1.浮點(diǎn)運(yùn)算指令

浮點(diǎn)運(yùn)算指令用于FPU單元的單精度浮點(diǎn)運(yùn)算。浮點(diǎn)運(yùn)算指令都是用V開(kāi)頭的匯編指令。

只有在FPU開(kāi)啟的狀態(tài)下，才能運(yùn)行這些指令。

如果在FPU沒(méi)有開(kāi)啟的狀態(tài)下，執(zhí)行了浮點(diǎn)運(yùn)算指令，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)硬fault異常。

2.為什么FPU需要Lazy Stacking

當(dāng)Cortex-M系列的芯片多了對(duì)浮點(diǎn)運(yùn)算的支持之后，在中斷響應(yīng)和退出時(shí)會(huì)增加對(duì)FPU擴(kuò)展寄存器的保護(hù)。

入棧浮點(diǎn)寄存器組所帶來(lái)的影響有如下幾方面：

a.增加stack frame所占的存儲(chǔ)區(qū)域；

b.增加中斷響應(yīng)延遲；

c.在OS環(huán)境下，增加上下文切換時(shí)間；

為了減少中斷響應(yīng)延遲和OS環(huán)境下的上下文切換時(shí)間，引入了FPU的Lazy Stacking機(jī)制。

3.FPU Lazy Stacking簡(jiǎn)述

Lazy Stacking機(jī)制在下面的情況下，會(huì)跳過(guò)對(duì)浮點(diǎn)寄存器組的入棧操作（僅預(yù)留浮點(diǎn)寄存器組S0~S15和FPSCR的存儲(chǔ)空間），以避免中斷延遲的增加：

a.中斷處理函數(shù)不使用FPU；

b.被中斷的程序未曾用到FPU；

被中斷函數(shù)使用了FPU，如果在執(zhí)行中斷處理函數(shù)時(shí)也用到了FPU，在執(zhí)行到中斷函數(shù)的第一條浮點(diǎn)指令時(shí)，內(nèi)核會(huì)暫停，然后硬件自動(dòng)將先前的浮點(diǎn)寄存器內(nèi)容（S0~S15，F(xiàn)PSCR）壓入預(yù)留的存儲(chǔ)空間中。

Lazy Stacking是可以通過(guò)軟件使能和關(guān)閉的，如下述操作：

a.使能Lazy Stacking必須同時(shí)置位FPCCR寄存器的LSPEN位和ASPEN位；

b.清除FPCCR寄存器的LSPEN位可以關(guān)閉Lazy Stacking；

關(guān)于FPCCR寄存器的LSPEN位和ASPEN位的組合情況有如下說(shuō)明：

4.FPU Lazy Stacking用到的幾個(gè)重要標(biāo)志

浮點(diǎn)寄存器入棧和出棧過(guò)程中用到的標(biāo)志位：

5.FPU Lazy Stacking使用實(shí)例

下面的例子都是在使能了FPU的Lazy Stacking機(jī)制下進(jìn)行說(shuō)明的。

(1).被中斷的程序和中斷程序中都沒(méi)有使用到FPU，其示意圖如下所示：

Snipaste_2020-04-10_11-46-40

(2).被中斷的程序用到了FPU，中斷程序中沒(méi)有使用到FPU，其示意圖如下所示：

Snipaste_2020-04-10_12-38-54

(3).被中斷的程序和中斷程序中都用到了FPU，其示意圖如下所示：

Snipaste_2020-04-10_14-05-19

6.RTOS使用Lazy Stacking

首先肯定是要使能FPU的Lazy Stacking，然后在PendSV切換任務(wù)的時(shí)候做下面的處理：

(1).上文保存階段：檢測(cè) EXC_RETURN 的 bit4（通過(guò)LR訪(fǎng)問(wèn)），如果該位為零，就入棧剩下的S16-S31 即可；如果該位為 1，則無(wú)需保存 FPU 寄存器，因?yàn)樵撊蝿?wù)未曾使用過(guò) FPU。當(dāng)然了這里有一個(gè)標(biāo)志數(shù)據(jù)，表示當(dāng)前任務(wù)是否使用了FPU，便于下次任務(wù)恢復(fù)時(shí)，確定是否需要從堆棧彈出內(nèi)容到S16-S31。標(biāo)志數(shù)據(jù)也壓入當(dāng)前任務(wù)的堆棧進(jìn)行保存。

(2).下文恢復(fù)階段：從堆棧中彈出標(biāo)志數(shù)據(jù)，判斷待恢復(fù)的任務(wù)是否使用了FPU，如果使用了FPU，那么從堆棧中彈出內(nèi)容到S16-S31；如果沒(méi)有使用FPU，則不需要恢復(fù)FPU寄存器。接下來(lái)需要修改當(dāng)前LR寄存器的內(nèi)容，如果使用了FPU，LR(EXC_RETURN)的bit4需要清零，來(lái)保證在退出PendSV時(shí)將先前壓入該任務(wù)堆棧的S0-S15和FPSCR寄存器出棧；如果沒(méi)有使用FPU，LR(EXC_RETURN)的bit4需要置1，來(lái)告訴CPU該任務(wù)棧幀中不包括FPU寄存器內(nèi)容，不需要進(jìn)行出棧操作。

對(duì)于S0-S15和FPSCR寄存器，如果任務(wù)使用了FPU，在進(jìn)入到PendSV之前，就在任務(wù)堆棧中預(yù)留了存儲(chǔ)空間，當(dāng)執(zhí)行上文保存階段的S16-S31的入棧操作時(shí)，會(huì)首先將S0-S15和FPSCR寄存器壓入先前堆棧預(yù)留的存儲(chǔ)空間中，接著再將S16-S31壓入堆棧。

審核編輯：劉清