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嵌入式系統編程中的代碼優(yōu)化
今天，嵌入式系統已經(jīng)廣泛地應用于工業(yè)控制、信息家電、辦公自動(dòng)化、移動(dòng)通信、儀器儀表、醫療電子以及國防等領(lǐng)域。隨著(zhù)國內外各種嵌入式產(chǎn)品的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和推廣，嵌入式技術(shù)越來(lái)越和人們的生活緊密結合。那么嵌入式系統編程中的代碼如何優(yōu)化，下面跟yjbys小編一起來(lái)學(xué)習一下。
1 引言
嵌入式系統一般指非PC系統，通常完成一種或多種特定的計算機功能。它是以應用為中心，軟硬件可裁減的，適應應用系統對功能，可靠性，成本，體積，功耗等綜合性要求的專(zhuān)用計算機系統。簡(jiǎn)單的說(shuō)類(lèi)似于PC中的BIOS的工作方式，具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應速度快等特點(diǎn)。特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的應用體系。嵌入式實(shí)時(shí)系統是目前蓬勃發(fā)展的行業(yè)之一。但是，實(shí)時(shí)嵌入式系統的特點(diǎn)使得其軟件受時(shí)間和空間的嚴格限制，加上運行環(huán)境復雜，使得嵌入式系統軟件的開(kāi)發(fā)變得異常困難。 為了設計一個(gè)滿(mǎn)足功能、性能和時(shí)間要求的安全可靠的高性能嵌入式系統，編程語(yǔ)言的選擇十分重要。
2 嵌入式系統中編程語(yǔ)言的選擇
因為匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼難懂,從而不好維護和難于調試，且只能針對特定的體系結構和處理器移植性差，所以既不宜在復雜系統中使用，又不便于實(shí)現軟件重用;而高級語(yǔ)言具有良好的通用性和豐富的軟件支持，可移植性好、易于維護，因此高級語(yǔ)言編程具有許多優(yōu)勢。隨著(zhù)嵌入式系統應用范圍的不斷擴大和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統RTOS(Real Time Operating System)的廣泛使用，高級語(yǔ)言編程已是嵌入式系統設計的必然趨勢。但是不排除一些軟件模塊仍用匯編語(yǔ)言來(lái)寫(xiě)，這可以使程序更加有效。雖然C/C++編譯器對代碼進(jìn)行了優(yōu)化，但是適當的使用內聯(lián)匯編指令可以有效的提高整個(gè)系統運行的效率。目前，在嵌入式系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用的語(yǔ)言種類(lèi)很多，但僅有少數幾種語(yǔ)言得到了比較廣泛的應用。其中C和C++是應用最廣泛的。C++在支持現代軟件工程、 OOP(Object Oriented Programming，面向對象的程序設計)、結構化等方面對C進(jìn)行了卓有成效的改進(jìn)，但在程序代碼容量、執行速度、程序復雜程度等方面比C語(yǔ)言程序性能差一些。由于C語(yǔ)言既有低級語(yǔ)言的直接控制硬件的能力，又有高級語(yǔ)言的靈活性，是目前在嵌入式系統中應用最廣泛的編程語(yǔ)言。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，Java的應用也得到廣泛應用。
3 實(shí)時(shí)程序設計中代碼的優(yōu)化
在嵌入式的系統開(kāi)發(fā)中，出于對低價(jià)產(chǎn)品的需求， 硬件的設計者需要提供剛好足夠的存儲器和完成工作的處理能力。所以在嵌入式軟件設計的最后一個(gè)階段則變成了對代碼的優(yōu)化。
代碼優(yōu)化的目標是體積小和速度快,可以從算法、數據和指令流三方面來(lái)考慮。
3.1 算法優(yōu)化
大多數情況下，速度同內存(或者是性能，比如說(shuō)壓縮性能)是不可兼得的。目前程序加速的常用算法一個(gè)大方面就是利用查表來(lái)避免計算(比如在jpg有 huffman碼表，在YUV到RGB變換也有變換表)這樣原來(lái)的復雜計算現在僅僅查表就可以了，雖然浪費了內存，不過(guò)速度顯著(zhù)提升。此外在編寫(xiě)程序時(shí)還要注意提高效率，例如：
3.1.1Switch語(yǔ)句中根據發(fā)生頻率來(lái)進(jìn)行case排序
switch語(yǔ)句是一個(gè)普通的編程技術(shù)，編譯器會(huì )產(chǎn)生if-else-if的嵌套代碼，并按照順序進(jìn)行比較，發(fā)現匹配時(shí)，就跳轉到滿(mǎn)足條件的語(yǔ)句執行。使用時(shí)需要注意。每一個(gè)由機器語(yǔ)言實(shí)現的測試和跳轉僅僅是為了決定下一步要做什么，就把寶貴的處理器時(shí)間耗盡。為了提高速度，設法根據具體的情況按照它們發(fā)生的相對頻率排序。換句話(huà)說(shuō)，把最可能發(fā)生的情況放在第一位，最不可能的情況放在最后。
3.1.2將大的switch語(yǔ)句轉為嵌套switch語(yǔ)句
當switch語(yǔ)句中的case標號很多時(shí)，為了減少比較的次數，明智的做法是把大switch語(yǔ)句轉為嵌套switch語(yǔ)句。把發(fā)生頻率高的case 標號放在一個(gè)switch語(yǔ)句中，并且是嵌套switch語(yǔ)句的最外層，發(fā)生相對頻率相對低的case標號放在另一個(gè)switch語(yǔ)句中。如果switch中每一種情況下都有很多的工作要做，那么把整個(gè)switch語(yǔ)句用一個(gè)指向函數指針的表來(lái)替換會(huì )更加有效。
3.1.3用指針代替數組
在許多種情況下，可以用指針運算代替數組索引，這樣做常常能產(chǎn)生又快又短的代碼。與數組索引相比，指針一般能使代碼速度更快，占用空間更少。使用多維數組時(shí)差異更明顯。下面的代碼作用是相同的，但是效率不一樣。
數組索引 指針運算
For(;;){ p=array
A=array[r++]; for(;;){
a=*(p++);
...... ......
} }
指針?lè )椒ǖ膬?yōu)點(diǎn)是，array的地址每次裝入地址p后，在每次循環(huán)中只需對p增量操作。在數組索引方法中，每次循環(huán)中都必須進(jìn)行基于r值求數組下標的復雜運算。
3.1.4使用宏函數而不是函數。例如：
#define bwMCDR2_ADDRESS 4
#define bsMCDR2_ADDRESS 17
#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)
#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))
#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) ((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | (((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
函數和宏函數的區別就在于，宏函數占用了大量的空間，而函數占用了時(shí)間。函數調用是要使用系統的棧來(lái)保存數據的，如果編譯器里有棧檢查選項，一般在函數的頭會(huì )嵌入一些匯編語(yǔ)句對當前棧進(jìn)行檢查;同時(shí)，CPU也要在函數調用時(shí)保存和恢復當前的現場(chǎng)，進(jìn)行壓棧和彈棧操作，所以，函數調用需要一些CPU時(shí)間。而宏函數不存在這個(gè)問(wèn)題。宏函數僅僅作為預先寫(xiě)好的代碼嵌入到當前程序，不會(huì )產(chǎn)生函數調用，所以?xún)H僅是占用了空間，在頻繁調用同一個(gè)宏函數的時(shí)候，該現象尤其突出。
3.2 Data optimization數據優(yōu)化
比算法優(yōu)化層低一級的是數據優(yōu)化層，我們可以通過(guò)改變算法使用的數據類(lèi)型來(lái)優(yōu)化算法。主要的目的是使處理的數據和目標結構的特性相一致。這項優(yōu)化不需要大量的代碼重寫(xiě)，并獨立于算法優(yōu)化的執行而執行.例如：
3.2.1確定浮點(diǎn)型變量和表達式是 float 型
為了讓編譯器產(chǎn)生更好的代碼，必須確定浮點(diǎn)型變量和表達式是 float 型的。要特別注意的是，以 ";F"; 或 ";f";為后綴(比如：2.718f)的浮點(diǎn)常量才是 float 型，否則默認是 double 型。為了避免 float 型參數自動(dòng)轉化為 double，請在函數聲明時(shí)使用 float。
3.2.2使用32位的數據類(lèi)型
編譯器有很多種，但它們都包含的典型的32位類(lèi)型是：int，signed，signed int，unsigned，unsigned int，long，signed long，long int，signed long int，unsigned long，unsigned long int。盡量使用32位的數據類(lèi)型，因為它們比16位的數據甚至8位的數據更有效率。
3.2.3明智使用有符號整型變量
在很多情況下，你需要考慮整型變量是有符號還是無(wú)符號類(lèi)型的。在許多地方，考慮是否使用有符號的變量是必要的。在一些情況下，有符號的運算比較快;但在一些情況下卻相反。比如：整型到浮點(diǎn)轉化時(shí)，使用大于16位的有符號整型比較快。因為x86構架中提供了從有符號整型轉化到浮點(diǎn)型的指令，但沒(méi)有提供從無(wú)符號整型轉化到浮點(diǎn)的指令。在整數運算中計算商和余數時(shí)，使用無(wú)符號類(lèi)型比較快。
3.3 Instruction flow optimization指令流優(yōu)化
第三層優(yōu)化的目標是低級指令流。比較常見(jiàn)的技術(shù)是循環(huán)合并(loop merging),循環(huán)展開(kāi)(unrolling),軟件流水(software pipelining)。
3.3.1循環(huán)合并
如果兩個(gè)循環(huán)計數差不多、循環(huán)執行互不相同的操作，可以把它們合并在一起組成一個(gè)循環(huán)。當兩個(gè)循環(huán)的負荷都不滿(mǎn)時(shí)，這是非常有用的。
3.3.2循環(huán)展開(kāi)
循環(huán)展開(kāi)就是把循環(huán)計數小的循環(huán)展開(kāi)，成為非循環(huán)形式的串行程序，或者把循環(huán)計數大的循環(huán)部分展開(kāi)，減少循環(huán)迭代次數，這樣可以節省了用于循環(huán)設置、初始化、增加和校對循環(huán)計數器的時(shí)間。大多數編譯器可以自動(dòng)完成這項工作，手工編譯會(huì )出現錯例如：
for( int i = 0; i < 3; i++ ) array[i] = i;
邏輯上等同于：
array[0] = 0; array[1] = 1, array[2] = 2;
3.3.3軟件流水
軟件流水是用來(lái)安排循環(huán)指令，使這個(gè)循環(huán)多次迭代并行執行的一種技術(shù)。在嵌套循環(huán)中，編譯器僅對最里面的循環(huán)執行軟件流水，因此對執行周期很少的內循環(huán)作循環(huán)展開(kāi)，外循環(huán)進(jìn)行軟件流水，這樣可以改進(jìn)C代碼并行執行的性能。使用軟件流水還應當注意：盡管軟件流水循環(huán)可以包含內聯(lián)函數，但是不能包含函數調用;在循環(huán)中不可以有條件終止指令;在循環(huán)體中不可以修改循環(huán)控制變量。
4 總結語(yǔ)
現代的C和C++編譯器都提供了一定程度上的代碼優(yōu)化。然而，大部分由編譯器執行的優(yōu)化僅涉及執行速度和代碼大小的一個(gè)平衡。你的程序能夠變得更快或者更小，但是不可能又變快又變小。上面介紹的方法主要是為了提高代碼的效率。但是事實(shí)上，在使用這些技術(shù)提高代碼運行速度的同時(shí)會(huì )相應的產(chǎn)生一些負面的影響，比如增加代碼的大小、降低程序可讀性等。不過(guò)你可以讓C/C++編譯器來(lái)進(jìn)行減少代碼大小的優(yōu)化，而手動(dòng)利用編程來(lái)減少代碼的執行時(shí)間。在嵌入式程序設計中合理地使用這幾種技術(shù)有時(shí)會(huì )達到很好 的優(yōu)化效果。
參考文獻：
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