GNU-RX 8.3.0 で、TFU（三角関数演算器）利用方法

多分、これで、使えるようになると思う。

関数プロトタイプは以下のようになっているようだ、この定義はincludeファイルには含まれないようで、-mtfu オプションを有効にすると、内部に組み込まれるようだ。

    // -mtfu=intrinsic
    void __init_tfu(void);
    void __builtin_rx_sincosf(float, float*, float*);
    void __builtin_rx_atan2hypotf(float, float, float*, float*);
    // -mtfu=intrinsic,mathlib
    float __builtin_rx_sinf(float);
    float __builtin_rx_cosf(float);
    float __builtin_rx_atan2f(float, float);
    float __builtin_rx_hypotf(float, float);

また、-mtfu オプションで TFU を有効にすると、ビルトイン変数

  __TFU

が有効になる。

これら、ビルトイン関数を利用する場合、多分、事前に初期化関数を呼んでおく必要がある。

    __init_tfu();

後は、普通に関数を呼べば良いものと思う。

                float a = vtx::get_pi<float>() * 0.25f;
                float si, co;
                __builtin_rx_sincosf(a, &si, &co);
                utils::format("%8.7f: %8.7f, %8.7f\n") % a % si % co;
                a = vtx::get_pi<float>() * 1.75f;
                si = __builtin_rx_sinf(a);
                co = __builtin_rx_cosf(a);
                utils::format("%8.7f: %8.7f, %8.7f\n") % a % si % co;

Start test for 'RX72N' 240[MHz]
SCI Baud rate (set):  115200
SCI Baud rate (real): 115355 (0.13 [%])
CMT rate (set):  850 [Hz]
CMT rate (real): 849 [Hz] (-0.12 [%])
0.7853982: 0.7071068, 0.7071067
5.4977875: -0.7071068, 0.7071067

GNU-RX 8.3.0 で RX72N の機能を使える事が判った。

これで、RX72N に備わっている機能で、気になっていた部分の疑問は大体解決した。

ベンチマークについては、以下のような資料がある。

RXv3 CPU搭載RXファミリ 数値計算用ライブラリ関数ベンチマーク

コンパイラーオプションの自動判別

通常の gcc ソースコードを使ってビルドした、プレーンな gcc と、ルネサス版の魔改造 gcc で、オプションを自動設定する Makefile の制御文を考えてみた。

# rx-elf-gcc compiler version check
TARGET_ISA_TEXT := $(shell rx-elf-gcc --target-help | grep ISA)

# AS_DEFS       =   --defsym NOT_USER=1
ifeq ($(TARGET_ISA_TEXT), )
# gcc-7.5.0 current gcc source build
CC_DEFS     =   -mcpu=rx600 -Wa,-mcpu=rxv2
CP_DEFS     =   -mcpu=rx600
else # Renesas GNU-RX gcc
CC_DEFS     =   -misa=v3
# CP_DEFS       =   -misa=v3 -mdfpu -mtfu=intrinsic,mathlib
CP_DEFS     =   -misa=v3 -mtfu=intrinsic,mathlib
# CP_DEFS       =   -misa=v3 -mdfpu
endif

これは、gcc のオプションで「--target-help」を実行して「ISA」の文字列があれば「ルネサス版」と判断するもの。

Renesas GNU-RX 8.3.0 の最適化

Renesas GNU-RX の最適化は、通常の gcc (7.5.0) とは異なるようだー
より、深い最適化を行っている。

gcc-7.5.0 で、以下のプログラムをコンパイルすると・・

    typedef device::PORT<device::PORT0, device::bitpos::B1> LED;

    while(1) {
        utils::delay::milli_second(250);
        LED::P = 0;
        utils::delay::milli_second(250);
        LED::P = 1;
    }

論理演算を行ったコードが生成される。

ffc0029c:       cc 3e                           mov.b   [r3], r14
ffc0029e:       75 42 fa                        mov.l   #250, r2
ffc002a1:       75 2e fe                        and     #-2, r14
ffc002a4:       c3 3e                           mov.b   r14, [r3]

ffc002bc:       cc 3e                           mov.b   [r3], r14
ffc002be:       65 1e                           or      #1, r14
ffc002c0:       c3 3e                           mov.b   r14, [r3]

※中間に、「mov.l #250, r2」が挟まれてるのが多少痛いものの、まぁ普通だ。

Renesas GNU-RX では・・・

ffc00278:       f0 38                           bclr    #0, [r3].b

ffc00294:       f0 30                           bset    #0, [r3].b

ビット操作命令になっている。

RAYTRACE_sample が、361ms から 351ms に時間短縮したのも、他、細かい最適化によるものと思われる。
ルネサス社が魔改造したコンパイラは、高性能なのだと思われる。
※何故、gcc のオリジナルコードにマージしないのか？、疑問は残る・・・

Renesas GNU-RX 8.3.0 のオプション

倍精度浮動小数点命令を生成するには、コアが「RXv3」でなおかつ、「dfpu」を有効にすれば良いらしい。
※gcc のソースコードで、RX マイコンに関係する部分を少し読んでみた。

     -misa=v3 -mdfpu

なので、上記オプションを使って、簡単なコードで調べてみた。

    double a = 0.0;
    while(1) {
        utils::delay::milli_second(250);
        LED::P = 0;
        utils::delay::milli_second(250);
        LED::P = 1;
        a += 0.1;
        utils::format("%5.4f\n") % static_cast<float>(a);
    }

アセンブルリストを見てみると、確かに「倍精度浮動小数点命令」が生成されている、「a + 0.1;」の部分

ffc003d2:       fc c9 08 12 10                  dmov.D 72[r0], dr1
ffc003d7:       f9 03 00 9a 99 99 99            dmov.L #0x9999999a, drl0
ffc003de:       f9 03 02 99 99 b9 3f            dmov.L #0x3fb99999, drh0
ffc003e5:       76 90 00 11                     dadd  dr1, dr0, dr1
ffc003e9:       fc 79 08 12 10                  dmov.D dr1, 72[r0]

※ 64 ビットの IEEE-754 で定数 0.1 の表現は、0x3fb9'9999'9999'999a となる。
※ 64 ビットの定数をレジスターにロードするコストは大きい・・・

ちゃんと、倍精度の命令を生成しているので、RAYTRACE_sample を走らせてみた。

・・・逆に遅くなる。

調べると、dfpu を指定しない場合、常に32ビットで演算されていたものが、dfpu の指定で、部分的に64ビットの演算が行われる為のようだ。

実際にプログラムで利用する際は、細心の注意が必要だと思える・・・
※インテル CPU の場合、double を float にして計算すると、逆に遅くなるが、それとは対照的だ・・
でも、原理は理解は出来る。

それでも、64ビットの計算を、専用命令で行えるのは、ソフトエミュレーションに比べて格段に速いと思われるので、倍精度命令が生成される事実は心強い。

TFU についての調査

TFU については、仕様が公開されていないので、どのような物か、良く判らない・・・

gcc のソースコード「gcc/config/rx/rx.opt」を見ると・・・

EnumValue
Enum(rx_tfu_types) String(intrinsic) Value(RX_INTRINSIC)

EnumValue
Enum(rx_tfu_types) String(intrinsic,mathlib) Value(RX_MATHLIB)

とあるので、

    -mtfu=intrinsic

    -mtfu=intrinsic,mathlib

のどちらかを設定すれば良さそうだと判る。

「gcc/config/rx/rx.c」で、

    if (TARGET_TFU)
    {
      ADD_RX_TFU_BUILTIN (INIT, "__init_tfu", void);
      ADD_RX_BUILTIN3 (SINCOSF, "sincosf", void, float, float_ptr, float_ptr);
      ADD_RX_BUILTIN4 (ATAN2HYPOTF, "atan2hypotf", void, float, float, float_ptr, float_ptr);
      if (rx_tfu_type == RX_MATHLIB)
      {
        ADD_RX_BUILTIN1 (SINF, "sinf", float, float);
        ADD_RX_BUILTIN1 (COSF, "cosf", float, float);
        ADD_RX_BUILTIN2 (ATAN2F, "atan2f", float, float, float);
        ADD_RX_BUILTIN2 (HYPOTF, "hypotf", float, float, float);
      }
    }

となっている、
初期化の関数と思われる「__init_tfu」は、勝手に呼ぶコードが埋め込まれるのか不明だ。
※自動的に ctor に積まれるのかもしれない・・・

上記関数が演算器で演算されるものと思われるが、どのくらい効果があるのか不明・・・
また、現段階では、演算器が使われているかも不明で、何か、他に設定する事があるのかもとも思う。
とりあえず、TFU に関しては、調査を続ける。

はじめに

前の、投稿で、Renesas は GNU-RX 4.8.x ベースなので、サポートの可能性が低いと言ったが、あれは誤りだったーー

調べたら、「Open Source Tools for Renesas」 とゆー HP があり、ここに登録する事で、gcc-8.3.0 ベースの RX マイコン用ツールチェイン一式をダウンロード出来るようだ。
※ソースコードもダウンロード出来る。

登録が少し面倒で、登録したメールアドレスに起因するアクティベーションコードが発行され、そのコードが無いと、ツールをインストール出来ないようだが、コンパイラは制限無く使えるようだ。

ただ、gcc のソースツリーとは異なる実装を行っており、オプションが異なる。

「GNU Tools」は、「CyberTHOR Studios Limited」が保守管理しているようだが、ナゾの組織だ・・
※以前のKPITに類する物なのかもしれない。

それにしても、「知らない」とは恐ろしい・・・
このツールベースで、ルネサスの IDE から動かせば、E1エミュレータなどを使って、ステップ実行も出来そうに思う。

構成

このツールチェインは、以下のツールをまとめた物のようだ。

• binutils_rx_2.24_2020q2
• gcc_rx_8.3.0_2020q2
• newlib_rx_3.1.0_2020q2
• gdb_rx_7.8.2_2020q2

ターゲットヘルプの出力：

% rx-elf-gcc --target-help
The following options are target specific:
  -fpu                        Enable the use of RX FPU instructions.  This is
                              the default.
  -m32bit-doubles             Stores doubles in 32 bits.  This is the default.
  -m64bit-doubles             Store doubles in 64 bits.
  -mallow-string-insns        Enables or disables the use of the SMOVF, SMOVB,
                              SMOVU, SUNTIL, SWHILE and RMPA instructions.
                              Enabled by default.
  -mas100-syntax              Generate assembler output that is compatible with
                              the Renesas AS100 assembler.  This may restrict
                              some of the compiler's capabilities.  The default
                              is to generate GAS compatible syntax.
  -mbig-endian-data           Data is stored in big-endian format.
  -mcpu=                      Specify the target RX cpu type.
  -mdfpu                      Enable the use of RX DFPU instructions.
  -mgcc-abi                   Enable the use of the old, broken, ABI where all
                              stacked function arguments are aligned to 32-bits.
  -mint-register=             Specifies the number of registers to reserve for
                              interrupt handlers.
  -misa=                      Specify RX ISA version.
  -mjsr                       Always use JSR, never BSR, for calls.
  -mlarge-function-growth=    Permited value of the limit growth of large
                              function (in percent).
  -mlittle-endian-data        Data is stored in little-endian format.
                              (Default).
  -mlra                       Enable the use of the LRA register allocator.
  -mmax-constant-size=        Maximum size in bytes of constant values allowed
                              as operands.
  -mno-balign                 Do not use .balign
  -mpid                       Enables Position-Independent-Data (PID) mode.
  -mrelax                     Enable linker relaxation.
  -mrx-abi                    Enable the use the standard RX ABI where all
                              stacked function arguments are naturally aligned.
                              This is the default.
  -mrxpeephole                Coremark improvement.
  -mrxv2-fsqrt                Enable to use of FSQRT hardware instruction for
                              RXv2 instruction set
  -msave-acc-in-interrupts    Specifies whether interrupt functions should save
                              and restore the accumulator register.
  -msim                       Use the simulator runtime.
  -msmall-data-limit=         Maximum size of global and static variables which
                              can be placed into the small data area.
  -mtfu=                      Enable the use of RX TFU instructions.
  -mwarn-multiple-fast-interrupts Warn when multiple, different, fast interrupt
                              handlers are in the compilation unit.
  -nofpu                      Disable the use of RX FPU instructions.

Assembler options
=================

Use "-Wa,OPTION" to pass "OPTION" to the assembler.

 RX specific command line options:
  --mbig-endian-data
  --mlittle-endian-data [default]
  --m32bit-doubles [default]
  --m64bit-doubles
  --muse-conventional-section-names
  --muse-renesas-section-names [default]
  --msmall-data-limit
  --mrelax
  --mpid
  --mint-register=<value>
  --mcpu=<rx100|rx200|rx230|rx600|rx610|rx64m|rx66T|rx71m|rx72T>
  --misa=<v1|v2|v3>
  --mno-allow-string-insns  --mgcc-abi
  --mrx-abi [default]

Linker options
==============

Use "-Wl,OPTION" to pass "OPTION" to the linker.

elf32rx:
  --build-id[=STYLE]          Generate build ID note
  -z common-page-size=SIZE    Set common page size to SIZE
  -z defs                     Report unresolved symbols in object files.
  -z execstack                Mark executable as requiring executable stack
  -z max-page-size=SIZE       Set maximum page size to SIZE
  -z muldefs                  Allow multiple definitions
  -z noexecstack              Mark executable as not requiring executable stack
  --no-flag-mismatch-warnings Don't warn about objects with incompatible
                                endian or dsp settings
  --flag-mismatch-warnings    Warn about objects with incompatible
                                endian, dsp or ABI settings
  --ignore-lma                Ignore segment LMAs [default]
                                (for Renesas Tools compatibility)
  --no-ignore-lma             Don't ignore segment LMAs

注目するのは・・

--mcpu=<rx100|rx200|rx230|rx600|rx610|rx64m|rx66T|rx71m|rx72T>

RX72M、RX72N、RX66N などの CPU タイプは無いが、「RX72T」がある。

そして、

-mdfpu                      Enable the use of RX DFPU instructions.
-mtfu=                      Enable the use of RX TFU instructions.

多分、「倍精度浮動小数点命令」、「三角関数演算器」のサポートがある！

mcpu タイプに RX72N が無いのが、良く判らないが、gcc でも、サポートがされる事が判ったのがうれしい。
※まだ、有効にした場合の検証をしていない・・

MSYS2 からも、ツールのパスを設定すれば、使えるようだ・・

PATH=$PATH:/C/'Program Files (x86)'/'GCC for Renesas RX 8.3.0.202002-GNURX-ELF'/rx-elf/rx-elf/bin

ただ、

Assembler messages:
Warning: cannot compress debug sections (zlib not installed)

上記警告が出る・・・

お馴染み、レイトレースを走らせてみる

いつもの、ベンチマーク「レイトレース」を RX72N Envision Kit で走らせてみた。

何と、「最速」をマークした・・・
※gcc-7.5.0 では、361ms くらいだった・・

-mcpu=rx71m

※RX64M、とRX71M でコアの違いは無いと思うが・・・、とりあえず、RX71M でコンパイルした。
※RX64M でコンパイルしたものと同じバイナリーが出る。

今後の開発環境

今後、アップデートも行われるようなので、このコンパイラを使っていきたいと思う。

Makefile のオプションが変わるので、自分でビルドした gcc とは異なる設定が必要。

# CC_DEFS       =   -mcpu=rx600 -Wa,-mcpu=rxv2
CC_DEFS     =   -mcpu=rx71m -dfpu
# CP_DEFS       =   -mcpu=rx600
CP_DEFS     =   -mcpu=rx71m

上記のように、オプションを変更する。

もう少し、評価したら、Makefile を修正後、コミットする予定なので、自分で gcc をビルドしている人は、GNU-RX 8.3.0 をダウンロードして準備する必要がある。