嵌入式軟件代碼壓縮技術剖析

對于嵌入式軟件而言，代碼尺寸是越小越好。壓縮代碼以適應受到成本或空間限制的存儲子系統(tǒng)已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一項重要事務。ARM、MIPS、IBM以及ARC都提供了降低存儲器占用的技術，本文將對這幾種架構中代碼壓縮技術的實現(xiàn)進行比較分析。

如今，存儲子系統(tǒng)的成本高于微處理器已不再稀奇。因此，選擇一款能節(jié)約存儲成本的處理器就變得很有意義。編寫緊湊的代碼只是事情的一個方面，而處理器的 指令集對存儲器的消耗同樣影響很大。對于代碼密度很差的處理器而言，無論怎樣絞盡腦汁地去壓縮你的C源代碼都于事無補。如果你關注存儲器的消耗，選擇恰當 的處理器并精心調(diào)整代碼是明智的。

并不是所有的處理器都擁有或需要代碼壓縮，只有32位的RISC(精簡指令集計算機)處理器需要代碼壓縮，因為RISC處理器代碼密度較差。 RISC處理器在過去是設計用于通用計算機和工作站，在其設計時認為存儲器價格便宜。盡管存儲器價格可能便宜，但如果能占用更少的存儲器不是更便宜嗎?對 于蜂窩電話以及其他成本控制嚴格的嵌入式系統(tǒng)應用而言，在RAM或ROM上5美元的成本差異，就能導致量產(chǎn)時利潤的巨大差別。通常，存儲器的大小是固定 的，而產(chǎn)品的功能特性卻各異。緊湊的目標代碼意味著可以實現(xiàn)更多的自動撥號、更好的語音識別能力，或者可能是更清晰的屏幕顯示。

在32位嵌入式處理器中，ARM、MIPS以及PowerPC曾是首先尋找出降低其存儲器消耗、提高代碼密度方法的幾種處理器。更早一些的處理 器，如摩托羅拉的68k系列以及英特爾的x86系列，并不需要代碼壓縮。事實上，其標準代碼密度都比RISC處理器的代碼壓縮模式還要高。

易于使用的Thumb技術

我們先從ARM的代碼壓縮方案(Thumb)講起，因為其使用廣泛、有很好的支持，是一個典型處理器代碼壓縮方案，并相當簡潔、有效。

Thumb實際上是添加到ARM的標準RISC指令集之上的獨立指令集。在你的代碼中，你可以通過一條模式切換指令在這兩種指令集之間進行切 換。Thumb指令集架構(Instruction Set Architecture, ISA)是由大約36條16位指令組成，僅靠這些指令是完成不了太多任務的，但Thumb指令集包括了基本的加法、減法、循環(huán)移位以及跳轉(zhuǎn)指令。通過使用 這些較短的指令替換ARM標準的32位指令，可以將某些代碼的規(guī)模減小大約20%到30%。但有一些問題需要引起注意：

首先，Thumb代碼和標準ARM代碼不能混雜使用，必須顯式地在兩種模式間進行切換，就好像Thumb是一套完全不同的指令集(實際上也是)。這迫使程序員將所有的16位代碼與32位代碼分開并隔離到獨立的模塊中。

其次，由于Thumb是經(jīng)過簡化和精簡的指令集架構，在Thumb模式中無法完成所有你希望的工作。Thumb模式無法進行諸如處理中斷、長跳 轉(zhuǎn)、原子存儲器(atomic memory)操作，或協(xié)處理器操作等。Thumb有限的指令意味著僅對基本的算術和邏輯操作有用，其他的任何工作必須使用ARM的標準32位指令集來完 成。

Thumb的限制不僅表現(xiàn)在指令集上，當處于Thumb模式中，ARM處理器將僅有8個寄存器(而不是16個)，這些寄存器無法像標準模式下 ARM代碼那樣進行條件執(zhí)行和移位或循環(huán)移位操作。在標準ARM代碼和Thumb代碼間進行參數(shù)傳遞并不困難，只要將參數(shù)放到堆棧中或通過處理器的前8個 寄存器就可以了。

從標準模式到Thumb模式之間的來回切換也要消耗時間，而且還要增加代碼。此外，還需要幾十個前導(preamble)以及后同步指令 (postamble)來組織指針并清空CPU的流水線。如果在Thumb模式中運行的代碼小于幾十條指令，就不值得為之付出這樣的開銷。

最后，Thumb還對于性能有著少許的影響。通常，使用Thumb指令對代碼進行壓縮會導致代碼運行速度降低大約15%，這主要是由于在16位 模式和32位模式間切換所引起的。Thumb指令還不如32位的標準指令靈活，因此，和32位代碼相比，常常需要更多的指令來完成同樣的工作。從積極的一 方面來說，由于其指令長度只有32位指令集的一半，Thumb使得緩存的使用效率更高。

如果任務能夠在這些限制下完成，Thumb可以節(jié)約不少成本。Thumb技術已經(jīng)得到每一款ARM處理器的支持，無論用戶使用與否，多數(shù)ARM編譯器以及匯編程序都支持Thumb指令集。因此，采用Thumb的體驗應該相當輕松。

MIPS處理器

理解了Thumb技術后，MIPS16e就沒什么新奇的了。一些MIPS處理器中增加了另外的16位指令集，與ARM系統(tǒng)非常類似。 MIPS16e指令集包括了一組16位的標準MIPS算法、邏輯以及跳轉(zhuǎn)指令的簡化版本。其使用和Thumb一樣，也需要在標準模式和MIPS16e模式 之間來回切換，這也將導致付出時間和增加代碼的開銷。除非能在“壓縮”模式上運行相當長時間，否則沒有必要進行模式切換。其代碼壓縮效率和ARM差不多， 對于多數(shù)程序而言，也是20%到30%。

MIPS16e和Thumb都不能對代碼進行真正的壓縮，它們只是對部分指令提供了可替換的操作碼，而且得到的壓縮比是依賴于短操作碼和長操作 碼的總長度的比值。也就是說，依賴于代碼所完成的任務，諸如操作系統(tǒng)和中斷處理例程等系統(tǒng)級代碼根本就不能使用16位指令，因此不能獲得代碼壓縮效果。一 般的算法，只要不使用任何大操作數(shù)，就能得到很好的壓縮效率。最后，別忘了數(shù)據(jù)是無法進行壓縮的，只有代碼能夠被壓縮。如果你應用代碼中包括了大量的靜態(tài) 數(shù)據(jù)結(jié)構，所能得到的總存儲器節(jié)約是非常小的。還有，15%的性能損失也許很不值得。另一方面，MIPS16e和Thumb都是免費的(假定你的處理器已 經(jīng)包含了它們)，選用它們的成本非常低。

PowerPC的CodePack技術

值得提前說明的是，IBM的CodePack方法是各種代碼壓縮技術中最復雜的。與Thumb和MIPS16e不同，CodePack系統(tǒng)是真 正對運行代碼進行壓縮，就好像在PowerPC軟件中運行WinZip。CodePack會分析并壓縮整個程序，生成的用戶代碼必須在運行中解壓縮并執(zhí)行 壓縮版本。盡管很復雜，CodePack和其它技術一樣提供20%到30%的空間節(jié)省。

CodePack是一項很有吸引力的技術。在使用該技術時，只須和平常一樣使用標準工具編譯嵌入式PowerPC代碼就行，CodePack甚 至對已有的代碼也能使用(無論有沒有源代碼)。在將代碼寫入ROM或裝入磁盤之前，運行CodePack壓縮工具對代碼進行壓縮。壓縮工具會分析代碼指令 的分布并生成一對專門針對這個程序代碼的鍵值。當運行壓縮后的代碼時，擁有CodePack功能的處理器使用這一對鍵值來在運行中解開壓縮的代碼，就好像 直接運行壓縮后的代碼。解壓縮會對處理器的流水線產(chǎn)生很小的延遲，但是其影響被取指延遲以及其它延遲所掩蓋。對于絕大多數(shù)應用，CodePack帶來的性 能影響是可以忽略的。

但是，CodePack還有一些其它的影響。由于每一個壓縮的程序都有其單獨的壓縮鍵值，CodePack本質(zhì)上既是壓縮系統(tǒng)也是加密系統(tǒng)。沒 有鍵值，無論你自己還是其它任何人都無法運行相應的程序。如果丟失了或者未獲得相應的鍵值，壓縮后的程序只是一堆無用的亂碼，這也意味著壓縮后的 PowerPC程序不是二進制代碼兼容的。除非同時包括其解壓縮鍵值，否則無法輕易地和其它系統(tǒng)交換壓縮后的程序。這會使嵌入式系統(tǒng)軟件的現(xiàn)場分配稍微有 些復雜。

另外，CodePack為每個程序生成兩個鍵值是因為指令的高16位和低16位是分別進行壓縮的。IBM的工程師發(fā)現(xiàn)每一條PowerPC指令 的高半字(操作碼就在其中)和低半字(其內(nèi)容通常為操作數(shù)、偏移量或掩碼)的分布頻度是不一樣的。對它們分別使用不同的壓縮算法會使壓縮效果比僅使用任何 單一算法要好，這就是CodePack對程序所做的事。

ARCompact

ARC International公司又采用了另外的代碼壓縮方法。因為ARCtangent處理器有用戶可定義的指令集，ARC(及其用戶)可以對指令集進行隨心所欲的修改。作為ARCompact，ARC公司決定加入一組16位指令來改進其處理器的代碼密度。

而ARCompact與Thumb以及MIPS16e的區(qū)別在于可以將16位代碼和32位代碼任意混雜。由于沒有模式切換，代碼中任意分布的少 許16位指令無須為之付出什么開銷。在任何可能的情況下，ARC的編譯器的默認配置會產(chǎn)生16位操作(為了強制編譯器生成32位代碼或與舊的處理器保持兼 容，你可以關掉這個功能)。

ARC可以混合不同長度代碼而不必付出相應的開銷，是因為其指令架構要比ARM和MIPS新。那些RISC架構的指令集(包括PowerPC) 在指令字中沒有指明指令長度的位。諸如ARC或Tensilica的新偽RISC架構，以及像x86和68k舊的架構擁有這些位。無論是出于無意還是遠 見，變長度指令架構因為更緊湊的代碼而具優(yōu)勢。

Thumb的改進版--Thumb-2

就在最近，ARM對其代碼壓縮系統(tǒng)進行了改造并發(fā)布了Thumb-2。Thumb-2并不是Thumb的升級，相反，它是另起爐灶，并且可以完 全代替Thumb和原先的ARM指令集。Thumb-2有些類似ARCompact或摩托羅拉的68k，可以無需模式切換就運行16位與32位混合代碼。 總的來說，Thumb-2提供的代碼壓縮效率要略差，但其性能損失也較小。

為了做到這一點，ARM需要在其操作碼映射中找到一個突破口(hole)，他們在BL指令(條轉(zhuǎn)并連接指令，是Thumb和ARM模式之間切換 的指令)中找到了需要的突破口。在原有的指令集中，BL指令有一些位沒有使用，這些原先未定義的位給全新的指令集提供了切換入口。其編碼確實不怎么樣，但 確實很有效。

Thumb-2最大的優(yōu)勢在于它是一套完整的指令集，程序無需切換回“標準”32位ARM模式，原先Thumb模式的限制再也沒有了。程序現(xiàn)在可以處理中斷、設置MMU、管理緩存，和真正的微處理器并沒什么不同。

Thumb-2還是需要損失一定的性能。盡管沒有了模式切換開銷，與標準ARM代碼相比，它還是要花費多一些的Thumb-2指令來完成特定的任務。對于ARM處理器而言，這些額外的指令(以及額外的周期)會使速度降低大約15%到20%。

未來的ARM處理器最終將只運行Thumb-2代碼。由于它用一套單一的更多壓縮指令的指令集有效地取代了ARM和Thumb指令集，為什么不 會最終徹底取代它們呢?但問題是ARM的軟件兼容性怎么辦?直到現(xiàn)在，所有的ARM處理器(除了Intel的XScale)都是二進制兼容。盡管支持 Thumb-2的新型處理器將能運行現(xiàn)有的ARM和Thumb代碼，但反之則不行。當Thumb-2廣泛推廣后，它將創(chuàng)建一套單獨但等價的軟件庫。