围的情况，建议浮点型常量都加上后缀f，可以缩短运算时间。如果没有float类型数值运算，可以不开启硬件FPU。

对于float类型数值运算，建议开启硬件FPU，可以大大缩短运算时间。比如，该例程的语句乘法运算，开启硬件FPU的运算比未开启硬件FPU的运算少了49个机器周期数，运算时间提升约81.67%。

注：文章作者在原帖中提供了例程文件，有需要请至原文21ic论坛下载

原文地址：https://bbs.21ic.com/icview-3329150-1-1.html