在WEC7主板上启动VFP硬件浮点处理器

 2017-3-29         

关于ARM指令


  英创公司开发的基于WEC7的工控主板目前包括3种型号:


主板型号CPU架构其他重要技术指标
ESM6802Cortex-A9双核 ESMARC主板架构体系,主推产品型号
ESM3354 / ESM3352Cortex-A8 ESMARC主板架构体系,主推产品型号
EM335x / EM3352Cortex-A8 成熟产品型号


  在使用英创的WEC7主板时,用户需要使用Visual Studio 2008(简称VS2008)来开发其应用程序。尽管Cortex-A8和Cortex-A9处理器均支持性能更高的ARMv7指令集,但微软在VS2008中所仍然使用ARMv4i指令集的通用arm编译器(编译器版本号为:15.00.20720)。而A8、A9处理器所带的矢量浮点处理器(Vector Float-Point Processor)都需要在ARMv7指令下才能正常启动运行。换句话说,在ARMv4i指令集下,对浮点的处理仍然是采用软件仿真包来实现,而没有用到高端ARM处理器自带的硬件浮点处理器。这对涉及大量浮点处理应用的客户来说是很遗憾的事。


  本文将以ESM3354为测试平台,介绍在现有VS2008基础上实现硬件浮点处理的方法。


编译器及SDK的准备


  我们为需要浮点处理的客户准备了ARMv7编译工具以及基于ARMv7工具的SDK,具体如下表所示:


ARMv7编译工具包ms-armv7-compiler.tar 编译器版本 15.01.50304.03
ESM335x  SDK ESM335XARMV7SDK.msi
ESM6802  SDK ESM6802ARMV7SDK.msi


  客户需要首先安装新的AMRv7的SDK,ARMv7的SDK与原来的ARMv4i的SDK是独立并行的,并不需要卸载原来的SDK。安装完成后,再把ARMv7编译器工具包解压到本地硬盘上,例如D:\ms-armv7-compiler。


建立测试程序1


  打开VS2008,建立测试程序3354_armv7_t1,平台(platform)选择ESM335XARMV7SDK,用户可以看到其指令集显示为armv7:


在WEC7主板上启动VFP硬件浮点处理器.gif


  点击<next>,选择Console Application,


在WEC7主板上启动VFP硬件浮点处理器.gif


  最后点击<finish>,进入代码窗口。以下是测试的完整代码,客户可拷贝粘贴到所生成的代码窗口区域中。


  // 3354_armv7_t1.cpp : Defines the entry point for the console application.

  //

 

  #include "stdafx.h"

 

  int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

  {

      doublef1 = 2.200002;

      doublef2 = 2.200001;

      doubleans = 1.0;

      longiterations = 5 * 1000 * 1000;

    DWORDdwStartTick, dwEndTick;

 

    _tprintf(TEXT("Microsoft compiler version: %d\r\n"),_MSC_FULL_VER);

    _tprintf(TEXT("ARM instruction set: %d\r\n"),_M_ARM);

 

    if(argc > 1)

    {

       f1 = _wtof(argv[1]);

    }

 

    if(argc > 2)

    {

       f2 = _wtof(argv[2]);

    }

 

    if(argc > 3)

    {

      iterations = _wtoi(argv[3]) * 1000 * 1000;

    }

 

    dwStartTick = GetTickCount();

    wprintf(L"f1=%f f2=%f loop=%d starting...%d\r\n", f1, f2, iterations, dwStartTick);

 

    for(int i=0; i<iterations; i++)

    {

        ans *= f1;

        ans /= f2;

      }

 

    dwEndTick = GetTickCount();

      wprintf(L"ans = %f %d loop/msec end...%d\r\n", ans, (int)(iterations/(dwEndTick - dwStartTick)), dwEndTick);

      return 0;

  }


设置编译器路径


  准备好测试程序后,首先需要把ARMv7编译器加入到VS2008中,具体设置方法是在菜单栏中选择 Tools -> Options -> Projects and Solutions -> VC++ Directories,然后选择页面的Platform栏目中选择ESM335XARMV7SDK(ARMv7),最后在路径栏目中添加新路径如下:


在WEC7主板上启动VFP硬件浮点处理器.gif


  编译器路径设置,对一个平台只需要设置一次。也就是对本机说,当创建其他基于ESM335XARMV7SDK的应用程序时,都不需要再重复设置编译器路径了。


设置应用程序编译链接选项


  从工具栏点击Project -> Properties -> C/C++ -> Command Lines,添加ARMv7指令选项以及浮点处理选项:“/QRarch7 /QRfpe- /arch:VFPv3-D32”如下:


在WEC7主板上启动VFP硬件浮点处理器.gif


  各个选项的功能微软的大致解释如下:

  ● /QRarch7         // -> ARMv7 Architecture

  ● /QRfpe-         // -> Enable Hardware Floating-Point Targeting (Compact 7)

  ● /arch:VFPv3-D32     // -> 使用VFP内部的32个64位寄存器


  由于ARMv7编译器并不知道VS2008的基本环境库路径,也需要通过菜单添加:Project -> Properties -> Linker -> General,在Additional Library Directories栏加入:

  “C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 9.0\VC\ce\lib\armv4i”


  设置的界面为:


在WEC7主板上启动VFP硬件浮点处理器.gif


  设置完成后,就可Build测试程序,并下载至目标板上运行。该测试程序在ESM335x和EM335x两个系列的主板上均可正常运行:


在WEC7主板上启动VFP硬件浮点处理器.gif


  这里“19455 loop/msec”表示每ms的循环次数,是反应计算能力的主要参数。


测试结果比较


  按构造上述测试程序的方法,可方便地构造一个使用VS2008缺省编译器(ARMv4i)的t1程序,以进行比较。进一步地,我们在t1主循环中增加一行超越函数计算,构成测试程序t2:


    for(int i=0; i<iterations; i++)

    {

      ans *= f1;

      ans /= f2;

      ans = cos(ans);       //t2新加代码

    }


  为了更全面比较测试结果,我们还在Linux版本上运行相同测试程序,进行编译器的横向对比。


  整个测试的综合结果如下表所示:


 t1t2
 CL-15.00.20720  (armv4i) 6858  loop/ms 644  loop/ms
 CL-15.01.50304.03  (armv7) 19455  loop/ms 687  loop/ms
 Improvement 2.83  (+183%) 1.07(+7%)
 Gcc-4.4.1+soft  (armv7-a) 1921  loop/ms 470  loop/ms
 Gcc-4.4.1+vfp  (armv7-a) 13857  loop/ms 587  loop/ms
 improvement 7.2  (+620%) 1.25  (+25%)


  上表的改进栏目中是ARMv7运行速度相对ARMv4i速度的倍数,括号内为提高的百分比。测试程序t1评估的是常规的浮点计算,使能VFP后,是有明显改进的;而且Linux版本的相对改进更大。但加入超越函数后,VFP的硬件优势就几乎全部丧失了。我们理解ARM的VFP与传统x86的协处理器(Co-processor)在对超越函数的处理上还是差别很大的,基本上还是采用多项式级数来合成的,本来设置VFP的主要目的也是面向数字滤波、图形处理这类以乘加为主要特色的浮点处理,对数学超越函数的处理确实不在行。


小结


  对需要大量使用乘加类型浮点处理的应用,采用本文的方法启动ARMv7指令及VFP浮点处理器,是能够大大改善应用程序的性能的。对超越函数的处理,需要转换成表格方式处理,而规避直接的计算,以保持程序总的处理性能。


  微软在VS2008配置的ARMv4i编译器,其性能明显优于Linux平台中使用的开源GCC编译器,估计这也是微软保留这款编译器的原因之一。关于ARMv7指令相对ARMV4i指令的性能比较,第三方公司已做详细测试,感兴趣的客户可向英创索取相关文档。


  有需求客户可向英创索取ARMv7编译器以及相应的SDK,英创公司的技术支持邮箱为:support@emtronix.com。


  点此阅读第三方测试报告:Building WEC7 application with ARMv7 compiler - TI Benchmark