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正点原子STM32F4/F7水星开发板资料连载第五十章 FPU 测试实验

2020-7-23 11:20:38 2785 STM32

0 1）实验平台：正点原子水星 STM32F4/F7 开发板 2）摘自《STM32F7 开发指南(HAL 库版)》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子 3）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/thread-13912-1-1.html 第五十章 FPU 测试(Julia 分形)实验本章，我们将向大家介绍如何开启 STM32F767 的硬件 FPU，并对比使用硬件 FPU 和不使用硬件 FPU 的速度差别，以体现硬件 FPU 的优势。本章分为如下几个部： 50.1 FPU&Julia 分形简介 50.2 硬件设计 50.3 软件设计 50.4 下载验证 50.1 FPU&Julia 分形简介本节将分别介绍 STM32F767 的 FPU 和 Julia 分形。 50.1.1 FPU 简介 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。 STM32F767 属于 Cortex M7 架构，带有 32 位双精度硬件 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。 STM32F767 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 STM32F767 的硬件 FPU，该寄存器各位描述如图 56.1.1.1 所示：图 50.1.1.1 协处理器控制寄存器（CPACR）各位描述这里我们就是要设置 CP11 和 CP10 这 4 个位，复位后，这 4 个位的值都为 0，此时禁止访问协处理器（禁止了硬件 FPU），我们将这 4 个位都设置为 1，即可完全访问协处理器（开启硬件 FPU），此时便可以使用 STM32F7 内置的硬件 FPU 了。CPACR 寄存器这 4 个位的设置，我们在 system_stm32f7xx_c 文件里面开启，代码如下： void SystemInit(void){ /* FPU settings ------------------------------------------------------------/ #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1) SCB->CPACR \|= ((3UL << 102)\|(3UL << 112)); / set CP10 and CP11 Full Access / #endif……//省略部分代码}此部分代码是系统初始化函数的部分内容，功能就是设置 CPACR 寄存器的 20~23 位为 1，以开启 STM32F7 的硬件 FPU 功能。从程序可以看出，只要我们定义了全局宏定义标识符 __FPU_PRESENT 以及__FPU_USED 为 1，那么就可以开启硬件 FPU。其中宏定义标识符 __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 功能。实际上，因为 F7 是带 FPU 功能的，所以在我们的 stm32f767xx.h 头文件里面，我们默认是定义了__FPU_PRESENT 为 1。大家可以打开文件搜索即可找到下面一行代码： #define __FPU_PRESENT 1但是，仅仅只是说明处理器有 FPU 功能是不够的，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 STM32f767xx.h 中定义宏定义标识符__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 Double Precision，如图 50.1.1.2 所示：图 50.1.1.2 编译器开启硬件 FPU 选型经过这个设置，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。最后，总结下 STM32F7 硬件 FPU 使用的要点： 1，设置 CPACR 寄存器 bit20~23 为 1，使能硬件 FPU（参考 SystemInit 函数开头部分）。 2， MDK编译器Target选项卡中 Floating Point Hardware选项设置为：Use Double Precision。经过这两步设置，我们的编写的浮点运算代码，即可使用 STM32F7 的硬件 FPU 了，可以大大加快浮点运算速度。 50.1.2 Julia 分形简介* Julia 分形即 Julia 集，它最早由法国数学家 Gaston Julia 发现，因此命名为 Julia（朱利亚）集。Julia 集合的生成算法非常简单：对于复平面的每个点，我们计算一个定义序列的发散速度。该序列的 Julia 集计算公式为： zn+1 = zn2 + c 针对复平面的每个 x + i.y 点，我们用 c = cx + i.cy 计算该序列： xn+1 + i.yn+1 = xn2 - yn2 + 2.i.xn.yn + cx + i.cy xn+1 = xn2 - yn2 + cx 且 yn+1 = 2.xn.yn + cy 一旦计算出的复值超出给定圆的范围（数值大小大于圆半径），序列便会发散，达到此限值时完成的迭代次数与该点相关。随后将该值转换为颜色，以图形方式显示复平面上各个点的分散速度。经过给定的迭代次数后，若产生的复值保持在圆范围内，则计算过程停止，并且序列也不发散，本例程生成 Julia 分形图片的代码如下： #defineITERATION128//迭代次数#defineREAL_CONSTANT0.285f//实部常量#defineIMG_CONSTANT0.01f//虚部常量//产生 Julia 分形图形//size_x,size_y:屏幕 x,y 方向的尺寸//offset_x,offset_y:屏幕 x,y 方向的偏移//zoom:缩放因子void GenerateJulia_fpu(u16 size_x,u16 size_y,u16 offset_x,u16 offset_y,u16 zoom){u8 i;u16 x,y;float tmp1,tmp2;float num_real,num_img;float radius;for(y=0;y;//保存颜色值到 lcdbufelse LCD->LCD_RAM=color_map;//绘制到屏幕 }if(lcdltdc.pwidth!=0)LTDC_Color_Fill(0,y,lcddev.width-1,y,lcdbuf); //DM2D 填充}}这种算法非常有效地展示了 FPU 的优势：无需修改代码，只需在编译阶段激活或禁止 FPU（在 MDK 的 Float Point Hardware 选项里面设置：Use Double Precision/Not Used），即可测试使用硬件 FPU 和不使用硬件 FPU 的差距。注意，是该函数将颜色数据填充到 LCD 的时候，根据 MCU 屏还是 RGB 屏，做了不同的处理：MCU 屏可以直接写 LCD_RAM，将颜色显示到 LCD 上面；而 RGB 屏，则需要先缓存到 lcdbuf，然后通过 DMA2D 一次性填充，以提高速度。 50.2 硬件设计本章实验功能简介：开机后，根据迭代次数生成颜色表（RGB565），然后计算 Julia 分形，并显示到 LCD 上面。同时，程序开启了定时器 3，用于统计一帧所要的时间（ms），在一帧 Julia 分形图片显示完成后，程序会显示运行时间、当前是否使用 FPU 和缩放因子（zoom）等信息，方便观察对比。KEY0/KEY2 用于调节缩放因子，KEY_UP 用于设置自动缩放，还是手动缩放。DS0 用于提示程序运行状况。本实验用到的资源如下： 1，指示灯 DS0 2，三个按键（KEY_UP/KEY0/KEY2） 3，串口 4，LCD 模块这些前面都已介绍过。 50.3 软件设计本章代码，分成两个工程： 1，实验 45_1 FPU 测试(Julia 分形)实验_开启硬件 FPU 2，实验 45_2 FPU 测试(Julia 分形)实验_关闭硬件 FPU 这两个工程的代码一模一样，只是前者使用硬件 FPU 计算 Julia 分形集（MDK 设置 Use Double Precision），后者使用 IEEE-754 标准计算 Julia 分形集（MDK 设置 Not Used）。由于两个工程代码一模一样，我们这里仅介绍其中一个：实验 45_1 FPU 测试(Julia 分形)实验_开启硬件 FPU。本章代码，我们在 TFTLCD 显示实验的基础上修改，打开 TFTLCD 显示实验的工程，由于要统计帧时间和按键设置，所以在 HARDWARE 组下加入 timer.c 和 key.c 两个文件。本章不需要添加其他.c 文件，所有代码均在 main.c 里面实现，整个代码如下： //FPU 模式提示#if __FPU_USED==1#define SCORE_FPU_MODE "FPU On"#else#define SCORE_FPU_MODE "FPU Off"#endif#defineITERATION128//迭代次数#defineREAL_CONSTANT0.285f//实部常量#defineIMG_CONSTANT0.01f//虚部常量//颜色表u16 color_map[ITERATION];//缩放因子列表const u16 zoom_ratio[] ={120, 110, 100, 150, 200, 275, 350, 450,600, 800, 1000, 1200, 1500, 2000, 1500,1200, 1000, 800, 600, 450, 350, 275, 200,150, 100, 110,};//初始化颜色表//clut:颜色表指针void InitCLUT(u16 * clut){u32 i=0x00;u16 red=0,green=0,blue=0;for(i=0;i>3;red=red<<11;green=green>>2;green=green<<5;blue=blue>>3;clut=red+green+blue;}}//产生 Julia 分形图形//size_x,size_y:屏幕 x,y 方向的尺寸//offset_x,offset_y:屏幕 x,y 方向的偏移//zoom:缩放因子void GenerateJulia_fpu(u16 size_x,u16 size_y,u16 offset_x,u16 offset_y,u16 zoom){……//代码省略，详见 53.1.2 节}u8 timeout;int main(void){ u8 key, i=0, autorun=0;float time;u8 buf[50]; Cache_Enable(); //打开 L1-CacheHAL_Init(); //初始化 HAL 库 Stm32_Clock_Init(432,25,2,9); //设置时钟,216Mhz delay_init(216); //延时初始化uart_init(115200); //串口初始化 LED_Init(); //初始化 LED KEY_Init(); //初始化按键 SDRAM_Init(); //初始化 SDRAM LCD_Init(); //LCD 初始化 TIM3_Init(65535,10800-1); //10Khz 计数频率,最大计时 6.5 秒超出……//此处省略部分代码InitCLUT(color_map); //初始化颜色表while(1){key=KEY_Scan(0);switch(key){case KEY0_PRES:i++;if(i>sizeof(zoom_ratio)/2-1)i=0;//限制范围break;case KEY2_PRES:if(i)i--;else i=sizeof(zoom_ratio)/2-1;break;case WKUP_PRES:autorun=!autorun; //自动/手动break;}if(autorun==1)//自动时,自动设置缩放因子{i++;if(i>sizeof(zoom_ratio)/2-1)i=0;//限制范围}LCD_Set_Window(0,0,lcddev.width,lcddev.height);//设置窗口LCD_WriteRAM_Prepare(); __HAL_TIM_SET_COUNTER(&TIM3_Handler,0);//重设 TIM3 定时器的计数器值timeout=0;GenerateJulia_fpu(lcddev.width,lcddev.height,lcddev.width/2,lcddev.height/2,zoom_ratio); time=__HAL_TIM_GET_COUNTER(&TIM3_Handler)+(u32)timeout65536;sprintf((char)buf,"%s: zoom:%d runtime:%0.1fmsrn",SCORE_FPU_MODE,zoom_ratio,time/10);LCD_ShowString(5,lcddev.height-5-12,lcddev.width-5,12,12,buf);//显示运行情况printf("%s",buf);//输出到串口LED0_Toggle;}}这里面，总共 3 个函数：InitCLUT、GenerateJulia_fpu 和 main 函数。InitCLUT 函数，该函数用于初始化颜色表，该函数根据迭代次数（ITERATION）计算出颜色表，这些颜色值将显示在 TFTLCD 上。 GenerateJulia_fpu 函数，该函数根据给定的条件计算 Julia 分形集，当迭代次数大于等于 ITERATION 或者半径大于等于 4 时，结束迭代，并在 TFTLCD 上面显示迭代次数对应的颜色值，从而得到漂亮的 Julia 分形图。我们可以通过修改 REAL_CONSTANT 和 IMG_CONSTANT 这两个常量的值来得到不同的 Julia 分形图。 main 函数，完成我们在 56.2 节所介绍的实验功能，代码比较简单。这里我们用到一个缩放因子表：zoom_ratio，里面存储了一些不同的缩放因子，方便演示效果。最后，为了提高速度，同上一章一样，我们在 MDK 里面选择使用-O2 优化，优化代码速度，本例程代码就介绍到这里。再次提醒大家：本例程两个代码（实验 45_1 和 45_2）程序是完全一模一样的，他们的区别就是 MDK→Options for Target ‘Target1’→Target 选项卡→Floating Point Hardware 的设置不一样，当设置 Use Double Precision 时，使用硬件 FPU；当设置 Not Used 时，不使用硬件 FPU。分别下载这两个代码，通过屏幕显示的 runtime 时间，即可看出速度上的区别。 50.4 下载验证代码编译成功之后，下载本例程任意一个代码（这里以 45_1 为例）到 ALIENTEK 水星 STM32 开发板上，可以看到 LCD 显示 Julia 分形图，并显示相关参数，如图 50.4.1 所示：图 50.4.1 Julia 分形显示效果实验 45_1 是开启了硬件 FPU 的，所以显示 Julia 分形图片速度比较快。如果下载实验 45_2，同样的缩放因子，会比实验 51_1 慢 11 倍左右。因此可以看出，使用硬件 FPU 和不使用硬件 FPU 对比，同样的条件下，硬件 FPU 快了近 11 倍，充分体现了 STM32F767 硬件 FPU 的优势。 3
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