Почему float в контроллерах — плохо.

Иногда мне приходится видеть, как некоторые товарищи, особенно ардуинофилы, бодро используют тип float при вычислениях вроде «y=1+1» на контроллерах типа младших AVR, PIC, MSP430 или других, на которых FPU отродясь не было. Такой код вызывает сочувствие к человеку, его написавшему, ибо написать его может либо совсем зеленый неофит, либо закоренелый дилетант.

Наверное, теоретически могут быть исключения. Но в своей практике я никогда не встречался со случаями, в которых использование плавающей точки в подобных условиях было бы действительно оправдано.

Вообще говоря, поводом к написанию этого поста послужило то, что сегодня я дописал свою реализацию алгоритма Гёрцеля в двух вариантах — с плавающей точкой и с фиксированной. Если у меня выдастся время, про сам алгоритм и про процесс написания еще будут статьи, ибо приключений в процессе было достаточно. Пока же те, кто не знают, что это за алгоритм, могут почитать про него в Википедии. Вкратце — это такой радикально упрощенный вид ДПФ, позволяющий вычислить значение всего одного выбранного частотного компонента. В силу своей простоты он пригоден для выполнения на мелких микроконтроллерах. Однако он, конечно, требует работы с вещественными числами.

Итак, дописал я его, и решил скомпилировать в AVR Studio обе версии и сравнить их быстродействие с помощью встроенного симулятора. Ниже приведены результаты, полученные в следующих услових:

1. Учитывалось только время работы основного алгоритма (путем замера в симуляторе времени выполнения функции в тактах), без вычисления используемого коэффициента.
2. Размер буфера данных для обоих версий составлял 80 байт.
3. Программы идентичны с точностью до названия функции и типов переменных. Интересующиеся могут поглядеть на листинги внизу статьи.

Итак, для версии с фиксированной точкой:

Размер скомпилированной программы: 628 байт.
Время работы алгоритма: 13516 тактов, 1,69 мс при тактовой частоте 8 МГц.

Для версии с плавающей точкой:

Размер скомпилированной программы: 3740 байт.
Время работы алгоритма: 166001 такт, 20,75 мс при тактовой частоте 8 МГц.

По размеру разница в шесть (!) раз, по скорости — в двенадцать раз! Именно столько теряют любители float в контроллерах. Практически это означает, что реализацию с фиксированной точкой можно использовать, например, в ATmega48, и еще останется больше трех килобайт для остального кода, а вот версия с плавающей точкой туда просто не уместится, для нее потребуется как минимум ATmega88, и то будет съедена почти половина памяти.

Листинги тестовых программ.

С фиксированной точкой:

#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

#include "goertzel.h"

#define FREQ_CONST        fix_fill(1,414)

volatile uint8_t buffer[BLOCK_SIZE];
volatile fixed result;

void main(void)
{
  result=0;

  result=GzFix_GetFreqMagnitude(buffer,FREQ_CONST);

  result=0;

  while (1);
}

fixed — мой самописный тип данных с фиксированной точкой. Из тридцати двух бит под дробную часть отдается десять.

fix_fill() — самописный макрос, формирующий число с фиксированной точкой из целой и дробной части.

С плавающей точкой:

#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

#include "goertzel.h"

#define FREQ_CONST        1.414

volatile uint8_t buffer[BLOCK_SIZE];
volatile float result;

void main(void)
{
  result=0;

  result=Gz_GetFreqMagnitude(buffer,FREQ_CONST);

  result=0;

  while (1);
}