剖析幾種主流嵌入式軟件代碼壓縮技術(shù)

       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(yīng)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(wù)。

       ARM、MIPS、IBM以及ARC都提供了降低存儲器占用的技術(shù)，本文將對這幾種架構(gòu)中代碼壓縮技術(shù)的實現(xiàn)進(jìn)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(bǔ)。如果你關(guān)注存儲器的消耗，選擇恰當(dāng)?shù)奶幚砥鞑⒕恼{(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(jī))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(shè)計用于通用計算機(jī)和工作站，在其設(shè)計時認(rèn)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(yán)格的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而言，在RAM或ROM上5美元的成本差異，就能導(dǎo)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)

       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(dāng)簡潔、有效。

       Thumb 實際上是添加到ARM的標(biāo)準(zhǔn)RISC指令集之上的獨(dú)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(jìn)行切換。Thumb指令集架構(gòu)(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(wù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)ARM代碼不能混雜使用，必須顯式地在兩種模式間進(jìn)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(dú)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(gòu)，在Thumb模式中無法完成所有你希望的工作。Thumb模式無法進(jìn)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(shù)和邏輯操作有用，其他的任何工作必須使用ARM的標(biāo)準(zhǔn)32位指令集來完成。

        Thumb的限制不僅表現(xiàn)在指令集上，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)模式下ARM代碼那樣進(jìn)行條件執(zhí)行和移位或循環(huán)移位操作。在標(biāo)準(zhǔn)ARM代碼和Thumb代碼間進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)(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(yùn)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(jìn)行壓縮會導(dǎo)致代碼運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(wù)能夠在這些限制下完成，Thumb可以節(jié)約不少成本。Thumb技術(shù)已經(jīng)得到每一款A(yù)RM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(yīng)該相當(dāng)輕松。

       MIPS處理器

       理解了Thumb技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)模式和MIPS16e模式之間來回切換，這也將導(dǎo)致付出時間和增加代碼的開銷。除非能在“壓縮”模式上運(yùn)行相當(dāng)長時間，否則沒有必要進(jìn)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(jìn)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(wù)，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(jìn)行壓縮的，只有代碼能夠被壓縮。如果你應(yīng)用代碼中包括了大量的靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，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(fèi)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(shù)

        值得提前說明的是，IBM的CodePack方法是各種代碼壓縮技術(shù)中最復(fù)雜的。與Thumb和MIPS16e不同，CodePack系統(tǒng)是真正對運(yùn)行代碼進(jìn)行壓縮，就好像在PowerPC軟件中運(yùn)行WinZip。CodePack會分析并壓縮整個程序，生成的用戶代碼必須在運(yùn)行中解壓縮并執(zhí)行壓縮版本。盡管很復(fù)雜，CodePack和其它技術(shù)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(shù)。在使用該技術(shù)時，只須和平常一樣使用標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行CodePack壓縮工具對代碼進(jìn)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(dāng)運(yùn)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(yùn)行中解開壓縮的代碼，就好像直接運(yùn)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(yīng)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(dú)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(yùn)行相應(yīng)的程序。如果丟失了或者未獲得相應(yīng)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(jìn)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(fù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(rèn)配置會產(chǎn)生16位操作(為了強(qiáng)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(guān)掉這個功能)。

       ARC 可以混合不同長度代碼而不必付出相應(yīng)的開銷，是因為其指令架構(gòu)要比ARM和MIPS新。那些RISC架構(gòu)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(gòu)，以及像x86和68k舊的架構(gòu)擁有這些位。無論是出于無意還是遠(yuǎn)見，變長度指令架構(gòu)因為更緊湊的代碼而具優(yōu)勢。

       Thumb的改進(jìn)版--Thumb-2

        就在最近，ARM對其代碼壓縮系統(tǒng)進(jìn)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(yùn)行16位與32位混合代碼?？偟膩碚f，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(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)”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(shè)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(biāo)準(zhǔn)ARM代碼相比，它還是要花費(fèi)多一些的Thumb-2指令來完成特定的任務(wù)。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(yùn)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(jìn)制兼容。盡管支持Thumb-2 的新型處理器將能運(yùn)行現(xiàn)有的ARM和Thumb代碼，但反之則不行。當(dāng)Thumb-2廣泛推廣后，它將創(chuàng)建一套單獨(dú)但等價的軟件庫。