淺析嵌入式程序設(shè)計中的優(yōu)化問題
1 嵌入式程序優(yōu)化的類型
嵌入式應(yīng)用程序優(yōu)化，指在不改變程序功能的情況下，通過修改原來程序的算法、結(jié)構(gòu)，并利用軟件開發(fā)工具對程序進(jìn)行改進(jìn)，使修改后的程序運(yùn)行速度更高或代碼尺寸更小。
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，通過應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)調(diào)整等手段來縮短完成指定任務(wù)所需的運(yùn)行時間；代碼尺寸優(yōu)化則是指應(yīng)用程序在能夠正確實(shí)現(xiàn)所需功能的前提下，盡可能減小程序的代碼量。實(shí)際應(yīng)用中，這兩者往往是相互矛盾的，為了提高程序運(yùn)行速度，就要以增加代碼量為代價；而為了減小程序代碼尺寸，可能又要以降低程序運(yùn)行速度為代價。因此，在對程序進(jìn)行優(yōu)化之前，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要來制定具體的優(yōu)化策略。隨著計算機(jī)和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，存儲空間已不再是制約嵌入式系統(tǒng)的主要因素，因此本文主要討論運(yùn)行速度優(yōu)化。
2 嵌入式程序優(yōu)化遵循的原則
嵌入式程序優(yōu)化主要遵循以下3個原則。
①等效原則：優(yōu)化前后程序?qū)崿F(xiàn)的功能一致。
②有效原則：優(yōu)化后要比優(yōu)化前運(yùn)行速度快或占用存儲空間小，或二者兼有。
③經(jīng)濟(jì)原則：優(yōu)化程序要付出較小的代價，取得較好的結(jié)果。
3 嵌入式程序優(yōu)化的主要方面
嵌入式程序的優(yōu)化分為3個方面：算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、編譯優(yōu)化以及代碼優(yōu)化。
3.1 算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化
算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是程序設(shè)計的核心所在，算法的好壞在很大程度上決定了程序的優(yōu)劣。為了實(shí)現(xiàn)某種功能，通常可以采用多種算法，不同算法的復(fù)雜度和效率差別很大。選擇一種高效的算法或?qū)λ惴ㄟM(jìn)行優(yōu)化，可以使應(yīng)用程序獲得更高的優(yōu)化性能。例如：在數(shù)據(jù)搜索時，二分查找法要比順序查找法快。遞歸程序需要大量的過程調(diào)用，并在堆棧中保存所有返回過程的局部變量，時間效率和空間效率都非常低；若根據(jù)實(shí)際情況對遞歸程序采用迭代、堆棧等方法進(jìn)行非遞歸轉(zhuǎn)換，則可大幅度提高程序的性能。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在程序的設(shè)計中也占有重要的地位。例如：如果在一些無序的數(shù)據(jù)中多次進(jìn)行插入、刪除數(shù)據(jù)項操作，那么采用鏈表結(jié)構(gòu)就會比較快。
算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化是首選的優(yōu)化技術(shù)。
3．2 編譯優(yōu)化
現(xiàn)在，很多的編譯器都具有一定的代碼優(yōu)化功能。在編譯時，借用并行程序設(shè)計技術(shù)，進(jìn)行相關(guān)性分析；獲得源程序的語義信息，采用軟件流水線、數(shù)據(jù)規(guī)劃、循環(huán)重構(gòu)等技術(shù)，自動進(jìn)行一些與處理器體系無關(guān)的優(yōu)化，生成高質(zhì)量的代碼。許多編譯器有不同級別的優(yōu)化選項，可以選用一種合適的優(yōu)化方式。通常情況下，如果選用了最高級別的優(yōu)化方式，那么編譯器將片面追求代碼的優(yōu)化，有時會導(dǎo)致錯誤。
另外，還有一些專用的編譯器針對某些體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，可以充分利用硬件資源來生成高質(zhì)量的代碼。例如：Microsoft eMbedded Visual C++版的Intel編譯器完全針對Intel XScale體系，經(jīng)過高度優(yōu)化，能創(chuàng)建運(yùn)行速度更快的代碼。此編譯器采用了多種優(yōu)化技術(shù)，包括優(yōu)化指令管道操作的調(diào)度技術(shù)、雙重加載與存儲Intel XScale技術(shù)功能支持以及過程間優(yōu)化(將函數(shù)使用的變量存放到寄存器，以便快速訪問)等。
在嵌入式軟件開發(fā)過程中應(yīng)選擇一種優(yōu)化能力強(qiáng)的編譯器，充分利用其代碼優(yōu)化功能，生成高效的代碼，提高程序的運(yùn)行效率。
3．3 代碼優(yōu)化
代碼優(yōu)化，就是采用匯編語言或更精簡的程序代碼來代替原有的代碼，使編譯后的程序運(yùn)行效率更高。編譯器可以自動完成程序段和代碼塊范圍內(nèi)的優(yōu)化，但很難獲取程序語義信息、算法流程和程序運(yùn)行狀態(tài)信息，因而需要編程人員進(jìn)行手工優(yōu)化。以下是一些常用的優(yōu)化技術(shù)和技巧。
(1)代碼替換
使用周期短的指令代替周期長的指令，以降低運(yùn)算的強(qiáng)度。
①減少除法運(yùn)算。用關(guān)系運(yùn)算符兩邊乘除數(shù)避免除法操作，還有一些除法和取模的運(yùn)算可以用位操作來代替。因為位操作指令只需一個指令周期，而“／”運(yùn)算則需要調(diào)用子程序，代碼長，執(zhí)行慢。例如：
優(yōu)化前if((a／b)>c)和a=a／4
優(yōu)化后if(a>(b*c))和a=a>>2
②減少乘方運(yùn)算。例如：
優(yōu)化前a=pow(a，3．0)
優(yōu)化后a=a*a*a
③使用白加、自減指令。例如：
優(yōu)化前a=a+1、a=a-l
優(yōu)化后a++、a--或inc、dec
④盡量使用小的數(shù)據(jù)類型。在所定義的變量滿足使用要求的條件下，優(yōu)先使用順序為：字符型(char)>整型(im)>長整型(long int)>浮點(diǎn)型(float)。
對除法來說，使用無符號數(shù)比有符號數(shù)會有更高的效率。在實(shí)際調(diào)用中，盡量減少數(shù)據(jù)類型的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換；少用浮點(diǎn)運(yùn)算，如果運(yùn)算的結(jié)果能夠控制在誤差之內(nèi)，則可用長整型代替浮點(diǎn)型。
(2)全局變量與局部變量
少用全局變量，多用局部變量。全局變量是放在數(shù)據(jù)存儲器中的，定義了全局變量，MCU就少了一個可以利用的數(shù)據(jù)存儲器空間，太多的全局變量，會導(dǎo)致編譯器無足夠的內(nèi)存分配；而局部變量則大多定位于MCU內(nèi)部的寄存器中。在絕大多數(shù)的MCU中，使用寄存器的操作速度比數(shù)據(jù)存儲器快，指令也更靈活，有利于生成質(zhì)量更高的代碼，而且局部變量所占用的寄存器和數(shù)據(jù)存儲器在不同的模塊中可以重復(fù)利用。
(3)使用寄存器變量
當(dāng)一個變量被頻繁讀／寫時，需要反復(fù)訪問內(nèi)存，花費(fèi)大量的存取時間。為了提高訪問效率，可以使用CPU寄存器變量，不需要訪問內(nèi)存，直接進(jìn)行讀／寫。循環(huán)次數(shù)較多的循環(huán)控制變量及循環(huán)體內(nèi)反復(fù)使用的變量均可定義為寄存器變量，而循環(huán)計數(shù)是應(yīng)用寄存器變量的最佳選擇。只有局部自動變量和形參才可以定義為寄存器變量。因為寄存器變量屬于動態(tài)存儲方式，因此凡需要采用靜態(tài)存儲方式的變量都不能定義為寄存器變量。寄存器變量的說明符是register。下面是一個采用寄存器變量的例子：
(4)減少或避免執(zhí)行耗時的操作
應(yīng)用程序的大量運(yùn)行時問通常花費(fèi)在關(guān)鍵程序模塊，關(guān)鍵模塊往往包含循環(huán)或嵌套循環(huán)。減少循環(huán)中耗時的操作，可以提高程序的執(zhí)行速度。常見的耗時操作有：輸入/輸出操作、文件訪問、圖形界面操作和系統(tǒng)調(diào)用等。其中，如果無法避免文件的讀／寫，那么對文件的訪問將是影響程序運(yùn)行速度的一大因素。提高文件訪問速度的方法有兩種：一種是采用內(nèi)存映射文件；另一種是使用內(nèi)存緩存。
(5)switch語句用法的優(yōu)化
編程時，對case值按照可能性排序，將最可能發(fā)生的情況放在第一個，最不可能的情況放在最后一個，可以提高switch語句塊的執(zhí)行速度。
(6)循環(huán)體的優(yōu)化
循環(huán)體是程序設(shè)計和優(yōu)化的重點(diǎn)，對于一些不需要循環(huán)變量參加運(yùn)算的模塊，可以把它放到循環(huán)的外面。對于次數(shù)固定的循環(huán)體，for循環(huán)比while循環(huán)效率更高，減計數(shù)循環(huán)比增計數(shù)循環(huán)速度快。例如：
實(shí)際運(yùn)行時，每次循環(huán)需要在循環(huán)體外加兩條指令：一條減法指令(減少循環(huán)計數(shù)值)和一條條件分支指令。這些指令稱為“循環(huán)開銷”。在ARM處理器上，減法指令需要1個周期，條件分支指令需要3個周期，這樣每個循環(huán)另加了4個周期的開銷?？梢圆捎醚h(huán)展開的方法來提高循環(huán)運(yùn)行的速度，即：重復(fù)循環(huán)主題多次，并按同樣的比例減少循環(huán)次數(shù)來減小循環(huán)的開銷，以增加代碼尺寸。來換取程序的運(yùn)行速度。。
(7)函數(shù)調(diào)用
高效的調(diào)用函數(shù)，盡量限制使用函數(shù)的參數(shù)個數(shù)，不要超過4個。ARM調(diào)用時，4個以下的形參通過寄存器傳遞，第5個以上的形參通過存儲器棧傳遞。如果有更多的參數(shù)調(diào)用，則可將相關(guān)的參數(shù)組織在一個結(jié)構(gòu)體內(nèi)，用傳遞結(jié)構(gòu)體指針來代替參數(shù)。
(8)內(nèi)聯(lián)函數(shù)和內(nèi)嵌匯編
對性能影響大的重要函數(shù)可以使用關(guān)鍵字_inline內(nèi)聯(lián)，會省去調(diào)用函數(shù)的開銷，負(fù)面影響是增加了代碼尺寸。程序中對時間要求苛刻的部分可以用內(nèi)嵌匯編來編寫，通?？梢詭硭俣壬系娘@著提高。
(9)查表代替計算
在程序中盡量不進(jìn)行非常復(fù)雜的運(yùn)算，如浮點(diǎn)數(shù)的開方。對于這些消耗時間和資源的運(yùn)算，可以采用空間換取時間的方法。預(yù)先將函數(shù)值計算出來，置于程序存儲區(qū)中，以后程序運(yùn)行時直接查表即可，減小了程序執(zhí)行過程中重復(fù)計算的工作量。
(10)使用針對硬件優(yōu)化的函數(shù)庫
Intel公司為XScale處理器設(shè)計的GPP(Graphics Performance Primitives library)／IPP(Integrated Perform-ance Primitives library)庫，針對多媒體處理、圖形處理和數(shù)值運(yùn)算的一些典型操作和算法進(jìn)行了手工優(yōu)化，可以很好地發(fā)揮XScale硬件的計算潛能，達(dá)到很高的執(zhí)行效率。
(11)利用硬件特性
為了提高程序的運(yùn)行效率，要充分利用硬件特性來減小其運(yùn)行開銷，例如減少中斷次數(shù)、利用DMA傳輸方式等。
CPU對各種存儲器的訪問速度排序依次為：CPU內(nèi)部RAM>外部同步RAM>外部異步RAM>Flash／ROM。對于已經(jīng)燒錄在Flash或ROM中的程序代碼，如果讓CPU直接從中讀取代碼執(zhí)行，運(yùn)行速度較慢，則可在系統(tǒng)啟動后將Flash或ROM中的目標(biāo)代碼拷貝至RAM中后執(zhí)行，以提高程序的運(yùn)行速度。
4 結(jié)論
嵌入式程序的性能優(yōu)化與軟件的開發(fā)周期、開發(fā)成本、軟件的可讀性之聞通常存在矛盾。要權(quán)衡利弊，作出折中的選擇。將算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化作為首選優(yōu)化技術(shù)；然后根據(jù)功能、性能差異和投資預(yù)算等因素選擇高效的編譯器、系統(tǒng)運(yùn)行庫和圖形庫；使用性能監(jiān)測工具偵測占主要運(yùn)行時間的程序熱點(diǎn)，采用代碼優(yōu)化手段對其進(jìn)行優(yōu)化；最后使用高效的編譯器進(jìn)行編譯優(yōu)化，從而得到高質(zhì)量的代碼。
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