C語(yǔ)言嵌入式系統(tǒng)編程修煉之六:性能優(yōu)化！
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在C語(yǔ)言中，宏是產(chǎn)生內(nèi)嵌代碼的唯一方法。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，為了能達(dá)到性能要求，宏是一種很好的代替函數(shù)的方法。
寫(xiě)一個(gè)"標(biāo)準(zhǔn)"宏MIN ，這個(gè)宏輸入兩個(gè)參數(shù)并返回較小的一個(gè)：
錯(cuò)誤做法：
| #define MIN(A,B) ( A <= B ? A : B ) |
正確做法：
| #define MIN(A,B) （（A）<= (B) ? (A) :(B) ) |
對(duì)于宏，我們需要知道三點(diǎn)：
(1)宏定義"像"函數(shù)；
(2)宏定義不是函數(shù)，因而需要括上所有"參數(shù)"；
(3)宏定義可能產(chǎn)生副作用。
下面的代碼：
| least = MIN(*p++, b); |
將被替換為：
| ( (*p++) <= (b) ?(*p++):(b) ) |
發(fā)生的事情無(wú)法預(yù)料。
因而不要給宏定義傳入有副作用的"參數(shù)"。
使用寄存器變量
當(dāng)對(duì)一個(gè)變量頻繁被讀寫(xiě)時(shí)，需要反復(fù)訪問(wèn)內(nèi)存，從而花費(fèi)大量的存取時(shí)間。為此，C語(yǔ)言提供了一種變量，即寄存器變量。這種變量存放在CPU的寄存器中，使用時(shí)，不需要訪問(wèn)內(nèi)存，而直接從寄存器中讀寫(xiě)，從而提高效率。寄存器變量的說(shuō)明符是register。對(duì)于循環(huán)次數(shù)較多的循環(huán)控制變量及循環(huán)體內(nèi)反復(fù)使用的變量均可定義為寄存器變量，而循環(huán)計(jì)數(shù)是應(yīng)用寄存器變量的最好候選者。
(1) 只有局部自動(dòng)變量和形參才可以定義為寄存器變量。因?yàn)榧拇嫫髯兞繉儆趧?dòng)態(tài)存儲(chǔ)方式，凡需要采用靜態(tài)存儲(chǔ)方式的量都不能定義為寄存器變量，包括：模塊間全局變量、模塊內(nèi)全局變量、局部static變量；
(2) register是一個(gè)"建議"型關(guān)鍵字，意指程序建議該變量放在寄存器中，但最終該變量可能因?yàn)闂l件不滿足并未成為寄存器變量，而是被放在了存儲(chǔ)器中，但編譯器中并不報(bào)錯(cuò)（在C++語(yǔ)言中有另一個(gè)"建議"型關(guān)鍵字：inline）。
下面是一個(gè)采用寄存器變量的例子：
| /* 求1+2+3+….+n的值 */ WORD Addition(BYTE n) { register i,s=0; for(i=1;i<=n;i++) { s=s+i; } return s; } |
本程序循環(huán)n次，i和s都被頻繁使用，因此可定義為寄存器變量。
內(nèi)嵌匯編
程序中對(duì)時(shí)間要求苛刻的部分可以用內(nèi)嵌匯編來(lái)重寫(xiě)，以帶來(lái)速度上的顯著提高。但是，開(kāi)發(fā)和測(cè)試匯編代碼是一件辛苦的工作，它將花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間，因而要慎重選擇要用匯編的部分。
在程序中，存在一個(gè)80-20原則，即20%的程序消耗了80%的運(yùn)行時(shí)間，因而我們要改進(jìn)效率，最主要是考慮改進(jìn)那20%的代碼。
嵌入式C程序中主要使用在線匯編，即在C程序中直接插入_asm{ }內(nèi)嵌匯編語(yǔ)句：
| /* 把兩個(gè)輸入?yún)?shù)的值相加，結(jié)果存放到另外一個(gè)全局變量中 */ int result; void Add(long a, long *b) { _asm { MOV AX, a MOV BX, b ADD AX, [BX] MOV result, AX } } |
利用硬件特性
首先要明白CPU對(duì)各種存儲(chǔ)器的訪問(wèn)速度，基本上是：
CPU內(nèi)部RAM > 外部同步RAM > 外部異步RAM > FLASH/ROM
對(duì)于程序代碼，已經(jīng)被燒錄在FLASH或ROM中，我們可以讓CPU直接從其中讀取代碼執(zhí)行，但通常這不是一個(gè)好辦法，我們最好在系統(tǒng)啟動(dòng)后將FLASH或ROM中的目標(biāo)代碼拷貝入RAM中后再執(zhí)行以提高取指令速度；
對(duì)于UART等設(shè)備，其內(nèi)部有一定容量的接收BUFFER，我們應(yīng)盡量在BUFFER被占滿后再向CPU提出中斷。例如計(jì)算機(jī)終端在向目標(biāo)機(jī)通過(guò)RS-232傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，不宜設(shè)置UART只接收到一個(gè)BYTE就向CPU提中斷，從而無(wú)謂浪費(fèi)中斷處理時(shí)間；
如果對(duì)某設(shè)備能采取DMA方式讀取，就采用DMA讀取，DMA讀取方式在讀取目標(biāo)中包含的存儲(chǔ)信息較大時(shí)效率較高，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菈K，而所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的（或者相反）。DMA方式較之中斷驅(qū)動(dòng)方式，減少了CPU 對(duì)外設(shè)的干預(yù)，進(jìn)一步提高了CPU與外設(shè)的并行操作程度。
活用位操作
使用C語(yǔ)言的位操作可以減少除法和取模的運(yùn)算。在計(jì)算機(jī)程序中數(shù)據(jù)的位是可以操作的最小數(shù)據(jù)單位，理論上可以用"位運(yùn)算"來(lái)完成所有的運(yùn)算和操作，因而，靈活的位操作可以有效地提高程序運(yùn)行的效率。舉例如下：
| /* 方法1 */ int i,j; i = 879 / 16; j = 562 % 32; /* 方法2 */ int i,j; i = 879 >> 4; j = 562 - (562 >> 5 << 5); |
對(duì)于以2的指數(shù)次方為"*"、"/"或"%"因子的數(shù)學(xué)運(yùn)算，轉(zhuǎn)化為移位運(yùn)算"<< >>"通?？梢蕴岣咚惴ㄐ省Ｒ?yàn)槌顺\(yùn)算指令周期通常比移位運(yùn)算大。
C語(yǔ)言位運(yùn)算除了可以提高運(yùn)算效率外，在嵌入式系統(tǒng)的編程中，它的另一個(gè)最典型的應(yīng)用，而且十分廣泛地正在被使用著的是位間的與（&）、或（|）、非（~）操作，這跟嵌入式系統(tǒng)的編程特點(diǎn)有很大關(guān)系。我們通常要對(duì)硬件寄存器進(jìn)行位設(shè)置，譬如，我們通過(guò)將AM186ER型80186處理器的中斷屏蔽控制寄存器的第低6位設(shè)置為0（開(kāi)中斷2），最通用的做法是：
| #define INT_I2_MASK 0x0040 wTemp = inword(INT_MASK); outword(INT_MASK, wTemp &~INT_I2_MASK); |
而將該位設(shè)置為1的做法是：
| #define INT_I2_MASK 0x0040 wTemp = inword(INT_MASK); outword(INT_MASK, wTemp | INT_I2_MASK); |
判斷該位是否為1的做法是：
| #define INT_I2_MASK 0x0040 wTemp = inword(INT_MASK); if(wTemp & INT_I2_MASK) { … /* 該位為1 */ } |
上述方法在嵌入式系統(tǒng)的編程中是非常常見(jiàn)的，我們需要牢固掌握。
總結(jié)
在性能優(yōu)化方面永遠(yuǎn)注意80-20準(zhǔn)備，不要優(yōu)化程序中開(kāi)銷(xiāo)不大的那80%，這是勞而無(wú)功的。
宏定義是C語(yǔ)言中實(shí)現(xiàn)類似函數(shù)功能而又不具函數(shù)調(diào)用和返回開(kāi)銷(xiāo)的較好方法，但宏在本質(zhì)上不是函數(shù)，因而要防止宏展開(kāi)后出現(xiàn)不可預(yù)料的結(jié)果，對(duì)宏的定義和使用要慎而處之。很遺憾，標(biāo)準(zhǔn)C至今沒(méi)有包括C++中inline函數(shù)的功能，inline函數(shù)兼具無(wú)調(diào)用開(kāi)銷(xiāo)和安全的優(yōu)點(diǎn)。
使用寄存器變量、內(nèi)嵌匯編和活用位操作也是提高程序效率的有效方法。
除了編程上的技巧外，為提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，我們通常也需要最大可能地利用各種硬件設(shè)備自身的特點(diǎn)來(lái)減小其運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)銷(xiāo)，例如減小中斷次數(shù)、利用DMA傳輸方式等。
評(píng)論