嵌入式平臺(tái)ARM的C代碼優(yōu)化方法

C數(shù)據(jù)類型

C語言的程序優(yōu)化與編譯器和硬件系統(tǒng)都有關(guān)系，設(shè)置某些編譯器選項(xiàng)是最直接最簡(jiǎn)單的優(yōu)化方式。在默認(rèn)的情況下，armcc是全部?jī)?yōu)化功能有效的，而GNU編譯器的默認(rèn)狀態(tài)下優(yōu)化都是關(guān)閉的。ARM C編譯器中定義的char類型是8位無符號(hào)的，有別于一般流行的編譯器默認(rèn)的char是8位有符號(hào)的。所以循環(huán)中用char變量和條件 i ≥ 0時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)死循環(huán)。為此，可以用fsigned － char（for gcc）或者－zc（for armcc）把char改成signed。

其他的變量類型如下：

char 無符號(hào)8位字節(jié)數(shù)據(jù)

short 有符號(hào)16位半字節(jié)數(shù)據(jù)

int 有符號(hào)32位字?jǐn)?shù)據(jù)

long 有符號(hào)32位字?jǐn)?shù)據(jù)

long long 有符號(hào)64位雙字?jǐn)?shù)據(jù)

局部變量盡可能采用32位數(shù)據(jù)類型

ARM 指令集支持有符號(hào)/ 無符號(hào)的8 位、16 位、32位整型及浮點(diǎn)型變量。恰當(dāng)?shù)氖褂米兞康念愋?，不僅可以節(jié)省代碼，并且可以提高代碼運(yùn)行效率。應(yīng)該盡可能地避免使用char、short 型的ARM局部變量，因?yàn)椴僮? 位/16 位局部變量往往比操作3 2 位變量需要更多指令。 大多數(shù)ARM數(shù)據(jù)處理操作都是32位的，局部變量應(yīng)盡可能使用32位的數(shù)據(jù)類型（int或long）就算處理8位或者16位的數(shù)值，也應(yīng)避免用char和short以求邊界對(duì)齊，除非是利用char或者short的數(shù)據(jù)一出歸零特性（如255＋1＝0，多用于模運(yùn)算）。否則，編譯器將要處理大于short和char取值范圍的情況而添加代碼。另外對(duì)于表達(dá)式的處理也要格外小心選擇數(shù)據(jù)類型，請(qǐng)對(duì)比下列3 個(gè)函數(shù)和它們的匯編代碼。

Int wordinc(inta) wordinc

{ ADD a1,a1,#1

return a + 1; MOV pc,lr

}

shortinc

short shortinc(shorta) ADD a1,a1,#1

{ MOV a1,a1,LSL #16

return a + 1; MOV a1,a1,ASR #16ARM

} MOV pc,lr

Char charinc(chara) charinc

{ ADD a1,a1,#1

return a + 1; AND a1,a1,#&ff

} MOV pc,lr

可以看出， 操作3 2 位變量所需的指令要少于操作8位及16 位變量。另外對(duì)于16-bit數(shù)據(jù)的加載 用LDRH指令的話，不能使用桶型移位器，所以只能先進(jìn)行偏移量的以為操作，然后再尋址(能用指針遞增尋址就不用數(shù)組下表遞增尋址a=data[i++]不如a=*(data++))，也會(huì)造成不佳的性能。但是用指針代替數(shù)據(jù)操作就可以規(guī)避這個(gè)問題。在全局變量聲明時(shí)，需要考慮最佳的存儲(chǔ)器布局，使得各種類型的變量能以32位的空間位基準(zhǔn)對(duì)齊，從而減少不必要的存儲(chǔ)空間浪費(fèi)，提高運(yùn)行效率。

關(guān)于函數(shù)參數(shù)類型

函數(shù)參數(shù)和返回值應(yīng)盡量使用int類型。ARM中的函數(shù)前4個(gè)整型參數(shù)通過寄存器r0、r1、r2、r3來傳遞，隨后的整型參數(shù)通過堆棧來傳遞。因而盡量限制函數(shù)參數(shù)，不要超過四個(gè)，也可以把相關(guān)的參數(shù)組織在結(jié)構(gòu)體傳遞。 對(duì)于比較小的被調(diào)用函數(shù)和調(diào)用函數(shù)可以放在同一個(gè)源文件中，并且限定為static調(diào)用，編譯器能進(jìn)行優(yōu)化。用_inline內(nèi)聯(lián)性能影響較大的重要函數(shù)可以有效減少函數(shù)調(diào)用的額外開銷。對(duì)于編譯器，armcc遵從ATPCS的要求，第一到第四個(gè)參數(shù)依次通過r0～r4傳遞，其他參數(shù)通過堆棧傳遞，返回值用r0傳遞，因此，為了把大部分操作放在寄存器中完成，參數(shù)最好不多與4個(gè)。另外，可用的通用寄存器有12個(gè)，所以盡量將局部變量控制在12個(gè)之內(nèi)，效率上會(huì)得到提升。同時(shí)，由于編譯器比較保守，指針別名會(huì)引起多余的讀操作，所以盡量少用。

循環(huán)優(yōu)化部分

循環(huán)是程序設(shè)計(jì)中非常普遍的結(jié)構(gòu)。在嵌入式系統(tǒng)中，微處理器執(zhí)行時(shí)間在循環(huán)中運(yùn)行的比例較大，因此關(guān)注循環(huán)的執(zhí)行效率是非常必要的。除了在保證系統(tǒng)正確工作的前提下盡量簡(jiǎn)化核循環(huán)體的過程以外，正確和高效的循環(huán)結(jié)束標(biāo)志條件也非常重要。

* 使用減數(shù)到零的循環(huán)體，以節(jié)省指令和寄存器的使用；

* 使用無符號(hào)的循環(huán)計(jì)數(shù)值，并用條件 i != 0中止，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ARM速度；

* 如果循環(huán)體至少執(zhí)行一次，用優(yōu)先選用do－while，這樣編譯器不會(huì)產(chǎn)生額外的代碼來處理循環(huán)次數(shù)為0的情況；

* 適當(dāng)情況下展開循環(huán)體；雖然會(huì)增加循環(huán)的代碼大小，但是會(huì)減少循環(huán)跳轉(zhuǎn)的開銷；

* 盡量使用數(shù)組的大小是4或8的備述，用此倍數(shù)展開循環(huán)體 寄存器分配；

* 盡量限制函數(shù)內(nèi)部循環(huán)所用局部變量的數(shù)目，最多不超過12個(gè)，以便編譯器能把變量分配到寄存器；

* 可以引導(dǎo)編譯器，通過查看是否屬于最內(nèi)層循環(huán)的便賴寧嘎來去定某個(gè)變量的重要性；

* 用一個(gè)局部變量來保存公共子表達(dá)式的值，保證該表達(dá)式只求一次值；

* 避免使用局部變量的地址，否則訪問這個(gè)變量的效率較低；

結(jié)構(gòu)體的處理

小的元素放在結(jié)構(gòu)體的開始，大的元素放在結(jié)構(gòu)體的最后； 避免使用過大的結(jié)構(gòu)體，用層次化的小結(jié)構(gòu)體代替； 人工對(duì)API的結(jié)構(gòu)體增加填充位以提高移植性； 枚舉類型要慎用，因?yàn)樗拇笮∨c編譯器相關(guān)。

對(duì)于位域， 盡量用define或者enum來代替位域；用邏輯運(yùn)算來丟位域操作 邊界不對(duì)齊數(shù)據(jù)和字節(jié)排列方式； 盡量避免使用邊界不對(duì)齊數(shù)據(jù)； 用char * 可指向任意字節(jié)對(duì)齊的的數(shù)據(jù)，與邏輯運(yùn)算配合，可訪問任意邊界和排列的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)運(yùn)算的處理

除法和求余

ARM指令集中沒有提供整數(shù)的除法，除法是由C語言函數(shù)庫中的代碼(符號(hào)型_rt_sdiv和無符號(hào)型的_rt_udiv)實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)32位數(shù)的除法需要20～140個(gè)周期，依賴于分子和分母的取值。除法操作所用的時(shí)間是一個(gè)時(shí)間常量乘每一位除法所需要的時(shí)間:

Time(分子/分母)=C0+C1×log2(分子/分母)

=C0+C1×(log2(分子)-log2(分母))

由于除法的執(zhí)行周期長(zhǎng)，耗費(fèi)的資源多，程序設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)盡量避免使用除法。以下是一些避免調(diào)用除法的變通辦法:

• 在某些特定的程序設(shè)計(jì)時(shí)，可以把除法改寫為乘法。例如:(x/y)>z，在已知y是正數(shù)而且y×z是整數(shù)的情況下，就可以寫為x>(z×y)。
• 盡可能使用2的次方作為除數(shù)，編譯器使用移位操作完成除法，如128就比100更加適合。在程序設(shè)計(jì)中，使用無符號(hào)型的除法要快于符號(hào)型的除法。
• 使用求余運(yùn)算的一個(gè)目的是為了按模計(jì)算，這樣的操作有時(shí)可以使用if的判斷語句來完成，考慮如下的應(yīng)用:

Uint counter2(uint count)

{

if(++count>=100) count=0;

return(count);

}

• 對(duì)于一些特殊的除法和求余運(yùn)算，采用查找表的方法也可以獲得很好的運(yùn)行效果。

在除以某些特定的常數(shù)時(shí)，編寫特定的函數(shù)完成此操作會(huì)比編譯產(chǎn)生的代碼效率高很多。ARM的C語言庫中就有二個(gè)這樣的符號(hào)型和無符號(hào)型數(shù)除以10的函數(shù)，用來完成十進(jìn)制數(shù)的快速運(yùn)算。在toolkit子目錄的examplesexplasmdiv.c和examplesthumbdiv.c文件中，有這二個(gè)函數(shù)的ARM和Thumb版本。

其他運(yùn)算操作

利用左/ 右移位操作代替乘/ 除2 運(yùn)算：通常需要乘以ARM或除以2 的冪次方都可以通過左移或右移n 位來完成。實(shí)際上乘以任何一個(gè)整數(shù)都可以用移位和加法來代替乘法。ARM 7 中加法和移位可以通過一條指令來完成，且執(zhí)行時(shí)間少于乘法指令。例如： i = i *5 可以用i = (i<<2) + i 來代替。利用乘法代替乘方運(yùn)算：ARM7 核中內(nèi)建有32 ×8 ARM乘法器， 因此可以通過乘法運(yùn)算來代替乘方運(yùn)算以節(jié)約乘方函數(shù)調(diào)用的開銷。例如： i = pow(i, 3.0) 可用 i = i*i*i 來代替。利用與運(yùn)算代替求余運(yùn)算：有時(shí)可以通過用與（AND ）指令代替求余操作（% ）來提高效率。例如：i = i % 8 可以用 i = i & 0x07 來代替。

條件執(zhí)行

條件執(zhí)行是程序中必不可少的基本操作。典型的條件執(zhí)行代碼序列是由一個(gè)比較指令開始的，接下來是一系列相關(guān)的執(zhí)行語句。ARM中的條件執(zhí)行是通過對(duì)運(yùn)算結(jié)果標(biāo)志位進(jìn)行判斷實(shí)現(xiàn)的，一些帶標(biāo)志位的運(yùn)算結(jié)果中，N和Z標(biāo)志位的結(jié)果與比較語句的結(jié)果相同。盡管在C語言中沒有帶標(biāo)志位的指令，但在面向ARM的C語言程序中，如果運(yùn)算結(jié)果是與0作比較，編譯器會(huì)移去比較指令，通過一條帶標(biāo)志位指令實(shí)現(xiàn)運(yùn)算和判斷。因此，面向ARM的C語言程序設(shè)計(jì)的條件判斷應(yīng)當(dāng)盡量采用"與0比較"的形式。C語言中，條件執(zhí)行語句大多數(shù)應(yīng)用在if條件判斷中，也有應(yīng)用在復(fù)雜的關(guān)系運(yùn)算(<，==，>等)及位操運(yùn)算(&&，!，and等)中的。面向ARM的C語言程序設(shè)計(jì)中，有符號(hào)型變量應(yīng)盡量采取x<0、x>=0、x==0、x!=0的關(guān)系運(yùn)算;對(duì)于無符號(hào)型的變量應(yīng)采用x==0、x!=0(或者x>0)關(guān)系運(yùn)算符。編譯器都可以對(duì)條件執(zhí)行進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于程序設(shè)計(jì)中的條件語句，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化if和else判斷條件。與傳統(tǒng)的C語言程序設(shè)計(jì)有所不同，面向ARM的C語言程序設(shè)計(jì)中，關(guān)系表述中類似的條件應(yīng)該集中在一起，使編譯器能夠?qū)ε袛鄺l件進(jìn)行優(yōu)化。由于ARM指令可條件執(zhí)行，所以充分利用cpsr會(huì)使程序更有效率。ARM 指令集的一個(gè)重要特征就是所有的指令均可包含一個(gè)可選的條件碼。當(dāng)程序狀態(tài)寄存器（PSR ）中的條件碼標(biāo)志滿足指定條件時(shí)， 帶條件碼的指令才能執(zhí)行。利用條件執(zhí)行通常可以省去單獨(dú)的判斷ARM指令，因而可以減小代碼尺寸并提高程序效率。

流水線優(yōu)化

ARM處理器每種處理器都有自己的流水線結(jié)構(gòu)，參考ARM核流水線——ARM7，ARM9E，ARM11，Cortex-A系列處理器（http://houh-1984.blog.163.com/blog/static/311278342011111083852771/）.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ARM操作。 LOAD/STORE 指令中的自動(dòng)索引（auto-indexing）功能就是為利用ARM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ARM（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循環(huán)展開，加入其它的操作等方法加以改善。一個(gè)循環(huán)可以考慮展開unroll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ARM說明。

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

{

while(nbytes--)ARM

*to++ = *from++;

}

為簡(jiǎn)單起見，這里假設(shè)nbytes 為16 的ARM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)體可作如下展開：

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， 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A(yù)RM帶來的負(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)指令帶來的影響ARM進(jìn)一步得到減弱。不過可以看出， 調(diào)整后的代碼在代碼量方面有所增加。

存儲(chǔ)器相關(guān)的優(yōu)化方法

其他采用存儲(chǔ)相關(guān)的操作能加速程序運(yùn)行，如用查表代替計(jì)算。在處理器資源緊張而存儲(chǔ)器資源相對(duì)富裕的情況下， 可以用犧牲存儲(chǔ)空間換取運(yùn)行速度的辦法。例如需要頻繁計(jì)算正弦或余弦函數(shù)值時(shí)，可預(yù)先將函數(shù)值計(jì)算出來置于內(nèi)存中供以后ARM查找。充分利用片內(nèi)ARM芯片內(nèi)的高速RAM，即ARM芯片內(nèi)的指令和數(shù)據(jù)TCM 或者L1 RAM和L2 RAM。處理器對(duì)片內(nèi)RAM 的訪問速度要快于對(duì)外部RAM 的訪問，所以應(yīng)盡可能將程序調(diào)入片內(nèi)RAM 中運(yùn)行。若因程序太大無法完全放入片內(nèi)RAM ，可考慮ARM將使用最頻繁的數(shù)據(jù)或程序段調(diào)入片內(nèi)RAM 以提高程序運(yùn)行效率。這就是Cache的概念，還可以通過優(yōu)化數(shù)據(jù)和代碼的組織來提高數(shù)據(jù)和代碼的訪問效率。

代碼尺寸優(yōu)化

精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要特點(diǎn)是指令長(zhǎng)度固定， 這樣做可以簡(jiǎn)化指令譯碼的過程，但卻容易導(dǎo)致代碼尺寸增加。為避免這個(gè)問題，可以考慮采取以下措施來縮減程序ARM代碼量。

1）、使用多寄存器操作指令

ARM 指令集中的多寄存器操作指令LDM/STM 可以加載/ 存儲(chǔ)多個(gè)寄存器，這在保存/ 恢復(fù)寄存器組的狀態(tài)及進(jìn)行大塊數(shù)據(jù)復(fù)制時(shí)非常有效。例如要將寄存器R4~R12 及R14 的內(nèi)容保存到堆棧中，若用STR 指令共需要10 條，而一條STMEA R13!, {R4 ?? R12, R14} 指令就能達(dá)到相同的目的，節(jié)省的指令存儲(chǔ)空間相當(dāng)可觀。不過需要注意的是， 雖然一條LDM/STM 指令能代替多條LDR/STR 指令，但這并不意味著程序運(yùn)行速度得到了ARM提高。實(shí)際上處理器在執(zhí)行LDM/STM 指令的時(shí)候還是將它拆分成多條單獨(dú)的LDR/STR 指令來執(zhí)行。

2）、 合理安排變量順序

ARM 7 處理器要求ARM程序中的32 位/16 位變量必須按字/ 半字對(duì)齊，這意味著如果變量順序安排不合理， 有可能會(huì)造成存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)。例如：一個(gè)結(jié)構(gòu)體中的4個(gè)32 位int 型變量i1 ~ i4 和4 個(gè)8 位char 型變量c1 ~ c4，若按照i1、c1、i2、c2、i3、c3、i4、c4 的順序交錯(cuò)存放時(shí)， 由于整型變量的對(duì)齊會(huì)導(dǎo)致位于2 個(gè)整型變量中間的那個(gè)8 位char 型變量實(shí)際占用32 位的存儲(chǔ)器，這樣就造成了存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)。為避免這種情況， 應(yīng)將int 型變量和char 型變量按類似i1、i2、i3、i4、c1、c2、c3、c4 的順序連續(xù)存放。

3）、 使用Thumb 指令

為了從根本上有效ARM降低代碼尺寸，ARM 公司開發(fā)了16 位的Thumb 指令集。Thumb 是ARM 體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充。Thumb 指令集是大多數(shù)常用32 位ARM 指令壓縮成16 位寬指令的集合。在執(zhí)行時(shí)，16 位指令透明的實(shí)時(shí)解壓成32 位ARM 指令并沒有性能損失。而且程序在Thumb狀態(tài)和ARM 狀態(tài)之間切換是零開銷的。與等價(jià)的32 位ARM 代碼相比，Thumb 代碼節(jié)省的存儲(chǔ)器空間可高達(dá)35% 以上。