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浅谈linux kernel对于浮点运算的支持

2022-10-7 14:27| 查看: 1202 |来源: 互联网

目前大多数CPU都支持浮点运算单元FPU，FPU作为一个单独的协处理器放置在处理器核外，但是对于嵌入式处理器，浮点运算本来就少用，有些嵌入式处理器就会去掉浮点协处理器。 X86处理器一般都是有FPU的。而ARM PPC MIP

目前大多数CPU都支持浮点运算单元FPU，FPU作为一个单独的协处理器放置在处理器核外，但是对于嵌入式处理器，浮点运算本来就少用，有些嵌入式处理器就会去掉浮点协处理器。

X86处理器一般都是有FPU的。而ARM PPC MIPS处理器就会出现没有FPU的现象。

linux kernel如何处理浮点运算，我们就分为带FPU的处理器和不带FPU的处理器来讨论。

（以下为个人知识总结，研究不深，错误之处希望大家指正，共同学习）

一对于带FPU的处理器

1 对于linux kernel来说，kernel本身编译默认使用了-msoft-float选项，默认编译为软浮点程序，软浮点含义是有gcc编译器模拟浮点运算（glibc库提供），将浮点运算代码替换为定点运算。

对于带FPU的处理器，我们可以将编译选项-msoft-float去掉，一般是在arch/xxx/Makefile中。将kernel编译为硬浮点，也就是让处理器的浮点指令计算浮点，

硬浮点运算肯定要比模拟的定点运算效率高。（kernel代码中一般不会有浮点运算，所以效率影响不大）

2 对于运行在kernel上的app来说，特别是对于图形程序，如QT，浮点运算较多，我们直接编译即可，因为处理器支持浮点运算，支持浮点运算指令。

二对于不带FPU处理器

1 对于linux kernel来说，编译默认使用了-msoft-float选项，默认编译为软浮点程序，linux kernel编译不依赖链接任何库，kernel中来实现对应的模拟浮点ABI。

2 对于运行在kernel之上的app来说，如何处理浮点运算，这里就有2种方法了：

（1）由kernel来模拟软浮点.

应用程序使用硬浮点直接编译（编译器默认就是编译成硬浮点程序）。

而对于kernel，我所了解的PPC MIPS处理器都有专门的浮点运算异常处理，程序运行碰到浮点指令，无法运行浮点指令时，硬件会产生相应的中断异常，kernel浮点异常处理程序根据指令内容进行软浮点模拟操作，将运算结果返回之后再恢复到用户空间执行。

对于ARM我在其异常介绍中没有找到对于浮点计算的异常入口，但是kernel中也有对于其软浮点的支持，

在配置ARM Linux内核时，应该都会看到这样的配置：

menu "Floating point emulation" comment "At least one emulation must be selected" config FPE_NWFPE ...

这个是用来配置在内核里面模拟浮点处理器。

具体ARM如何实现支持异常模拟软浮点，具体实现有时间还需要仔细看代码，在arch/arm/nwfpe中。

这样的方式好处在于应用程序不需要重新编译，需要在kernel中把浮点模拟打开即可，使用起来非常方便。

但是缺点也很明显，每次浮点操作都要触发中断异常，用户空间和内核空间切换，执行效率太低。

（2）使用软浮点重新编译app

这样可以避免上述问题，app编译时需要连接glibc库的，使用--msoft-float，使用glibc的模拟浮点，替换为定点运算，这样的好处是运行性能上会好一些。

但缺点是因为使用了不同的编译选项，使用的ABI可能就发生了变化，如果某个库或者应用没有使用同样的编译选项（ABI不同），

系统运行时会出现意想不到的情况，甚至造成崩溃。

根据最近对PPC一款处理器的调试记录，kernel正常启动进入console后死在某一地址，用户空间浮点运算多，询问IC后得知FPU去掉，而处理器浮点异常没有使能。

这样遇到浮点指令，处理器不会触发异常，也不知道该如何运行该指令。

所以进行kernel移植时对于处理器有无FPU也要搞清楚，如果处理器去掉了FPU，而核没有做相应的处理（使能浮点异常），那么APP的浮点指令运行结果就是无法预测的，这时可以采用软浮点工具链来编译APP。

这里有一点思考：

对于一款处理器，处理器设计中有浮点异常（MIPS PPC都是），其外也可以接FPU。

在接FPU后，处理器核内就要屏蔽掉浮点异常，不然浮点运算还是产生浮点异常，FPU就没有实用意义了。

无FPU，则处理器核内要使能浮点异常，不然就跟我上面遇到的问题一样，处理器不知道该如何运行该浮点指令，结果就无法预测了。

本文最后更新于 2022-10-7 14:27，某些文章具有时效性，若有错误或已失效，请在网站留言或联系站长：17tui@17tui.com

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