FPU简介

近年，在Cortex-M3之后ARM公司又推出Cortex-M4内核，ARM Cortex-M4处理器是由ARM专门开发的最新嵌入式处理器，在M3的基础上强化了运算能力，新加了浮点、DSP、并行计算等。Cortex-M4处理器的最大亮点之一，也是本文主要描述的一个功能就是增加了一个单精度浮点单元（FPU)，能够高效率处理较为复杂的浮点运算，如电机闭环控制、PID算法、快速傅里叶变换等。

Cortex-M4的指令集分两部分，一部分是在M3的指令集外增加了一些扩展功能。另一部份就是用于FPU单元的单精度浮点运算指令。

浮点运算指令都是V开头的汇编指令，用于FPU单元的单精度浮点运算，只有当FPU开启后才能使用这些指令，否则会产生硬fault异常。

单精度浮点单元（FPU)，能够高效率处理较为复杂的浮点运算，如电机闭环控制、PID算法、快速傅里叶变换等。关于M4与M3的性能对比，官方提供的测试数据如图。

 

DSP库

如果要使用FPU单元来进行浮点运算，就需要在工程中加入DSP库。

FPU属于ARM架构一部分，不是厂商MCU特有，所以在ARM包安装中已经包含。

在keil包路径下能找到

D:\EmbededSofts\KeilMDK5_PACKS\ARM\CMSIS-DSP\1.14.2\Source

关于这个函数库的详细信息，请移步官网：

arm_math.h File Reference

DSP库主要包含以下几个分库：

BasicMathFunctions

基本数学函数：提供浮点数的各种基本运算函数，如向量加减乘除等运算。

CommonTables

arm_common_tables.c文件提供位翻转或相关参数表。

ComplexMathFunctions

复杂数学功能，如向量处理，求模运算的。

ControllerFunctions

控制功能函数。包括正弦余弦，PID电机控制，矢量Clarke变换，矢量Clarke逆变换等。

FastMathFunctions

快速数学功能函数。提供了一种快速的近似正弦，余弦和平方根等相比CMSIS计算库要快的数学函数。

FilteringFunctions

滤波函数功能，主要为FIR和LMS（最小均方根）等滤波函数。

MatrixFunctions

矩阵处理函数。包括矩阵加法、矩阵初始化、矩阵反、矩阵乘法、矩阵规模、矩阵减法、矩阵转置等函数。

StatisticsFunctions

统计功能函数。如求平均值、最大值、最小值、计算均方根RMS、计算方差/标准差等。

SupportFunctions

支持功能函数，如数据拷贝，Q格式和浮点格式相互转换，Q任意格式相互转换。

TransformFunctions

变换功能。包括复数FFT（CFFT）/复数FFT逆运算（CIFFT）、实数FFT（RFFT）/实数FFT逆运算（RIFFT）、和DCT（离散余弦变换）和配套的初始化函数。

对于一个项目来说，为了工程的完整性和源文的管理，一般将库文件拷贝到项目工程中文件路径下。这里有两种处理用方法。

--使用该目录下的“Lib”库，该文件夹就是FPU相关运算函数库，使用时根据头文件函数名调用库。

--按照常规方式直接拷贝函数库源码，每个浮点运算函数都提供源码，比较好理解和使用。各类函数都有分好类，可以查看源码，具体函数功能和描述官方有标准的手册介绍。

两种方法各有优势，方法一中已将源码编译程库文件，不参与编译过程，只参与链接，编译速度快，但是看不到源码，也就是跳转时无法找到定义；方法二，参与编译、链接过程，编译耗时，但使用时可以查看源码，便于理解和使用。

CMSIS DSP的.LIB库文件

考虑到方便用户使用，ARM官方已编译好Cortex-M各型号的.lib库（静态库）文件，并放置于Lib文件夹。

库文件能在KEIL包的安装路径中找到

D:\EmbededSofts\KeilMDK5_PACKS\ARM\CMSIS\5.6.0\CMSIS\DSP\Lib\ARM

DSP库函数的声明位域头文件arm_math.h中，用户只要简单地将该头文件和.lib文件添加到自己的工程中，即可呼叫DSP库函数。该头文件对于浮点运算单元（FPU）的变量同样适用。  

这几种库有啥区别？

arm_cortexM4b_math.lib代表设备为大端模式；

arm_cortexM4bf_math.lib代表设备为浮点大端模式

其中arm_cortexM4l_math.lib代表设备为小端模式

其中arm_cortexM4lf_math.lib代表设备为浮点小端模式

对于F407来说，使用arm_cortexM4lf_math.lib即可。

当导入了该库之后，就不用再添加对应的源文件了，只需要添加对应的头文件即可。

Keil运行环境配置

第一步

首先，我们在例程工程目录下新建：DSP_LIB 文件夹，存放我们将要添加的文件：

arm_cortexM4lf_math.lib 和相关头文件，如下图所示：

Include 文件夹，则是直接拷贝：STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.4.0→Libraries→CMSIS→Include 这个 Include 文件夹，里面包含了我们可能要用到的相关头文件。

然后，打开工程，新建 DSP_LIB 分组，并将 arm_cortexM4lf_math.lib 添加到工程里面，如下图所示：

第二步， 添加头文件包含路径

添加好.lib 文件后，我们要添加头文件包含路径，将第一步拷贝的 Include 文件夹和DSP_LIB文件夹，加入头文件包含路径，如下图所示：

第三步， 添加全局宏定义

FPU单元是指的芯片上的一个独立于CPU处理的浮点运算单元，整个单元在大多数厂家的芯片中都是可以被使能和关闭的。相对于芯片，编译器也设置了相应的FPU功能开启/关闭的选项，在编译时需要告诉编译器是否开启FPU功能。编译器一旦开启FPU功能，在处理单精度浮点运算的语句时就会用带V-开头的汇编指令进行编译。

如果编译器使能了FPU功能，而芯片未开启FPU单元，程序运行到浮点语句时就会出现异常。相反，如果编译器未使能FPU功能，芯片即使开启了FPU单元，程序还是会按照未使能FPU的代码进行处理。

为了使用 DSP 库的所有功能，我们还需要添加几个全局宏定义：

1，__FPU_USED

2，__FPU_PRESENT

3，ARM_MATH_CM4

4，__CC_ARM

5，ARM_MATH_MATRIX_CHECK

6，ARM_MATH_ROUNDING

 致此，配置已完成。

以下为选读内容

其中，也可以不添加__FPU_PRESENT，在工程里开启即可。

在官方提供的对应MCU型号的头文件中，将FPU选择宏开启，如STM32的“stm32f407xx.h”

一般来说，默认就是开启的。

但是，仅仅只是说明处理器有 FPU 是不够的，我们还需要开启 FPU 功能。开启 FPU 有两种方法，第一种是直接在头文件 STM32f4xx.h 中手动定义宏定义标识符__FPU_USED 的值为 1。也可以直接在 MDK 编译器上面设置，我们在 MDK5 编译器里面，点击 按钮，然后在 Target 选项卡里面，设置 Floating Point Hardware 为 Use Single Precision

经过这个设置，编译器会自动加入标识符__FPU_USED 为 1。这样遇到浮点运算就会使用

硬件 FPU 相关指令，执行浮点运算，从而大大减少计算时间。

关于这两个宏定义的由来

经验证，使用硬件 FPU 和不使用硬件 FPU 对比，同样的条件下，快了近 10 倍，充分体现了 STM32F4 硬件 FPU 的优势。

注意

Cortex M4默认的开启浮点运算功能的，但目前M4只支持单精度浮点运算，单精度浮点运算对于大部分场合来说已经足够使用。

一般情况下，编译器对于小数处理默认是双精度（double）类型，所以在涉及小数运算时，若要使用FPU功能，应该指定为单精度类型，如：float a = 1.23f * 2.34f。

#warning "Compiler generates FPU instructions for a device without an FPU (check __FPU_PRESENT)"

明明已经定义了__FPU_PRESENT             1

也勾选了__FPU_USED

可能勾选没有生效，直接加上这两个宏定义即可

1，__FPU_USED

2，__FPU_PRESENT

补充

请问对于m4内核的MCU，DSP库的指令与FPU是什么关系？

FPU跟DSP没有必然联系，即使没有FPU的Cortex M3，比如stm32f103，也可以用int模拟固定长度的浮点数来做DSP；但有了FPU以后算浮点快很多，就可以用浮点变量来做DSP。

ST官方以前是有stm32f103的DSP库的，我还用它做过FFT。后来ST改了产品线的定位以后，这个stm32f103的DSP库就下不到了，也许是为了控制用户过度到stm32f3和f4系列吧。stm32f3和f4的定位才是数字信号处理。