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與編譯器開發(fā)商密切合作優(yōu)化微控制器開發(fā)

作者: 時(shí)間:2010-05-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

團(tuán)隊(duì)與人員的成果是生成的代碼效率更高,性能更好。本文介紹的是為了使ATMEL AVR微系列更適合C者在開發(fā)階段對微架構(gòu)和指令集所進(jìn)行的調(diào)整。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/163104.htm


AVR架構(gòu)的核心是一個可快速訪問RISC寄存器文件。該文件由32個8位通用寄存器構(gòu)成。微控制器可在一個單時(shí)鐘周期內(nèi)加載該文件中的任意兩個寄存器到算術(shù)邏輯單元(Arithmetic Logical Unit, ALU),完成所要求的操作,將結(jié)果寫回到任意一個寄存器。ALU支持寄存器間或某一寄存器與一個常數(shù)之間的運(yùn)算和邏輯功能,單寄存器操作也是在ALU中執(zhí)行的。微控制器使用一個哈佛(Harvard)架構(gòu),在該架構(gòu)中,程序存儲器空間與數(shù)據(jù)存儲器空間是相互隔離的。程序存儲器采用單級管道訪問技術(shù),當(dāng)一條指令被執(zhí)行的同時(shí),下一條指令已從程序存儲器中被預(yù)先提取。由于其算術(shù)和邏輯操作都真正地在單周期內(nèi)完成,因此AVR微控制器的性能達(dá)到每MHz一個MIPS。

圖1 AVR 架構(gòu)

細(xì)調(diào)微控制器
采用高級語言(High Level Languange, HLL)代替匯編語言來開發(fā)微控制器應(yīng)用程序有許多優(yōu)勢,但一直都有一個重大缺點(diǎn),即代碼量不斷增加。我們在開發(fā)AVR微控制器時(shí)考慮了使用C語言來開發(fā)應(yīng)用,使得我們有可能為器件構(gòu)建出一個高效C編譯器。為了進(jìn)一步提升這項(xiàng)特性,我們在AVR的架構(gòu)和指令集未完成前就開始著手C編譯器的開發(fā)。我們先讓瑞典 IAR Systems的編譯器專業(yè)開發(fā)人員對我們的AVR架構(gòu)和指令集進(jìn)行評測,最后開發(fā)出非常適合運(yùn)行C編譯器生成代碼的微控制器。

尋址模式
為讓編譯器生成高效的代碼,重要的是讓尋址模式匹配C語言的需要。AVR架構(gòu)原來配了兩個指針寄存器(Pointer Register)。這兩個指針可用于間接尋址、算后增量(post increment)間接尋址、算前減量(pre-decrement)間接尋址,以及帶位移(displacement)的間接尋址,能夠很好地支持指針操作。此外,還有一個用于訪問數(shù)據(jù)存儲器中變量的頁面直接尋址模式。

指針位移
帶位移的間接尋址是一種非常有用的尋址模式,即使從C編譯器的角度亦如此。例如,將指針指向某一結(jié)構(gòu)(struct)的第一個成員,就可以訪問該結(jié)構(gòu)內(nèi)位移量所允許的其他任何位置,無須變更16位指針。帶位移的間接尋址模式也常常用于訪問軟件堆棧上的變量。函數(shù)參數(shù)和autos常常放在軟件堆棧上,這樣,不用變更指針就可進(jìn)行讀寫操作。位移尋址在定位數(shù)組成員(addressing elements in an array)時(shí)也非常有用。


盡管位移模式在許多情況下非常有用,但仍存在一個位移受限的問題。位移原本被限制在16個位置以內(nèi),而實(shí)際應(yīng)用往往超出該數(shù)量。這樣,在位移模式無法訪問的位置,就必須加載一個新的指針。為擴(kuò)展位移模式的訪問范圍,我們不得不改變指令集的其他部分,以獲得足夠的編碼空間。同時(shí),我們還得知,C編譯器很難使用頁面直接尋址模式。于是,取消了頁面直接尋址模式,使用騰出的空間將位移模式擴(kuò)展為64個位置,足以滿足大多數(shù)間接尋址的要求。原來的頁面直接尋址模式變成一個兩個字長的非頁面直接尋址模式。

存儲器指針數(shù)
AVR微控制器原來配置了兩個16位存儲器指針。如要采用C編譯器,那么其中一個指針必須專門用作軟件堆棧,這樣,就只剩一個存儲器指針。在許多情況下,需要將存儲器從一個區(qū)域復(fù)制到另一個區(qū)域。但由于只有一個指針,需要讀1字節(jié),設(shè)置指針,確定寫入目標(biāo)位置,寫入這字節(jié),然后再將指針設(shè)回?cái)?shù)據(jù)源位置。如果增加第三個存儲器指針(精簡功能),完成存儲器區(qū)域復(fù)制就不需要設(shè)置指針。如下例所示,只要使用算后增量間接尋址模式就可構(gòu)建非常高效的存儲器讀寫循環(huán)(假設(shè):將指針Z指向源的第一字節(jié),X指向目標(biāo)的第一字節(jié)):


LDI R16,0x60 ;Load byte count
loop: LD R17,Z+ ;Load byte,
increment pointer
 ST X+,R17 ;Store
byte, increment pointer
 SUBI R16,1;Decrement
counter
BRNE loop; Branch
if more bytes
具備指針?biāo)愫笤隽?post increment)、算前減量(pre-decrement) (+1、-1)操作的可能性對于實(shí)現(xiàn)堆棧也非常有效。這當(dāng)然也可用于軟件運(yùn)行時(shí)間堆棧。


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