AT32F403A BlackPill：その４ FPU

Cortex-M4FのFPUを動かしてみる

１．手順
１）コーディング： STM32CubeIDE(MX)
　・STM32CubeIDE(MX)を使ってSTM32F103RGT6でプロジェクトを作成しコードを書く
　・関数として math library と CMSIS-DSP を使う
　・FPUを使えるようにコードを変える

２）コンパイル
　・Coretex-M3 FPUなしの設定を Cortex-M4 FPUありに変えてコンパイルする

３）書込み： MINI ST-LINK V2 + openOCD + IDCODEコンバーター

２．コーディング
１）FPUを使えるようにコードを変える：stm32f103xg.h
 プロジェクト名/Drivers/CMSIS/Device/ST/STM32F1xx/Include/stm32f103xg.h
・__CM4_REV 設定
・__FPU_PRESENT 1U
・#include “core_cm4.h”

/*

 * @brief Configuration of the Cortex-M3 Processor and Core Peripherals 
 */
//#define __CM3_REV                  0x0200U  /*!< Core Revision r2p0                           */
// #define __MPU_PRESENT             1U       /*!< STM32 XL-density devices provide an MPU      */
//#define __NVIC_PRIO_BITS           4U       /*!< STM32 uses 4 Bits for the Priority Levels    */
//#define __Vendor_SysTickConfig     0U       /*!< Set to 1 if different SysTick Config is used */

#define __CM4_REV                 0x0001U  /*!< Core revision r0p1                            */
#define __MPU_PRESENT             1U       /*!< STM32F4XX provides an MPU                     */
#define __NVIC_PRIO_BITS          4U       /*!< STM32F4XX uses 4 Bits for the Priority Levels */
#define __Vendor_SysTickConfig    0U       /*!< Set to 1 if different SysTick Config is used  */
#define __FPU_PRESENT             1U       /*!< FPU present                                   */


//#include "core_cm3.h"
#include "core_cm4.h"
#include "system_stm32f1xx.h"
#include <stdint.h>

２）FPUを有効にする：system_stm32f1xx.c
　プロジェクト名/Core/Src/system_stm32f1xx.c
　・SCB->CPACR 設定追加

/**
  * @brief  Setup the microcontroller system
  *         Initialize the Embedded Flash Interface, the PLL and update the 
  *         SystemCoreClock variable.
  * @note   This function should be used only after reset.
  * @param  None
  * @retval None
  */
void SystemInit (void)
{
/* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
 #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
	SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2));  /* set CP10 and CP11 Full Access */
#endif

３．コンパイル
　作業は Release で行う
１）gcc コンパイル、リンクオプション変更内容
　・cortex-m4 fpuありとしてコンパイルする
　・オプションは makefile と subdir.mk ファイル内に記述され gcc オプションに展開される

オプション	Cortex M3	Cortex M4F
-mcpu	cortex-m3	cortex-m4
-mfloat-abi	soft	softfp または hard
-mfpu	なし	-mfloat-abi

２）コンパイル、リンクオプション変更
（１）ビルダー変更
　・ ビルダーとしてメイクファイルオプションを変更するスプリクトを作成し make の前に実行する
　・下記のようなスクリプトで変換後makeする
　　このスクリプトは 適当な場所に保存して STM32CubeIDE 設定の Build Command 欄に記入する

変換スクリプト： make_at32.sh
/Users/xxxx/STM32CubeIDE/sh/make_at32.sh

#!/bin/bash
#
#   make AT32F4x from STM32CubeIDE
#       STEP1   replace make file option
#       STEP2   make

#       define make option
MFLOATS='soft ‘
# MFLOATF='softfp -mfpu=fpv4-sp-d16 '
MFLOATF='hard -mfpu=fpv4-sp-d16 ‘

#   STEP1
# subdir.mk replace
find ./ -type f -name "subdir.mk" | xargs sed -i -e "s/cortex-m3/cortex-m4/g"
find ./ -type f -name "subdir.mk" | xargs sed -i -e "s/$MFLOATS/$MFLOATF/g"

# makefile replace
sed -i -e "s/cortex-m3/cortex-m4/g" ./makefile
sed -i -e "s/$MFLOATS/$MFLOATF/g" ./makefile

#   STEP2
#       make
make $@ 

４．処理速度一覧
　・コンパイル最適化なしでの相対評価
　・ループ処理 2,000回毎LEDトグル周波数比較
　　360deg 200等分 sin cos を 10サイクル実行
　　毎回の角度計算除算含む

CPU	CLOCK	library	function	-mfloat-abi	周波数[Hz]	倍率
AT32F403	72MHz	math.h	sin,cos	soft	3.012	1
		↑	sinf,cosf	hard	9.60	3.19
	240MHz	↑	↑	↑	32.00	10.6
		CMSIS-DSP	Arm_sin_f32, Arm_cos_f32	↑	37.62	12.5
STM32F411	96MHz	↑	sin,cos	soft	4.13	1.37
		↑	sinf,cosf	hard	12.97	4.31
		CMSIS-DSP	Arm_sin_f32, Arm_cos_f32	↑	15.18	5.04

５．補足等
１）コード変更
　・ SCB->CPACR 設定は適当な場所に書くとコンパイル最適化でコードが干渉して起動しなくなる
　・各変更は STM32CubeMX等の設定変更で元に戻る場合がある

２）gcc オプションと変更
　・sed によって makefile-e とか変換前のファイルが残るが放置
　・CMSIS-DSP等 -mfloat-abi=hard でコンパイルされている外部ライブラリーは同じオプションにしないとリンクできない
　　CMSIS-DSPライブラリーはリンクすれば動作する

３）変換スクリプト
　・MFLOATS='soft ‘
　　softfp が設定されているときの誤変換防止のためスペースを追加
　・スクリプト先頭行の「おまじない」がないと動かなかった

４）処理速度
　・絶対値はネットで探すと見つけられる

５）参考資料
　・PM0214 プログラミング・マニュアル
　　STM32F3 シリーズ、STM32F4 シリーズ、STM32L4 シリーズ、および STM32L4+ シリーズ Cortex®-M4 プログラミング・マニュアル

mpu.seesaa.net

qiita.com

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おしまい