ARM程序設(shè)計(jì)優(yōu)化

程序優(yōu)化是指軟件編程結(jié)束后，利用軟件開(kāi)發(fā)工具對(duì)程序進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，讓程序充分利用資源， 提高運(yùn)行效率， 縮減代碼尺寸的過(guò)程。按照優(yōu)化的側(cè)重點(diǎn)不同， 程序優(yōu)化可分為運(yùn)行速度優(yōu)化和代碼尺寸優(yōu)化。運(yùn)行速度優(yōu)化是指在充分掌握軟硬件特性的基礎(chǔ)上， 通過(guò)應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)調(diào)整等手段來(lái)降低完成指定任務(wù)所需執(zhí)行的指令數(shù)。在同一個(gè)處理器上， 經(jīng)過(guò)速度優(yōu)化的程序比未經(jīng)優(yōu)化的程序在完成指定任務(wù)時(shí)所需的時(shí)間更短，即前者比后者具有更高的運(yùn)行效率。代碼尺寸優(yōu)化是指，采取措施使應(yīng)用程序在能夠正確完成所需功能的前提下， 盡可能減少程序的代碼量。

　　然而在實(shí)際的程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，程序優(yōu)化的兩個(gè)目標(biāo)(運(yùn)行速度和代碼大小) 通常是互相矛盾的。為了提高程序運(yùn)行效率，往往要以犧牲存儲(chǔ)空間、增加代碼量為代價(jià)， 例如程序設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的以查表代替計(jì)算、循環(huán)展開(kāi)等方法就容易導(dǎo)致程序代碼量增加。而為了減少程序代碼量、壓縮存儲(chǔ)器空間，可能又要以降低程序運(yùn)行效率為代價(jià)。因此， 在對(duì)程序?qū)嵤﹥?yōu)化之前， 應(yīng)先根據(jù)實(shí)際需求確定相應(yīng)的策略。在處理器資源緊張的情況下， 應(yīng)著重考慮運(yùn)行速度優(yōu)化;而在存儲(chǔ)器資源使用受限的情況下， 則應(yīng)優(yōu)先考慮代碼尺寸的優(yōu)化。

　　1 程序運(yùn)行速度優(yōu)化

　　程序運(yùn)行速度優(yōu)化的方法可分為以下幾大類。

　　1.1 通用的優(yōu)化方法

　　(1)減小運(yùn)算強(qiáng)度

　　利用左/ 右移位操作代替乘/ 除2 運(yùn)算：通常需要乘以或除以2 的冪次方都可以通過(guò)左移或右移n 位來(lái)完成。實(shí)際上乘以任何一個(gè)整數(shù)都可以用移位和加法來(lái)代替乘法。arm 7 中加法和移位可以通過(guò)一條指令來(lái)完成，且執(zhí)行時(shí)間少于乘法指令。例如： i = i × 5 可以用i = (i2) + i 來(lái)代替。

　　利用乘法代替乘方運(yùn)算：arm7 核中內(nèi)建有32 ×8 乘法器， 因此可以通過(guò)乘法運(yùn)算來(lái)代替乘方運(yùn)算以節(jié)約乘方函數(shù)調(diào)用的開(kāi)銷。例如： i = pow(i, 3.0) 可用 i = i×i × i 來(lái)代替。

　　利用與運(yùn)算代替求余運(yùn)算：有時(shí)可以通過(guò)用與(AND )指令代替求余操作(% )來(lái)提高效率。例如：i = i % 8 可以用 i = i 0x07 來(lái)代替。

　　(2)優(yōu)化循環(huán)終止條件

　　在一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)中，循環(huán)的終止條件將嚴(yán)重影響著循環(huán)的效率，再加上arm 指令的條件執(zhí)行特性，所以在書寫循環(huán)的終止條件時(shí)應(yīng)盡量使用count-down-to-zero結(jié)構(gòu)。這樣編譯器可以用一條BNE (若非零則跳轉(zhuǎn))指令代替CMP (比較)和BLE (若小于則跳轉(zhuǎn))兩條指令，既減小代碼尺寸，又加快了運(yùn)行速度。

　　(3)使用inline 函數(shù)

　　arm C 支持 inline 關(guān)鍵字，如果一個(gè)函數(shù)被設(shè)計(jì)成一個(gè)inline 函數(shù)，那么在調(diào)用它的地方將會(huì)用函數(shù)體來(lái)替代函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句， 這樣將會(huì)徹底省去函數(shù)調(diào)用的開(kāi)銷。使用inline 的最大缺點(diǎn)是函數(shù)在被頻繁調(diào)用時(shí)，代碼量將增大。

　　1.2 處理器相關(guān)的優(yōu)化方法

　　(1)保持流水線暢通

　　從前面的介紹可知，流水線延遲或阻斷會(huì)對(duì)處理器的性能造成影響，因此應(yīng)該盡量保持流水線暢通。流水線延遲難以避免， 但可以利用延遲周期進(jìn)行其它操作。

　　LOAD/STORE 指令中的自動(dòng)索引(auto-indexing)功能就是為利用流水線延遲周期而設(shè)計(jì)的。當(dāng)流水線處于延遲周期時(shí)， 處理器的執(zhí)行單元被占用， 算術(shù)邏輯單元(ALU )和桶形移位器卻可能處于空閑狀態(tài)，此時(shí)可以利用它們來(lái)完成往基址寄存器上加一個(gè)偏移量的操作，

　　供后面的指令使用。例如：指令 LDR R1, [R2], #4 完成 R1= *R2 及 R2 += 4 兩個(gè)操作，是后索引(post-indexing)的例子;而指令 LDR R1, [R2, #4]! 完成 R1 = *(R2 + 4) 和 R2 +=4 兩個(gè)操作，是前索引(pre-indexing)的例子。

　　流水線阻斷的情況可通過(guò)循環(huán)拆解等方法加以改善。一個(gè)循環(huán)可以考慮拆解以減小跳轉(zhuǎn)指令在循環(huán)指令中所占的比重， 進(jìn)而提高代碼效率。下面以一個(gè)內(nèi)存復(fù)制函數(shù)加以說(shuō)明。

　　void memcopy(char *to, char *from, unsigned int nbytes)

　　{

　　while(nbytes--)

　　*to++ = *from++;

　　}

　　為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里假設(shè)nbytes 為16 的倍數(shù)(省略對(duì)余數(shù)的處理)。上面的函數(shù)每處理一個(gè)字節(jié)就要進(jìn)行一次判斷和跳轉(zhuǎn)， 對(duì)其中的循環(huán)體可作如下拆解：

　　void memcopy(char *to, char *from, unsigned int nbytes)

　　{

　　while(nbytes) {

　　*to++ = *from++;

　　*to++ = *from++;

　　*to++ = *from++;

　　*to++ = *from++;

　　nbytes - = 4;

　　}

　　}

　　這樣一來(lái)， 循環(huán)體中的指令數(shù)增加了，循環(huán)次數(shù)卻減少了。跳轉(zhuǎn)指令帶來(lái)的負(fù)面影響得以削弱。利用arm 7 處理器32 位字長(zhǎng)的特性， 上述代碼可進(jìn)一步作如下調(diào)整：

　　void memcopy(char *to, char *from, unsigned int nbytes)

　　{

　　int *p_to = (int *)to;

　　int *p_from = (int *)from;

　　while(nbytes) {

　　*p_to++ = *p_from++;

　　*p_to++ = *p_from++;

　　*p_to++ = *p_from++;

　　*p_to++ = *p_from++;

　　nbytes - = 16;

　　}

　　}

　　經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，一次循環(huán)可以處理16 個(gè)字節(jié)。跳轉(zhuǎn)指令帶來(lái)的影響進(jìn)一步得到減弱。不過(guò)可以看出， 調(diào)整后的代碼在代碼量方面有所增加。

　　(2)使用寄存器變量

　　CPU 對(duì)寄存器的存取要比對(duì)內(nèi)存的存取快得多， 因此為變量分配一個(gè)寄存器， 將有助于代碼的優(yōu)化和運(yùn)行效率的提高。整型、指針、浮點(diǎn)等類型的變量都可以分配寄存器; 一個(gè)結(jié)構(gòu)的部分或者全部也可以分配寄存器。給循環(huán)體中需要頻繁訪問(wèn)的變量分配寄存器也能在

　　一定程度上提高程序效率。