玩转X-CTR100 l STM32F4 l FPU单精度浮点性能测试

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本文介绍X-CTR100控制器如何开启STM32F4的硬件FPU，并对比使用硬件FPU和不使用硬件FPU的速度差别。

原理

FPU即浮点运算单元（Float Point Unit），浮点运算，对于定点CPU（没有FPU的CPU）来说必须要按照IEEE-754标准的算法来完成运算，是相当耗费时间的。而对于有FPU的CPU来说，浮点运算则只是几条指令的事情，速度相当快。

浮点运算一直是定点CPU的难题，比如一个简单的1.1+1.1，定点CPU必须要按照IEEE-754标准的算法来完成运算，对于8位单片机来说已经完全是噩梦，对32为单片机来说也不会有多大改善。虽然将浮点数进行Q化处理能充分发挥32位单片机的运算性能，但是精度受到限制而不会太高。对于有FPU（浮点运算单元）的单片机或者CPU来说，浮点加法只是几条指令的事情。

STM32F4属于Cortex M4F架构，带有32位单精度硬件FPU，支持浮点指令集，相对于Cortex M0和Cortex M3等，高出数十倍甚至上百倍的运算性能。

STM32F4硬件上要开启FPU是很简单的，通过一个叫：协处理器控制寄存器（CPACR）的寄存器设置即可开启STM32F4的硬件FPU。

有网友测试FPU性能对比数据。

    

根据ST官方文档，采用Julia集对FPU进行测试时，性能提升为14.57倍。

本文采用简单的重复乘法、除法方法测试，相同计算量测试计算时间。

例程

本例程通过计算重复乘法或除法，并测量计算时间，间接测量FPU性能。

硬件说明

硬件资源：

• 串口UART1

硬件连接：

使用MicroUSB数据线连接X-CTR100 COM接口。

软件说明

开启FPU，需要定义全局宏定义标识符__FPU_PRESENT以及__FPU_USED为1，__FPU_PRESENT用来确定处理器是否带FPU功能，标识符__FPU_USED用来确定是否开启FPU。

需要如下两步。

步骤一：__FPU_PRESENT

X-CTR100 处理器STM32F4是带FPU功能的，所以在我们的stm32f4xx.h头文件里面，我们默认是定义了__FPU_PRESENT为1。

打开文件搜索即可找到下面一行代码。

#define __FPU_PRESENT 1 /*!< FPU present */

步骤二：__FPU_USED

在MDK中做如下设置

    

测试代码如下，重复进行乘除计算，测量计算时间，时间越少性能越好。

int main(void)

{

    uint32_t i, tmp;

    float a = 1.24, b = 34.456, c = 0;

 

    /* X-CTR100初始化 */

    AX_Init(115200);

    printf("***X-CTR100 FPU硬件浮点-性能测试例程***\r\n\r\n");

 

    //模块初始化及配置

    AX_TIMER_TIM6_Init(1);

 

    while (1)

    {

        //乘法测试

        AX_TIMER_TIM6_SetCounter(0);

        for (i = 0; i<20000; i++)

        {

            c = a*b;

            //防止编译器优化掉

            if (c> 0)

                a = c;

        }

        tmp = AX_TIMER_TIM6_GetCountert();

        printf("乘法计算时间：%d us | ", tmp);

 

        //除法测试

        AX_TIMER_TIM6_SetCounter(0);

        for (i = 0; i<20000; i++)

        {

            c = b / a;

            //防止编译器优化掉

            if (c> 0)

                a = c;

        }

        tmp = AX_TIMER_TIM6_GetCountert();

        printf("除法计算时间：%d us \r\n ", tmp);

 

        AX_Delayms(1000);

        AX_LEDG_Toggle();

    }

}

实现效果

首先上述方法开启FPU，测试性能，X工程模板默认开启FPU。

再次通过MDK设置页面关闭FPU功能，重新编译代码，测试性能。

测试结果如下图，乘法提升约5.7倍，除法提升约10.3倍。

    

总结

通过本文学习，可以了解FPU的开启方法，并通过实际实验了解FPU性能提升。

X工程模板默认开启FPU，建议在后续工程中开启硬件浮点，综合计算能力提升较大。