高效率嵌入式程序開發(fā)

摘  要：嵌入式系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用軟件的質(zhì)量要求很高，在嵌入式開發(fā)中須注意對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，盡可能地提高代碼效率。雖然C編譯器都提供了一定程度的代碼優(yōu)化，但大部分由編譯器執(zhí)行的優(yōu)化技術(shù)僅涉及執(zhí)行速度和代碼大小的平衡，不可能使程序既快又小，因而必須在編寫程序時(shí)采取必要的措施。本文針對(duì)高效率嵌入式程序開發(fā)提供了一些編程技巧，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)開發(fā)具有重要作用。

關(guān)鍵詞：編譯器; 程序開發(fā); 代碼優(yōu)化

引言

在多媒體、通信等計(jì)算復(fù)雜度高的應(yīng)用中，為了滿足制造費(fèi)用、功耗、性能以及實(shí)時(shí)性等諸多限制條件的要求，嵌入式系統(tǒng)程序往往需要特殊設(shè)計(jì)。這使得設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)面向特定應(yīng)用的嵌入式軟件時(shí)，需要有一套切實(shí)可行的編程準(zhǔn)則。而在實(shí)際程序設(shè)計(jì)中，工程師尤其需要考慮對(duì)變量的使用和循環(huán)程序的處理。

變量使用

在進(jìn)行實(shí)際程序開發(fā)時(shí)，變量的使用至關(guān)重要,其中使用全局變量比向函數(shù)傳遞參數(shù)更加有效，這樣免去了函數(shù)調(diào)用時(shí)參數(shù)入棧和出棧的需要。當(dāng)然，使用全局變量會(huì)對(duì)程序有一些副作用。變量定義的次序會(huì)導(dǎo)致最終映像中數(shù)據(jù)布局的不同，如圖1所示。

圖1 變量映像次序混亂狀況

由此可見，在聲明變量時(shí)，需要考慮怎樣最佳地控制存儲(chǔ)器布局。最好的方法是在編程的時(shí)候，把所有相同類型的變量放在一起定義。

通常，工程師設(shè)法使用short或char來(lái)定義變量以節(jié)省存儲(chǔ)器空間。在函數(shù)的局部變量數(shù)目有限的情況下，編譯器會(huì)把局部變量分配給內(nèi)部寄存器，每個(gè)變量占用一個(gè)寄存器。在這種情況下，使用short和char型變量不但不會(huì)節(jié)省空間，反而會(huì)帶來(lái)其它的副作用。如圖2所示：假定a是任意可能的寄存器，存儲(chǔ)函數(shù)的局部變量。同樣完成加1的操作，32位的int型變量最快，只用一條加法指令。

而8位和16位變量，完成加法操作后，還需要在32位的寄存器中進(jìn)行符號(hào)擴(kuò)展。其中，帶符號(hào)的變量，要用邏輯左移和算術(shù)右移兩條指令才能完成符號(hào)擴(kuò)展；無(wú)符號(hào)的變量，要使用一條邏輯與指令對(duì)符號(hào)位進(jìn)行清零。所以，使用32位的int或unsigned int局部變量最有效。某些情況下，函數(shù)從外部存儲(chǔ)器讀入局部變量進(jìn)行計(jì)算，這時(shí)候，需要把不是32位的變量轉(zhuǎn)換成32位。至于把8位或16位變量擴(kuò)展成32位后，隱藏了原來(lái)可能溢出異常這個(gè)問(wèn)題，需要進(jìn)一步仔細(xì)考慮。

圖2 不同類型局部變量的加法程序

在程序中，經(jīng)常會(huì)使用switch case語(yǔ)句，每一個(gè)由機(jī)器語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的測(cè)試和跳轉(zhuǎn)僅僅是為了決定下一步要做什么，就浪費(fèi)了處理器時(shí)間。為了提高速度，可以把具體的情況按照它們發(fā)生的相對(duì)頻率排序。即把最可能發(fā)生的情況放在第一，發(fā)生概率小的情況放在最后，這樣會(huì)減少代碼平均執(zhí)行時(shí)間。

通常，工程師總是竭力避免使用冗余變量，以精簡(jiǎn)程序。一般情況下這樣做是正確的，但是也有例外，如下所示：
int f(void);
int g(void);             
 file://f()和g()不訪問(wèn)全局變量errs
int errs;            file://全局變量
void test1(void)
{ errs += f();
                errs += g();
}
void test2(void)
{ int localerrs = errs;  
// 定義冗余的局部變量
     localerrs += f();
     localerrs += g();
     errs = localerrs;
}

在第一種情況test1()里，每次訪問(wèn)全局變量errs時(shí)都要先從相應(yīng)的存儲(chǔ)器下載到寄存器里，經(jīng)f()或g()函數(shù)調(diào)用后再存儲(chǔ)回原來(lái)的存儲(chǔ)器里面。在該例子中，一共要進(jìn)行兩次這樣的下載/存儲(chǔ)操作。而在第二種情況test2()里，局部變量localerrs被分配以寄存器，這樣一來(lái)，整個(gè)函數(shù)就只需要一次下載/存儲(chǔ)全局變量存儲(chǔ)器了。盡量節(jié)省存儲(chǔ)器訪問(wèn)的次數(shù)，對(duì)于提高系統(tǒng)性能非常有用。

循環(huán)程序的處理

計(jì)數(shù)循環(huán)是程序中常用的流程控制結(jié)構(gòu)。在C中，類似下面的for循環(huán)比比皆是：
for(loop=1；loop<=limit；loop++)
這種累加計(jì)數(shù)的方法符合一般的自然思維習(xí)慣，所以比下面的遞減計(jì)數(shù)方法使用更多：
for(loop<=limit；loop！=0； loop--)
這兩者在邏輯上并沒(méi)有效率差異，但是映射到具體的體系結(jié)構(gòu)中，就產(chǎn)生了很大的不同。

累加法比遞減法多用了一條指令，當(dāng)循環(huán)次數(shù)比較多的時(shí)候，這兩段代碼就會(huì)在性能上產(chǎn)生明顯的差異。分析其本質(zhì)原因，在于當(dāng)進(jìn)行一個(gè)非零常數(shù)比較時(shí)，必須用專門的CMP指令來(lái)執(zhí)行；而當(dāng)一個(gè)變量與零進(jìn)行比較時(shí)，ARM指令可以直接利用條件執(zhí)行的特性(NE)來(lái)進(jìn)行判斷。很多時(shí)候循環(huán)展開由編譯器自動(dòng)完成，不過(guò)應(yīng)注意對(duì)中間變量或結(jié)果被更改的循環(huán)，編譯程序往往拒絕展開，這時(shí)候就需要工程師自己來(lái)做展開工作了。

尤其值得注意的是，在有內(nèi)部指令cache的CPU上(如ARM946ES芯片)，因?yàn)檠h(huán)展開的代碼很大，往往會(huì)出現(xiàn)高速緩沖存儲(chǔ)器溢出。這時(shí)展開的代碼會(huì)頻繁地在CPU的高速緩沖存儲(chǔ)器和內(nèi)存之間來(lái)回調(diào)用，又因?yàn)楦咚倬彌_存儲(chǔ)器速度很高，所以此時(shí)循環(huán)展開反而會(huì)變慢。同時(shí)，循環(huán)展開會(huì)影響矢量運(yùn)算優(yōu)化。

ARM處理器核對(duì)NZ(零比較轉(zhuǎn)移)有特別的指令處理，速度非?？?，如果你的循環(huán)對(duì)方向不敏感，可以由大向小循環(huán)。需要注意的是，如果指針操作使用了i值，這種方法可能引起指針?biāo)饕绲膰?yán)重錯(cuò)誤(i = MAX+1)。當(dāng)然你可以通過(guò)對(duì)i做加減運(yùn)算來(lái)糾正，但是如果這樣就沒(méi)有提高效率的作用了。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)高效率嵌入式ARM程序開發(fā)總結(jié)了一些編程技巧。在實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，可以大大的提高系統(tǒng)的性能，特別是在多媒體和通信等復(fù)雜度高的應(yīng)用中，對(duì)程序設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。■

參考文獻(xiàn)：

1 Marshall P. Cline and Greg A. Lomow. C++ FAQs, Addison-Wesley, 1995
2 Bruce Eckel. Thinking in C++(C++ 編程思想，劉宗田 等譯)，機(jī)械工業(yè)出版社，2000