高效率嵌入式程序开发

摘  要：嵌入式系统对应用软件的质量要求很高，在嵌入式开发中须注意对代码进行优化，尽可能地提高代码效率。虽然C编译器都提供了一定程度的代码优化，但大部分由编译器执行的优化技术仅涉及执行速度和代码大小的平衡，不可能使程序既快又小，因而必须在编写程序时采取必要的措施。本文针对高效率嵌入式程序开发提供了一些编程技巧，对实际系统开发具有重要作用。
关键词：编译器; 程序开发; 代码优化

引言
    在多媒体、通信等计算复杂度高的应用中，为了满足制造费用、功耗、性能以及实时性等诸多限制条件的要求，嵌入式系统程序往往需要特殊设计。这使得设计师在设计面向特定应用的嵌入式软件时，需要有一套切实可行的编程准则。而在实际程序设计中，工程师尤其需要考虑对变量的使用和循环程序的处理。

变量使用
    在进行实际程序开发时，变量的使用至关重要,其中使用全局变量比向函数传递参数更加有效，这样免去了函数调用时参数入栈和出栈的需要。当然，使用全局变量会对程序有一些副作用。变量定义的次序会导致最终映像中数据布局的不同，如图1所示。

                     图1 变量映像次序混乱状况

    由此可见，在声明变量时，需要考虑怎样最佳地控制存储器布局。最好的方法是在编程的时候，把所有相同类型的变量放在一起定义。

    通常，工程师设法使用short或char来定义变量以节省存储器空间。在函数的局部变量数目有限的情况下，编译器会把局部变量分配给内部寄存器，每个变量占用一个寄存器。在这种情况下，使用short和char型变量不但不会节省空间，反而会带来其它的副作用。如图2所示：假定a是任意可能的寄存器，存储函数的局部变量。同样完成加1的操作，32位的int型变量最快，只用一条加法指令。而8位和16位变量，完成加法操作后，还需要在32位的寄存器中进行符号扩展。其中，带符号的变量，要用逻辑左移和算术右移两条指令才能完成符号扩展；无符号的变量，要使用一条逻辑与指令对符号位进行清零。所以，使用32位的int或unsigned int局部变量最有效。某些情况下，函数从外部存储器读入局部变量进行计算，这时候，需要把不是32位的变量转换成32位。至于把8位或16位变量扩展成32位后，隐藏了原来可能溢出异常这个问题，需要进一步仔细考虑。

         图2 不同类型局部变量的加法程序

    在程序中，经常会使用switch case语句，每一个由机器语言实现的测试和跳转仅仅是为了决定下一步要做什么，就浪费了处理器时间。为了提高速度，可以把具体的情况按照它们发生的相对频率排序。即把最可能发生的情况放在第一，发生概率小的情况放在最后，这样会减少代码平均执行时间。

    通常，工程师总是竭力避免使用冗余变量，以精简程序。一般情况下这样做是正确的，但是也有例外，如下所示：
int f(void);
int g(void);             
 ()和g()不访问全局变量errs
int errs;            局变量
void test1(void)
{ errs += f();
                errs += g();
}
void test2(void)
{ int localerrs = errs;  
// 定义冗余的局部变量
     localerrs += f();
     localerrs += g();
     errs = localerrs;
}
    在第一种情况test1()里，每次访问全局变量errs时都要先从相应的存储器下载到寄存器里，经f()或g()函数调用后再存储回原来的存储器里面。在该例子中，一共要进行两次这样的下载/存储操作。而在第二种情况test2()里，局部变量localerrs被分配以寄存器，这样一来，整个函数就只需要一次下载/存储全局变量存储器了。尽量节省存储器访问的次数，对于提高系统性能非常有用。

循环程序的处理
    计数循环是程序中常用的流程控制结构。在C中，类似下面的for循环比比皆是：
    for(loop=1；loop<=limit；loop++)

    这种累加计数的方法符合一般的自然思维习惯，所以比下面的递减计数方法使用更多：
    for(loop<=limit；loop！=0； loop--)
    这两者在逻辑上并没有效率差异，但是映射到具体的体系结构中，就产生了很大的不同。

    累加法比递减法多用了一条指令，当循环次数比较多的时候，这两段代码就会在性能上产生明显的差异。分析其本质原因，在于当进行一个非零常数比较时，必须用专门的CMP指令来执行；而当一个变量与零进行比较时，ARM指令可以直接利用条件执行的特性(NE)来进行判断。很多时候循环展开由编译器自动完成，不过应注意对中间变量或结果被更改的循环，编译程序往往拒绝展开，这时候就需要工程师自己来做展开工作了。

    尤其值得注意的是，在有内部指令cache的CPU上(如ARM946ES芯片)，因为循环展开的代码很大，往往会出现高速缓冲存储器溢出。这时展开的代码会频繁地在CPU的高速缓冲存储器和内存之间来回调用，又因为高速缓冲存储器速度很高，所以此时循环展开反而会变慢。同时，循环展开会影响矢量运算优化。

    ARM处理器核对NZ(零比较转移)有特别的指令处理，速度非常快，如果你的循环对方向不敏感，可以由大向小循环。需要注意的是，如果指针操作使用了i值，这种方法可能引起指针索引超界的严重错误(i = MAX+1)。当然你可以通过对i做加减运算来纠正，但是如果这样就没有提高效率的作用了。

结语
    本文对高效率嵌入式ARM程序开发总结了一些编程技巧。在实际的嵌入式系统开发中，可以大大的提高系统的性能，特别是在多媒体和通信等复杂度高的应用中，对程序设计具有指导意义。

参考文献：
1 Marshall P. Cline and Greg A. Lomow. C++ FAQs, Addison-Wesley, 1995
2 Bruce Eckel. Thinking in C++(C++ 编程思想，刘宗田 等译)，机械工业出版社，2000