浅析Cortex-M FPU的Lazy Stacking机制
1.浮点运算指令
浮点运算指令用于fpu单元的单精度浮点运算。浮点运算指令都是用v开头的汇编指令。
只有在fpu开启的状态下，才能运行这些指令。
如果在fpu没有开启的状态下，执行了浮点运算指令，系统会产生一个硬fault异常。
2.为什么fpu需要lazy stacking
当cortex-m系列的芯片多了对浮点运算的支持之后，在中断响应和退出时会增加对fpu扩展寄存器的保护。
入栈浮点寄存器组所带来的影响有如下几方面：
a.增加stack frame所占的存储区域；
b.增加中断响应延迟；
c.在os环境下，增加上下文切换时间；
为了减少中断响应延迟和os环境下的上下文切换时间，引入了fpu的lazy stacking机制。
3.fpu lazy stacking简述
lazy stacking机制在下面的情况下，会跳过对浮点寄存器组的入栈操作（仅预留浮点寄存器组s0~s15和fpscr的存储空间），以避免中断延迟的增加：
a.中断处理函数不使用fpu；
b.被中断的程序未曾用到fpu；
被中断函数使用了fpu，如果在执行中断处理函数时也用到了fpu，在执行到中断函数的第一条浮点指令时，内核会暂停，然后硬件自动将先前的浮点寄存器内容（s0~s15，fpscr）压入预留的存储空间中。
lazy stacking是可以通过软件使能和关闭的，如下述操作：
a.使能lazy stacking必须同时置位fpccr寄存器的lspen位和aspen位；
b.清除fpccr寄存器的lspen位可以关闭lazy stacking；
关于fpccr寄存器的lspen位和aspen位的组合情况有如下说明：
fpccr.aspen fpccr.lspen 说明
0 0 取消自动状态保存。中断响应时不入栈fpu寄存器。
应用场景：
1. 应用中没有用到os或者多任务调度，如果没有任何中断异常用到fpu。
2. 在应用程序代码中只有一个中断用到fpu。如果有多个中断用到fpu，那么中断嵌套必须被禁止。可以通过把所有的中断优先级设置位相同优先级实现。
1 0 关闭lazy stacking，仅打开自动状态保存。
如果用到fpu，control.fpca位自动置1。中断响应时，硬件自动入栈s0~s15和fpscr寄存器。
1 1 打开lazy stacking，打开自动状态保存。
如果用到fpu，control.fpca位自动置1。如果响应中断时，control.fpca为1，处理器在堆栈中预留fpu寄存器的空间，同时将fpccr.lspact位置1。但是pfu寄存器并没有马上入栈，直到在中断处理函数中用到fpu时再入栈。
0 1 非法配置
4.fpu lazy stacking用到的几个重要标志
浮点寄存器入栈和出栈过程中用到的标志位：
标志位 说明
control.fpca 0 = 当前上下文中没有用到fpu
1 = 当前上下文中用到fpu
这里的上下文，即表示普通的任务上下文，也表示中断上下文。
fpccr.lspact 0 = 退出lazy状态（实际入栈后被硬件清零或者中断返回时硬件清零）
1 = 进入lazy状态（栈帧中预留了fpu寄存器的空间，但没有实际入栈）
exc_return[4] 0 = 栈帧中包括了fpu寄存器空间
1 = 栈帧中不包括fpu寄存器空间
5.fpu lazy stacking使用实例
下面的例子都是在使能了fpu的lazy stacking机制下进行说明的。
(1).被中断的程序和中断程序中都没有使用到fpu，其示意图如下所示：
snipaste_2020-04-10_11-46-40
(2).被中断的程序用到了fpu，中断程序中没有使用到fpu，其示意图如下所示：
snipaste_2020-04-10_12-38-54
(3).被中断的程序和中断程序中都用到了fpu，其示意图如下所示：
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切换任务的时候做下面的处理：
(1).上文保存阶段：检测 exc_return 的 bit4（通过lr访问），如果该位为零，就入栈剩下的s16-s31 即可；如果该位为 1，则无需保存 fpu 寄存器，因为该任务未曾使用过 fpu。当然了这里有一个标志数据，表示当前任务是否使用了fpu，便于下次任务恢复时，确定是否需要从堆栈弹出内容到s16-s31。标志数据也压入当前任务的堆栈进行保存。
(2).下文恢复阶段：从堆栈中弹出标志数据，判断待恢复的任务是否使用了fpu，如果使用了fpu，那么从堆栈中弹出内容到s16-s31；如果没有使用fpu，则不需要恢复fpu寄存器。接下来需要修改当前lr寄存器的内容，如果使用了fpu，lr(exc_return)的bit4需要清零，来保证在退出pendsv时将先前压入该任务堆栈的s0-s15和fpscr寄存器出栈；如果没有使用fpu，lr(exc_return)的bit4需要置1，来告诉cpu该任务栈帧中不包括fpu寄存器内容，不需要进行出栈操作。
对于s0-s15和fpscr寄存器，如果任务使用了fpu，在进入到pendsv之前，就在任务堆栈中预留了存储空间，当执行上文保存阶段的s16-s31的入栈操作时，会首先将s0-s15和fpscr寄存器压入先前堆栈预留的存储空间中，接着再将s16-s31压入堆栈。
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a.增加stack frame所占的存储区域；
b.增加中断响应延迟；
c.在os环境下，增加上下文切换时间；
为了减少中断响应延迟和os环境下的上下文切换时间，引入了fpu的lazy stacking机制。
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a.中断处理函数不使用fpu；
b.被中断的程序未曾用到fpu；
被中断函数使用了fpu，如果在执行中断处理函数时也用到了fpu，在执行到中断函数的第一条浮点指令时，内核会暂停，然后硬件自动将先前的浮点寄存器内容（s0~s15，fpscr）压入预留的存储空间中。
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a.使能lazy stacking必须同时置位fpccr寄存器的lspen位和aspen位；
b.清除fpccr寄存器的lspen位可以关闭lazy stacking；
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2. 在应用程序代码中只有一个中断用到fpu。如果有多个中断用到fpu，那么中断嵌套必须被禁止。可以通过把所有的中断优先级设置位相同优先级实现。
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1 = 进入lazy状态（栈帧中预留了fpu寄存器的空间，但没有实际入栈）
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1 = 栈帧中不包括fpu寄存器空间
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