單片機(jī)C語言優(yōu)化技巧
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一、程序結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
1、程序的書寫結(jié)構(gòu)
雖然書寫格式并不會影響生成的代碼質(zhì)量，但是在實(shí)際編寫程序時還是應(yīng)該尊循一定的書寫規(guī)則，一個書寫清晰、明了的程序，有利于以后的維護(hù)。在書寫程序時，特別是對于While、for、do…while、if…elst、switch…case 等語句或這些語句嵌套組合時，應(yīng)采用“縮格”的書寫形式，
2、標(biāo)識符
程序中使用的用戶標(biāo)識符除要遵循標(biāo)識符的命名規(guī)則以外，一般不要用代數(shù)符號(如a、b、x1、y1)作為變量名，應(yīng)選取具有相關(guān)含義的英文單詞(或縮寫)或漢語拼音作為標(biāo)識符，以增加程序的可讀性，如：
count、number1、red、work 等。
3、程序結(jié)構(gòu)
C 語言是一種高級程序設(shè)計(jì)語言，提供了十分完備的規(guī)范化流程控制結(jié)構(gòu)。因此在采用C 語言設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序時，首先要注意盡可能采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，這樣可使整個應(yīng)用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和維護(hù)。于一個較大的應(yīng)用程序，通常將整個程序按功能分成若干個模塊，不同模塊完成不同的功能。各個模塊可以分別編寫，甚至還可以由不同的程序員編寫，一般單個模塊完成的功能較為簡單，設(shè)計(jì)和調(diào)試也相對容易一些。在C 語言中，一個函數(shù)就可以認(rèn)為是一個模塊。所謂程序模塊化，不僅是要將整個程序劃分成若干個功能模塊，更重要的是，還應(yīng)該注意保持各個模塊之間變量的相對獨(dú)立性，即保持模塊的獨(dú)立性，盡量少使用全局變量等。對于一些常用的功能模塊，還可以封裝為一個應(yīng)用程序庫，以便需要時可以直接調(diào)用。但是在使用模塊化時，如果將模塊分成太細(xì)太小，又會導(dǎo)致程序的執(zhí)行效率變低(進(jìn)入和退出一個函數(shù)時保護(hù)和恢復(fù)寄存器占用了一些時間)。
4、定義常數(shù)
在程序化設(shè)計(jì)過程中，對于經(jīng)常使用的一些常數(shù)，如果將它直接寫到程序中去，一旦常數(shù)的數(shù)值發(fā)生變化，就必須逐個找出程序中所有的常數(shù)，并逐一進(jìn)行修改，這樣必然會降低程序的可維護(hù)性。因此，應(yīng)盡量當(dāng)采用預(yù)處理命令方式來定義常數(shù)，而且還可以避免輸入錯誤。
5、減少判斷語句
能夠使用條件編譯(ifdef)的地方就使用條件編譯而不使用if 語句，有利于減少編譯生成的代碼的長度。
6、表達(dá)式
對于一個表達(dá)式中各種運(yùn)算執(zhí)行的優(yōu)先順序不太明確或容易混淆的地方，應(yīng)當(dāng)采用圓括號明確指定它們的優(yōu)先順序。一個表達(dá)式通常不能寫得太復(fù)雜，如果表達(dá)式太復(fù)雜，時間久了以后，自己也不容易看得懂，不利于以后的維護(hù)。
7、函數(shù)
對于程序中的函數(shù)，在使用之前，應(yīng)對函數(shù)的類型進(jìn)行說明，對函數(shù)類型的說明必須保證它與原來定義的函數(shù)類型一致，對于沒有參數(shù)和沒有返回值類型的函數(shù)應(yīng)加上“void”說明。如果果需要縮短代碼的長度，可以將程序中一些公共的程序段定義為函數(shù)，在Keil 中的高級別優(yōu)化就是這樣的。如果需要縮短程序的執(zhí)行時間，在程序調(diào)試結(jié)束后，將部分函數(shù)用宏定義來代替。注意，應(yīng)該在程序調(diào)試結(jié)束后再定義宏，因?yàn)榇蠖鄶?shù)編譯系統(tǒng)在宏展開之后才會報錯，這樣會增加排錯的難度。
8、盡量少用全局變量，多用局部變量。因?yàn)槿肿兞渴欠旁跀?shù)據(jù)存儲器中，定義一個全局變量，MCU 就少一個可以利用的數(shù)據(jù)存儲器空間，如果定義了太多的全局變量，會導(dǎo)致編譯器無足夠的內(nèi)存可以分配。而局部變量大多定位于MCU 內(nèi)部的寄存器中，在絕大多數(shù)MCU 中，使用寄存器操作速度比數(shù)據(jù)存儲器快，指令也更多更靈活，有利于生成質(zhì)量更高的代碼，而且局部變量所的占用的寄存器和數(shù)據(jù)存儲器在不同的模塊中可以重復(fù)利用。
9、設(shè)定合適的編譯程序選項(xiàng)
許多編譯程序有幾種不同的優(yōu)化選項(xiàng)，在使用前應(yīng)理解各優(yōu)化選項(xiàng)的含義，然后選用最合適的一種優(yōu)化方式。通常情況下一旦選用最高級優(yōu)化，編譯程序會近乎病態(tài)地追求代碼優(yōu)化，可能會影響程序的正確性，導(dǎo)致程序運(yùn)行出錯。因此應(yīng)熟悉所使用的編譯器，應(yīng)知道哪些參數(shù)在優(yōu)化時會受到影響，哪些參數(shù)不會受到影響。
在ICCAVR 中，有“Default”和“Enable Code Compression”兩個優(yōu)化選項(xiàng)。
在CodeVisionAVR 中，“Tiny”和“small”兩種內(nèi)存模式。
在IAR ==有7 種不同的內(nèi)存模式選項(xiàng)。
在GCCAVR 中優(yōu)化選項(xiàng)更多，一不小心更容易選到不恰當(dāng)?shù)倪x項(xiàng)。
二、代碼的優(yōu)化
1、選擇合適的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
應(yīng)該熟悉算法語言，知道各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，具體資料請參見相應(yīng)的參考資料，有很多計(jì)算機(jī)書籍上都有介紹。將比較慢的順序查找法用較快的二分查找或亂序查找法代替，插入排序或冒泡排序法用快速排序、合并排序或根排序代替，都可以大大提高程序執(zhí)行的效率。.選擇一種合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也很重要，比如你在一堆隨機(jī)存放的數(shù)中使用了大量的插入和刪除指令，那使用鏈表要快得多。
數(shù)組與指針具有十分密碼的關(guān)系，一般來說，指針比較靈活簡潔，而數(shù)組則比較直觀，容易理解。對于大部分的編譯器，使用指針比使用數(shù)組生成的代碼更短，執(zhí)行效率更高。但是在Keil 中則相反，使用數(shù)組比使用的指針生成的代碼更短。
2、使用盡量小的數(shù)據(jù)類型
能夠使用字符型(char)定義的變量，就不要使用整型(int)變量來定義；能夠使用整型變量定義的變量就不要用長整型(long int)，能不使用浮點(diǎn)型(float)變量就不要使用浮點(diǎn)型變量。當(dāng)然，在定義變量后不要超過變量的作用范圍，如果超過變量的范圍賦值，C 編譯器并不報錯，但程序運(yùn)行結(jié)果卻錯了，而且這樣的錯誤很難發(fā)現(xiàn)。在ICCAVR 中，可以在Options 中設(shè)定使用printf 參數(shù)，盡量使用基本型參數(shù)(%c、%d、%x、%X、%u 和%s 格式說明符)，少用長整型參數(shù)(%ld、%lu、%lx 和%lX 格式說明符)，至于浮點(diǎn)型的參數(shù)(%f)則盡量不要使用，其它C 編譯器也一樣。在其它條件不變的情況下，使用%f 參數(shù)，會使生成的代碼的數(shù)量增加很多，執(zhí)行速度降低。
3、使用自加、自減指令
通常使用自加、自減指令和復(fù)合賦值表達(dá)式(如a-=1 及a+=1 等)都能夠生成高質(zhì)量的程序代碼，編譯器通常都能夠生成inc 和dec 之類的指令，而使用a=a+1 或a=a-1 之類的指令，有很多C 編譯器都會生成二到三個字節(jié)的指令。在AVR 單片適用的ICCAVR、GCCAVR、IAR 等C 編譯器以上幾種書寫方式生成的代碼是一樣的，也能夠生成高質(zhì)量的inc 和dec 之類的的代碼。
4、減少運(yùn)算的強(qiáng)度
可以使用運(yùn)算量小但功能相同的表達(dá)式替換原來復(fù)雜的的表達(dá)式。如下：
(1)、求余運(yùn)算。
a=a%8;
可以改為：
a=a&7;
說明：位操作只需一個指令周期即可完成，而大部分的C 編譯器的“%”運(yùn)算均是調(diào)用子程序來完成，代碼長、執(zhí)行速度慢。通常，只要求是求2n 方的余數(shù)，均可使用位操作的方法來代替。
(2)、平方運(yùn)算
a=pow(a,2.0);
可以改為：
a=a*a;
說明：在有內(nèi)置硬件乘法器的單片機(jī)中(如51 系列)，乘法運(yùn)算比求平方運(yùn)算快得多，因?yàn)?strong>浮點(diǎn)數(shù)的求平方是通過調(diào)用子程序來實(shí)現(xiàn)的，在自帶硬件乘法器的AVR 單片機(jī)中，如ATMega163 中，乘法運(yùn)算只需2 個時鐘周期就可以完成。既使是在沒有內(nèi)置硬件乘法器的AVR 單片機(jī)中，乘法運(yùn)算的子程序比平方運(yùn)算的子程序代碼短，執(zhí)行速度快。
如果是求3 次方，如：
a=pow(a,3.0);
更改為：
a=a*a*a；
則效率的改善更明顯。
(3)、用移位實(shí)現(xiàn)乘除法運(yùn)算
a=a*4;
b=b/4;
可以改為：
a=a<<2;
b=b>>2;
說明：通常如果需要乘以或除以2n，都可以用移位的方法代替。在ICCAVR 中，如果乘以2n，都可以生成左移的代碼，而乘以其它的整數(shù)或除以任何數(shù)，均調(diào)用乘除法子程序。用移位的方法得到代碼比調(diào)用乘除法子程序生成的代碼效率高。實(shí)際上，只要是乘以或除以一個整數(shù)，均可以用移位的方法得到結(jié)果，如：
a=a*9
可以改為：
a=(a<<3)+a
5、循環(huán)
(1)、循環(huán)語
對于一些不需要循環(huán)變量參加運(yùn)算的任務(wù)可以把它們放到循環(huán)外面，這里的任務(wù)包括表達(dá)式、函數(shù)的調(diào)用、指針運(yùn)算、數(shù)組訪問等，應(yīng)該將沒有必要執(zhí)行多次的操作全部集合在一起，放到一個init 的初始化程序中進(jìn)行。
(2)、延時函數(shù)：
通常使用的延時函數(shù)均采用自加的形式：
voiddelay(void)
{
unsignedinti;
for(i=0;i<1000;i++);
}
將其改為自減延時函數(shù)：
voiddelay(void)
{
unsignedinti;
for(i=1000;i>0;i--);
}
兩個函數(shù)的延時效果相似，但幾乎所有的C 編譯對后一種函數(shù)生成的代碼均比前一種代碼少1~3 個字節(jié)，因?yàn)閹缀跛械腗CU 均有為0 轉(zhuǎn)移的指令，采用后一種方式能夠生成這類指令。
在使用while 循環(huán)時也一樣，使用自減指令控制循環(huán)會比使用自加指令控制循環(huán)生成的代碼更少1~3 個字母。
但是在循環(huán)中有通過循環(huán)變量“i”讀寫數(shù)組的指令時，使用預(yù)減循環(huán)時有可能使數(shù)組超界，要引起注意。
(3)while 循環(huán)和do…while 循環(huán)
用while 循環(huán)時有以下兩種循環(huán)形式：
unsignedinti;
i=0;
while(i<1000)
{
i++;
//用戶程序
}
或：
unsignedinti;
i=1000;
do
i--;
//用戶程序
while(i>0);
在這兩種循環(huán)中，使用do…while 循環(huán)編譯后生成的代碼的長度短于while 循環(huán)。
6、查表
在程序中一般不進(jìn)行非常復(fù)雜的運(yùn)算，如浮點(diǎn)數(shù)的乘除及開方等，以及一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型的插補(bǔ)運(yùn)算，對這些即消耗時間又消費(fèi)資源的運(yùn)算，應(yīng)盡量使用查表的方式，并且將數(shù)據(jù)表置于程序存儲區(qū)。如果直接生成所需的表比較困難，也盡量在啟動時先計(jì)算，然后在數(shù)據(jù)存儲器中生成所需的表，后以在程序運(yùn)行直接查表就可以了，減少了程序執(zhí)行過程中重復(fù)計(jì)算的工作量。
7、其它
比如使用在線匯編及將字符串和一些常量保存在程序存儲器中，均有利于優(yōu)化。
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