與編譯器開發(fā)商密切合作優(yōu)化微控制器開發(fā)

微控制器開發(fā)團隊與編譯器開發(fā)人員的合作成果是生成的代碼效率更高，性能更好。本文介紹的是為了使ATMEL AVR微控制器系列更適合C編譯器，開發(fā)者在編譯器開發(fā)階段對微控制器架構(gòu)和指令集所進行的調(diào)整。

AVR架構(gòu)的核心是一個可快速訪問RISC寄存器文件。該文件由32個8位通用寄存器構(gòu)成。微控制器可在一個單時鐘周期內(nèi)加載該文件中的任意兩個寄存器到算術(shù)邏輯單元(Arithmetic Logical Unit, ALU)，完成所要求的操作，將結(jié)果寫回到任意一個寄存器。ALU支持寄存器間或某一寄存器與一個常數(shù)之間的運算和邏輯功能，單寄存器操作也是在ALU中執(zhí)行的。微控制器使用一個哈佛(Harvard)架構(gòu)，在該架構(gòu)中，程序存儲器空間與數(shù)據(jù)存儲器空間是相互隔離的。程序存儲器采用單級管道訪問技術(shù)，當一條指令被執(zhí)行的同時，下一條指令已從程序存儲器中被預(yù)先提取。由于其算術(shù)和邏輯操作都真正地在單周期內(nèi)完成，因此AVR微控制器的性能達到每MHz一個MIPS。

圖1 AVR 架構(gòu)

細調(diào)微控制器
采用高級語言(High Level Languange, HLL)代替匯編語言來開發(fā)微控制器應(yīng)用程序有許多優(yōu)勢，但一直都有一個重大缺點，即代碼量不斷增加。我們在開發(fā)AVR微控制器時考慮了使用C語言來開發(fā)應(yīng)用，使得我們有可能為器件構(gòu)建出一個高效C編譯器。為了進一步提升這項特性，我們在AVR的架構(gòu)和指令集未完成前就開始著手C編譯器的開發(fā)。我們先讓瑞典 IAR Systems的編譯器專業(yè)開發(fā)人員對我們的AVR架構(gòu)和指令集進行評測，最后開發(fā)出非常適合運行C編譯器生成代碼的微控制器。

尋址模式
為讓編譯器生成高效的代碼，重要的是讓尋址模式匹配C語言的需要。AVR架構(gòu)原來配了兩個指針寄存器(Pointer Register)。這兩個指針可用于間接尋址、算后增量(post increment)間接尋址、算前減量(pre-decrement)間接尋址，以及帶位移(displacement)的間接尋址，能夠很好地支持指針操作。此外，還有一個用于訪問數(shù)據(jù)存儲器中變量的頁面直接尋址模式。

指針位移
帶位移的間接尋址是一種非常有用的尋址模式，即使從C編譯器的角度亦如此。例如，將指針指向某一結(jié)構(gòu)(struct)的第一個成員，就可以訪問該結(jié)構(gòu)內(nèi)位移量所允許的其他任何位置，無須變更16位指針。帶位移的間接尋址模式也常常用于訪問軟件堆棧上的變量。函數(shù)參數(shù)和autos常常放在軟件堆棧上，這樣，不用變更指針就可進行讀寫操作。位移尋址在定位數(shù)組成員(addressing elements in an array)時也非常有用。

盡管位移模式在許多情況下非常有用，但仍存在一個位移受限的問題。位移原本被限制在16個位置以內(nèi)，而實際應(yīng)用往往超出該數(shù)量。這樣，在位移模式無法訪問的位置，就必須加載一個新的指針。為擴展位移模式的訪問范圍，我們不得不改變指令集的其他部分，以獲得足夠的編碼空間。同時，我們還得知，C編譯器很難使用頁面直接尋址模式。于是，取消了頁面直接尋址模式，使用騰出的空間將位移模式擴展為64個位置，足以滿足大多數(shù)間接尋址的要求。原來的頁面直接尋址模式變成一個兩個字長的非頁面直接尋址模式。

存儲器指針數(shù)
AVR微控制器原來配置了兩個16位存儲器指針。如要采用C編譯器，那么其中一個指針必須專門用作軟件堆棧，這樣，就只剩一個存儲器指針。在許多情況下，需要將存儲器從一個區(qū)域復(fù)制到另一個區(qū)域。但由于只有一個指針，需要讀1字節(jié)，設(shè)置指針，確定寫入目標位置，寫入這字節(jié)，然后再將指針設(shè)回數(shù)據(jù)源位置。如果增加第三個存儲器指針(精簡功能)，完成存儲器區(qū)域復(fù)制就不需要設(shè)置指針。如下例所示，只要使用算后增量間接尋址模式就可構(gòu)建非常高效的存儲器讀寫循環(huán)(假設(shè)：將指針Z指向源的第一字節(jié)，X指向目標的第一字節(jié))：

LDI R16,0x60 ;Load byte count
loop: LD R17,Z+ ;Load byte,
increment pointer
　ST X+,R17 ;Store
byte, increment pointer
　SUBI R16,1;Decrement
counter
BRNE loop; Branch
if more bytes
具備指針算后增量(post increment)、算前減量(pre-decrement) (+1、-1)操作的可能性對于實現(xiàn)堆棧也非常有效。這當然也可用于軟件運行時間堆棧。