2017年9月21日 星期四

cross compiler arm-linux-gnueabi 和 arm-linux-gnueabihf 的區別

http://fanli7.net/a/caozuoxitong/Linux/20140810/525891.html

一. 什麼是ABI和EABI
    1) ABI: 二進制應用程序接口(Application Binary Interface (ABI) for the ARM Architecture)
        在計算機中,應用二進制接口描述了應用程序(或者其他類型)和操作系統之間或其他應用程序的低級接口.
        ABI涵蓋了各種細節,如:
        數據類型的大小、布局和對齊;
        調用約定(控制着函數的参數如何傳送以及如何接受返回值),例如,是所有的参數都通過棧傳遞,還是部分参數通過寄存器傳遞;哪個寄存器用於哪個函數参數;通過棧傳遞的第一個函數参數是最先push到棧上還是最後;
        系統調用的編碼和一個應用如何向操作系統進行系統調用;
        以及在一個完整的操作系統ABI中,目標文件的二進制格式、程序庫等等。
        一個完整的ABI,像Intel二進制兼容標准 (iBCS) ,允許支持它的操作系統上的程序不經修改在其他支持此ABI的操作體統上運行。
        ABI不同於應用程序接口(API),API定義了源代碼和庫之間的接口,因此同样的代碼可以在支持這個API的任何系統中編譯,ABI允許編譯好的目標代碼在使用兼容ABI的系統中無需改動就能運行。

    2) EABI: 嵌入式ABI
        嵌入式應用二進制接口指定了文件格式、數據類型、寄存器使用、堆積組織優化和在一個嵌入式軟件中的参數的標准約定。
        開發者使用自己的匯編語言也可以使用EABI作为與兼容的編譯器生成的匯編語言的接口。 
        支持EABI的編譯器創建的目標文件可以和使用類似編譯器產生的代碼兼容,這样允許開發者鏈接一個由不同編譯器產生的庫。
        EABI與關於通用計算機的ABI的主要區別是應用程序代碼中允許使用特權指令,不需要動態鏈接(有時是禁止的),和更緊湊的堆棧幀組織用來節省內存。廣泛使用EABI的有Power PC和ARM.

二. gnueabi相關的兩個交叉編譯器: gnueabi和gnueabihf
    在debian源裏這兩個交叉編譯器的定義如下: 
        gcc-arm-linux-gnueabi - The GNU C compiler for armel architecture
        gcc-arm-linux-gnueabihf - The GNU C compiler for armhf architecture
    可見這兩個交叉編譯器适用於armel和armhf兩個不同的架構, armel和armhf這兩種架構在對待浮點運算采取了不同的策略(有fpu的arm才能支持這兩種浮點運算策略)

    其實這兩個交叉編譯器只不過是gcc的選項-mfloat-abi的默認值不同. gcc的選項-mfloat-abi有三種值soft,softfp,hard(其中後兩者都要求arm裏有fpu浮點運算單元,soft與後兩者是兼容的,但softfp和hard兩種模式互不兼容):
    soft   : 不用fpu進行浮點計算,即使有fpu浮點運算單元也不用,而是使用軟件模式。
    softfp : armel架構(對應的編譯器为gcc-arm-linux-gnueabi)采用的默認值,用fpu計算,但是傳参數用普通寄存器傳,這样中斷的時候,只需要保存普通寄存器,中斷負荷小,但是参數需要轉換成浮點的再計算。
    hard   : armhf架構(對應的編譯器gcc-arm-linux-gnueabihf)采用的默認值,用fpu計算,傳参數也用fpu中的浮點寄存器傳,省去了轉換, 性能最好,但是中斷負荷高。

    把以下測試使用的c文件內容保存成mfloat.c:
    #include <stdio.h>
    int main(void)
    {
                    double a,b,c;
                    a = 23.543;
                    b = 323.234;
                    c = b/a;
                    printf("the 13/2 = %f\n", c);
                    printf("hello world !\n");
                    return 0;
    }

    1)使用arm-linux-gnueabihf-gcc編譯,使用“-v”選項以獲取更詳細的信息:
    # arm-linux-gnueabihf-gcc -v mfloat.c
    COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-march=armv7-a' '-mfloat-abi=hard' '-mfpu=vfpv3-d16' '-mthumb'
    -mfloat-abi=hard,可看出使用hard硬件浮點模式。

    2)使用arm-linux-gnueabi-gcc編譯:
    # arm-linux-gnueabi-gcc -v mfloat.c
    COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-march=armv7-a' '-mfloat-abi=softfp' '-mfpu=vfpv3-d16' '-mthumb'
    -mfloat-abi=softfp,可看出使用softfp模式。

三. 拓展閱讀
    下文闡述了ARM代碼編譯時的軟浮點(soft-float)和硬浮點(hard-float)的編譯以及鏈接實現時的不同。從VFP浮點單元的引入到軟浮點(soft-float)和硬浮點(hard-float)的概念

    VFP (vector floating-point)
        從ARMv5開始,就有可選的 Vector Floating Point (VFP) 模塊,當然最新的如 Cortex-A8, Cortex-A9 和 Cortex-A5 可以配置成不帶VFP的模式供芯片廠商選擇。
        VFP經過若幹年的發展,有VFPv2 (一些 ARM9 / ARM11)、 VFPv3-D16(只使用16個浮點寄存器,默認为32個)和VFPv3+NEON (如大多數的Cortex-A8芯片) 。對於包含NEON的ARM芯片,NEON一般和VFP公用寄存器。

    硬浮點Hard-float
        編譯器將代碼直接編譯成發射给硬件浮點協處理器(浮點運算單元FPU)去執行。FPU通常有一套額外的寄存器來完成浮點参數傳遞和運算。
        使用實際的硬件浮點運算單元FPU當然會帶來性能的提升。因为往往一個浮點的函數調用需要幾個或者幾十個時钟周期。

    軟浮點 Soft-float
        編譯器把浮點運算轉換成浮點運算的函數調用和庫函數調用,沒有FPU的指令調用,也沒有浮點寄存器的参數傳遞。浮點参數的傳遞也是通過ARM寄存器或者堆棧完成。 
        現在的Linux系統默認編譯選擇使用hard-float,即使系統沒有任何浮點處理器單元,這就會產生非法指令和異常。因而一般的系統鏡像都采用軟浮點以兼容沒有VFP的處理器。

    armel ABI和armhf ABI
        在armel中,關於浮點數計算的約定有三種。以gcc为例,對應的-mfloat-abi参數值有三個:soft,softfp,hard。
        soft是指所有浮點運算全部在軟件層實現,效率當然不高,會存在不必要的浮點到整數、整數到浮點的轉換,只适合於早期沒有浮點計算單元的ARM處理器;
        softfp是目前armel的默認設置,它將浮點計算交给FPU處理,但函數参數的傳遞使用通用的整型寄存器而不是FPU寄存器;
        hard則使用FPU浮點寄存器將函數参數傳遞给FPU處理。
        需要注意的是,在兼容性上,soft與後兩者是兼容的,但softfp和hard兩種模式不兼容。
        默認情況下,armel使用softfp,因此將hard模式的armel單獨作为一個abi,稱之为armhf。
        而使用hard模式,在每次浮點相關函數調用時,平均能節省20個CPU周期。對ARM這样每個周期都很重要的體系結構來說,這样的提升無疑是巨大的。
        在完全不改變源碼和配置的情況下,在一些應用程序上,使用armhf能得到20%——25%的性能提升。對一些嚴重依賴於浮點運算的程序,更是可以達到300%的性能提升。

    Soft-float和hard-float的編譯選項
        在CodeSourcery gcc的編譯参數上,使用-mfloat-abi=name來指定浮點運算處理方式。-mfpu=name來指定浮點協處理的類型。
        可選類型如fpa,fpe2,fpe3,maverick,vfp,vfpv3,vfpv3-fp16,vfpv3-d16,vfpv3-d16-fp16,vfpv3xd,vfpv3xd-fp16,neon,neon-fp16,vfpv4,vfpv4-d16,fpv4-sp-d16,neon-vfpv4等。
        使用-mfloat-abi=hard (等價於-mhard-float) -mfpu=vfp來選擇編譯成硬浮點。使用-mfloat-abi=softfp就能兼容帶VFP的硬件以及soft-float的軟件實現,運行時的連接器ld.so會在執行浮點運算時對於運算單元的選擇,
        是直接的硬件調用還是庫函數調用,是執行/lib還是/lib/vfp下的libm。-mfloat-abi=soft (等價於-msoft-float)直接調用軟浮點實現庫。

    在ARM RVCT工具鏈下,定義fpu模式:
     --fpu softvfp
     --fpu softvfp+vfpv2
     --fpu softvfp+vfpv3
     --fpu softvfp+vfpv_fp16
     --fpu softvfp+vfpv_d16
     --fpu softvfp+vfpv_d16_fp16.

    定義浮點運算類型
     --fpmode ieee_full : 所有單精度float和雙精度double的精度都要和IEEE標准一致,具體的模式可以在運行時動態指定;
     --fpmode ieee_fixed : 舍入到最接近的實現的IEEE標准,不帶不精確的異常;
     --fpmode ieee_no_fenv :舍入到最接近的實現的IEEE標准,不帶異常;
     --fpmode std :非規格數flush到0、舍入到最接近的實現的IEEE標准,不帶異常;
     --fpmode fast : 更積極的優化,可能會有一點精度損失。

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