Arm ABI和浮点运算

1、什么是ABI

ABI，application binary interface (ABI)，应用程序 二进制接口。
既然是 接口，那就是某两种东西之间的沟通桥梁，此处有这些种情况：
A。应用程序 <－> 操作系统 ；
B。应用程序 <－> （应用程序所用到的）库
C 。应用程序各个组件之间

类似于API的作用是使得程序的代码间的兼容，ABI目的是使得程序的二进制（级别）的兼容。

 

2、ARM ABI的种类及发展历程

目前就我了解的资料来看，ARMABI一共经历了以下几个阶段：

armoabi –> armeabi –>armel –> armhf

2.1 什么是OABI 和 EABI

OABI中的O，表示“Old”，“Lagacy”，旧的，过时的，OABI就是旧的/老的ABI。
EABI中的E，表示“Embedded”，是一种新的ABI。
EABI有时候也叫做GNU EABI。
OABI和EABI都是专门针对ARM的CPU来说的。

2.2 EABI的好处 ／ 为何要用EABI

A。支持软件 浮点和硬件实现浮点功能混用
B。系统 调用的效率更高
C。今后的工具更兼容
D。软件浮点的情况下，EABI的软件浮点的效率要比OABI高很多。

2.3 OABI和EABI的区别

两种ABI在如下方面有区别：
A。调用规则（包括参数如何传递及如何获得返回值）
B。系统调用的数目以及应用程序应该如何去做系统调用
C。目标文件 的二进制格式，程序库等

D。结构体中的 填充（padding/packing）和对齐

2.4 armel和armhf又是什么

在Ubuntu 12.04和Debian里，除了arm, armel，还出现了一个名为armhf的版本。这个东西是什么？

众所周知，armel是目前主要的ARM ABI。armhf则是armel的一个变种，主要区别在浮点计算上。这个下文再详细 进行述说。

 

2.5 总结：

      由上可知， 这四种ABI的版本， 按发展来说是 OABI –> EABI –> armel –> armhf

没查到 armeabi和armel是什么关系，是不是同一个概念。 这里咱们暂且把它们两个理解成同一个。可以参考以下的链接自己去看看。

http://linux.ccidnet.com/art/738/20090526/1781035_1.html

http://blog.csdn.net/yuanlu837/article/details/12502313

 

3、Arm芯片中的浮点运算

3.1 FPU是什么

FPU就是CPU中的浮点运算单元, 现代的CPU一般都会集成FPU以提高浮点计算的能力。

3.2 访问FPU寄存器

访问FPU寄存器是通过控制CORTEX-A9的两个系统控制协处理器寄存器来实现的

非安全模式下访问控制寄存器(NSACR)

协处理器访问控制寄存器(CPACR)

3.3 如何运行浮点类的运算呢

1、首先需要打开ARM芯片上的FPU模块

2、编译选项要把FPU的特性加上，例如CFLAGS=     -mfloat-abi=hard       -mfpu=vfpv3

3.4 三种浮点运算编译选项

在编译带有浮点参数的函数时，有三种可能的编译选项：
-mfloat-abi=soft
-mfloat-abi=softfp
-mfloat-abi=hard

"soft"选项：表明不使用FPU硬件，而是使用GCC的整数算术运算来模拟浮点运算。

"softfp"选项：表明要使用FPU硬件来做浮点运算，只是，函数的参数传递到整数寄存器（r0-r3）中，然后再传递到FPU中。

"hard"选项：表明要使用FPU硬件来做浮点运算，并且，函数的参数直接传递到FPU的寄存器（s0、d0）中。

3.5 hardfp ABI和hardfloat运算不是一回事

hardfp ABI也称为VFP模式的ABI；只是一种编译规则；而hardfloat运算则表示用FPU来做浮点运算。

soft ABI和softfp ABI这两者统称为标准模式ABI。

因此，在涉及到浮点函数调用时，

用-mfloat-abi=soft编译的app或者库，在用-mfloat-abi=softfp编译的OS中是可以跑的；

用-mfloat-abi=softfp编译的app或者库，在用-mfloat-abi=soft编译的OS中，如果SoC中没有FPU，那么是不能跑的。

而-mfloat-abi=softfp/soft与-mfloat-abi=hard，是互不兼容的。

 

4、armel和armhf的区别（主要是浮点运算上)

4.1 什么是armhf

在Ubuntu 12.04和Debian里，除了arm, armel，还出现了一个名为armhf的版本。这个东西是什么？

众所周知，armel是目前主要的ARM ABI。armhf则是armel的一个变种，主要区别在浮点计算上。

在armel中，关于浮点数计算的约定有三种。以gcc为例，对应的-mfloat-abi参数值有三个：soft,softfp,hard。soft是指所有浮点运算全部在软件层实现，效率当然不高，适合于早期没有浮点计算单元的ARM处理器；softfp是目前armel的默认设置，它将浮点计算交给FPU处理，但函数参数的传递使用通用的整型寄存器而不是FPU寄存器；hard则使用FPU浮点寄存器将函数参数传递给FPU处理。

需要注意的是，在兼容性上，soft与后两者是兼容的，但softfp和hard两种模式不兼容。默认情况下，armel使用softfp，因此将hard模式的armel单独作为一个abi，称之为armhf。

4.2 hard模式的价值

使用softfp模式，会存在不必要的浮点到整数、整数到浮点的转换。而使用hard模式，在每次浮点相关函数调用时，平均能节省20个CPU周期[1]。对ARM这样每个周期都很重要的体系结构来说，这样的提升无疑是巨大的。

在完全不改变源码和配置的情况下，在一些应用程序上，使用armhf能得到20——25%的性能提升[2]。对一些严重依赖于浮点运算的程序，更是可以达到300%的性能提升[3]。

使用

armhf的开启需要硬件的支持，在Debian的wiki上要求ARMv7CPU、Thumb-2指令集以及VFP3D16浮点处理器[4]。

在gcc的编译参数上，使用-mfloat-abi=hard -mfpu=vfp即可。

在工具上，CodeSourcery最早支持hard模式。也可已自己编译工具链[5]。

4.3 linux with armfp的历史

2010年5月20日，Konstantinos Margaritis发文称将Ubuntu Larmic移植为hard模式[6]。这一消息后来在powerdeveloper上引发关于性能提升的讨论[7]。

2010年7月6日，Hector Oron将他与Konstantinos的邮件讨论记录发往debian-arm邮件列表[8]，将其称之为armelfp，引起社区重视，并得到armhf这个正式名称。

2010年7月18日，非官方的debian-armhf移植工作开始[9]。

2011年11月24日，该移植开始成为debian官方活动。

目前，debian仓库中超过90%的软件已经移植完毕[10]。

Debian预计在Wheezy (7.0)发布armhf的正式版。而Ubuntu也计划在Precise Pangolin 12.04 LTS中发布一个armhf版。

此外，对此前提到过的Toshiba AC100，目前已经有了armhf的debian和ubuntu镜像可以安装试用[11, 12]。

4.4 armel和armhf

arm体系中有的有fpu，有的arm没有fpu，所以有了armel和armhf两种使用fpu的方式了。

armhf比armel硬件要求（确切的是指fpu硬件）高一点。

如果有fpu硬件，达到要求的标准了就可以通过gcc的选项-mfloat-abi来指定使用哪种，

如下三种值：

soft: 是不用fpu计算，即使有fpu浮点运算单元也不用。

softfp: armel是softfp，用fpu计算，但是传参数用普通寄存器传，这样中断的时候，只需要保存普通寄存器，中断负荷小，但是参数需要转换成浮点的再计算。

hard: armhf是hard，用fpu计算，传参数用fpu中的浮点寄存器传，省去了转换性能最好，但是中断负荷高。

Kernel、rootfs、 app在使用gcc编译的时候，必须指定的一致才行。

 

5、总结

ArmOABI：最老的ABI, 根本就没有FPU.

ArmEABI： 有三种使用fpu的模式 (soft, softfp, hard)

        其中使用softfp模式的又叫armel.

        使用hard模式的又叫armhf.

疑问：armeabi是不是就是armel？ 还是armeabi根据使用浮点单元的不同而分为两种armel和armhf？

 

6、参考文献：

http://www.myexception.cn/program/733895.html

http://linux.ccidnet.com/art/738/20090526/1781035_1.html

http://blog.csdn.net/yuanlu837/article/details/12502313

http://blog.csdn.net/yuanlu837/article/details/7742324

http://blog.csdn.net/yuanlu837/article/details/7746274