Cortex-M3内核浮点型运算的研究与实现

摘要：通过分析Cortex-M3内核的结构与浮点型格式，充分利用Cortex-M3内核中的分支预测、单周期乘法、硬件除法等众多功能强大的特性，使用Thumb-2指令集实现了单精度浮点型的加、减、乘、除与比较运算，并给出了加减法运算的流程图和除法运算的源程序。
关键词：Cortex-M3内核；浮点型；速度

引言
在一些较为复杂的运算中，经常需要处理取值范围大、精度高的浮点型数据。但一般的低端嵌入式内核中没有浮点型硬件运算器，因此处理语音信号等数据比较困难。本文提出了一种基于Cortex-M3内核的浮点型运算的处理方法。

1 Thumb-2指令集与COrtex-M3内核结构
Thumb-2指令集具有以下优点：许多指令(包括乘法相关指令、突破性的32位硬件除法指令等)都是单周期的，并且位段处理指令取指都按32位处理。
Cortex-M3是一个32位处理器内核，采用哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问并行不悖。它具有如下特点：功耗低，有睡眠、停机和待机3种模式；实时性好；响应中断快，而且响应中断所需的周期数是确定的；采用Thumb-2指令集，使得代码
密度和执行效率更高。

2 浮点数的格式
IEEE的浮点型数据标准规定，浮点数具有单精度(4字节)、双精度(8字节)和扩展精度(10字节)三种浮点型格式。在实际的应用中，使用最多的是单精度浮点数，格式如下：

浮点数表示为：X=MsEsEm-1…E1E0 M-1M-2…M-n。IEEE标准规定：阶码用移码；尾数的符号位用1表示负数，0表示正数；尾数的数据位用原码表示，并且隐藏了第24位(即M-1)，M-1为1，所以尾数是大于等于0．5小于1的小数。
阶码用移码表示、尾数用原码表示浮点数的好处：
①浮点数据零的所有位均为零。
②2个浮点数比较大小时，可不必区分阶码位和数据位，视为有符号32位整型数据比较。

3 浮点型运算的具体实现
3．1 加减运算
Cortex-M3是32位的内核，可以把单精度浮点数存储为32位的有符号整数，这样便于比较运算。加减运算的流程如图1所示。