ARM 32bit/64bit における C 言語の浮動小数点処理とアセンブリ命令の違い

目的

昨日x86 CPU上で浮動小数がどう扱われるか調べました。
小数→浮動小数点形式の変換方法は以下の記事をご参照下さい。
浮動小数点形式そのものはx86でもARMでも変わりません。
x86 CPUにおける浮動小数点の処理とアセンブリ命令の対応

今日は32bit/64bitのARM上での扱いを調べてみます。

Cソース

gcc -O0 -S test.c -o test.s

test.c

#include <stdio.h>

int main() {
    float f1 = 1.5f, f2 = 2.25f;
    double d1 = 3.125, d2 = 4.875;

    float fsum = f1 + f2;
    double dsum = d1 + d2;

    return 0;
}

生成されたアセンブリ

Armbian 32bit

test.s

        .arch armv7-a
        .fpu vfpv3-d16
        .eabi_attribute 28, 1
        .eabi_attribute 20, 1
        .eabi_attribute 21, 1
        .eabi_attribute 23, 3
        .eabi_attribute 24, 1
        .eabi_attribute 25, 1
        .eabi_attribute 26, 2
        .eabi_attribute 30, 6
        .eabi_attribute 34, 1
        .eabi_attribute 18, 4
        .file   "test.c"
        .text
        .align  1
        .global main
        .syntax unified
        .thumb
        .thumb_func
        .type   main, %function
main:
        @ args = 0, pretend = 0, frame = 40
        @ frame_needed = 1, uses_anonymous_args = 0
        @ link register save eliminated.
        push    {r7}
        sub     sp, sp, #44
        add     r7, sp, #0
        mov     r3, #1069547520
        str     r3, [r7, #36]   @ float
        mov     r3, #0
        movt    r3, 16400
        str     r3, [r7, #32]   @ float
        mov     r2, #0
        mov     r3, #0
        movt    r3, 16393
        strd    r2, [r7, #24]
        mov     r2, #0
        mov     r3, #32768
        movt    r3, 16403
        strd    r2, [r7, #16]
        vldr.32 s14, [r7, #36]
        vldr.32 s15, [r7, #32]
        vadd.f32        s15, s14, s15
        vstr.32 s15, [r7, #12]
        vldr.64 d6, [r7, #24]
        vldr.64 d7, [r7, #16]
        vadd.f64        d7, d6, d7
        vstr.64 d7, [r7]
        movs    r3, #0
        mov     r0, r3
        adds    r7, r7, #44
        mov     sp, r7
        @ sp needed
        ldr     r7, [sp], #4
        bx      lr
        .size   main, .-main
        .ident  "GCC: (Debian 12.2.0-14+deb12u1) 12.2.0"
        .section        .note.GNU-stack,"",%progbits

Termux 64bit

test.s

        .file   "test.c"
        .text
        .globl  main                            // -- Begin function main
        .p2align        2
        .type   main,@function
main:                                   // @main
        .cfi_startproc
// %bb.0:
        sub     sp, sp, #48
        .cfi_def_cfa_offset 48
        mov     w0, wzr
        str     wzr, [sp, #44]
        fmov    s0, #1.50000000
        str     s0, [sp, #40]
        fmov    s0, #2.25000000
        str     s0, [sp, #36]
        fmov    d0, #3.12500000
        str     d0, [sp, #24]
        mov     x8, #140737488355328            // =0x800000000000
        movk    x8, #16403, lsl #48
        fmov    d0, x8
        str     d0, [sp, #16]
        ldr     s0, [sp, #40]
        ldr     s1, [sp, #36]
        fadd    s0, s0, s1
        str     s0, [sp, #12]
        ldr     d0, [sp, #24]
        ldr     d1, [sp, #16]
        fadd    d0, d0, d1
        str     d0, [sp]
        add     sp, sp, #48
        .cfi_def_cfa_offset 0
        ret
.Lfunc_end0:
        .size   main, .Lfunc_end0-main
        .cfi_endproc
                                        // -- End function
        .ident  "clang version 20.1.8"
        .section        ".note.GNU-stack","",@progbits

アセンブリの解説

32ビット

mov rX, #0は全ビットを0で初期化している。
movtは上位16ビットのみに書き込む命令。
全ビットを0で初期化した後にmovt命令にて上位16ビットを書き換えることで、下位16ビットは0のままとなる。(＝下位16ビットに余計なデータが入らないことを保障できる)

strdは指定したレジスタrXｔとrX+12つのレジスタに保存された値を64ビットの値としてメモリへ保存する。
具体的にはstrd rX, [rY] ; rX:rX+1 の64bitを [rY] に書き込む

float 1.5

1.5の浮動小数点形式は1069547520

mov     r3, #1069547520
str     r3, [r7, #36]   @ float

float 2.25

2.25の浮動小数点形式は1074790400

r3の上位16ビットに16400を書き込むと、r3 = 0x40100000 (1074790400)

mov     r3, #0
movt    r3, 16400
str     r3, [r7, #32]   @ float

double 3.125

3.125の浮動小数点形式は1074331648

r3の上位16ビットに16393を書き込むと、r3 = 0x40090000 (1074331648)

[r7+24] = 0x00000000 ; 下位32bit
[r7+28] = 0x40090000 ; 上位32bit

mov     r2, #0 @ 下位32bit
mov     r3, #0 @ 上位32bit
movt    r3, 16393
strd    r2, [r7, #24]

double 4.875

4.875の浮動小数点形式は1075019776

[r7+16] = r2 = 0x00000000 ; 下位32bit
[r7+20] = r3 = 0x400B8000 ; 上位32bit

mov     r2, #0
mov     r3, #32768
movt    r3, 16403
strd    r2, [r7, #16]

floatの加算

sレジスタ：単精度（32bit float）用

s14 = 1.5
s15 = 2.25
s15 = s14 + s15

vldr.32 s14, [r7, #36]
vldr.32 s15, [r7, #32]
vadd.f32        s15, s14, s15
vstr.32 s15, [r7, #12]

doubleの加算

dレジスタ：倍精度（64bit double）用

使用するレジスタと命令が違うだけで処理の方法は同じ。

vldr.64 d6, [r7, #24]
vldr.64 d7, [r7, #16]
vadd.f64        d7, d6, d7
vstr.64 d7, [r7]

64ビット

即値は10進数で書けるようになっている。

float 1.5

fmov    s0, #1.50000000
str     s0, [sp, #40]

float 2.25

fmov    s0, #2.25000000
str     s0, [sp, #36]

double 3.125

fmov    d0, #3.12500000
str     d0, [sp, #24]

double 4.875

mov     x8, #140737488355328            // =0x800000000000
movk    x8, #16403, lsl #48
fmov    d0, x8
str     d0, [sp, #16]

floatの加算

ldr     s0, [sp, #40]
ldr     s1, [sp, #36]
fadd    s0, s0, s1

doubleの加算

str     s0, [sp, #12]
ldr     d0, [sp, #24]
ldr     d1, [sp, #16]
fadd    d0, d0, d1

動作環境

上の携帯が64ビット、下のARM機が32ビット

32bit

動作環境（Linux / ARM 版）

• OS: Armbian 23.08.0-trunk (Debian 12 Bookworm)
• Kernel: Linux 6.1.38-meson (armv7l)
• CPU: ARM Cortex-A5, 4 cores, Little Endian
• GCC: 12.2.0
• Architecture: armv7l
• 備考: Windows10からSSH接続して使用

動作環境確認コマンドは以下の通り

uname -a
cat /etc/os-release
gcc --version
lscpu

64bit

OPPO-A5-2020
Termux

Termuxの使い方は以前以下の記事にて纏めています。
不要になったアンドロイドをLinuxサーバにする　Termuxを試す