詳解嵌入式程序設(shè)計中遇到的優(yōu)化問題
時間：2018-07-23 來源：未知
嵌入式系統(tǒng)是受功耗、成本和體積等因素的制約，由于嵌入式一些微處理器的處理能力會有大的差距，所以嵌入式系統(tǒng)在程序的運行上都是比較苛刻的，那么遇到這樣的問題，那就需要對嵌入式應(yīng)用程序來進行性能的優(yōu)化，來滿足需求。
我們首先就要先知道嵌入式程序優(yōu)化的類型有哪些呢?
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)工具對程序進行改進，使修改后的程序運行速度更高或代碼尺寸更小。
按照優(yōu)化的側(cè)重點不同，程序優(yōu)化可分為運行速度優(yōu)化和代碼尺寸優(yōu)化。運行速度優(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)所需的運行時間;代碼尺寸優(yōu)化則是指應(yīng)用程序在能夠正確實現(xiàn)所需功能的前提下，盡可能減小程序的代碼量。實際應(yīng)用中，這兩者往往是相互矛盾的，為了提高程序運行速度，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行速度為代價。因此，在對程序進行優(yōu)化之前，應(yīng)根據(jù)實際需要來制定具體的優(yōu)化策略。隨著計算機和微電子技術(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行速度優(yōu)化。
接下來就是嵌入式程序設(shè)計中優(yōu)化遵循的原則了
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)化前運行速度快或占用存儲空間小，或二者兼有。
③經(jīng)濟原則：優(yōu)化程序要付出較小的代價，取得較好的結(jié)果。
重點來了嵌入式程序優(yōu)化的主要方面：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。
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。
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，提高程序的運行效率。
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、算法流程和程序運行狀態(tài)信息，因而需要編程人員進行手工優(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，以降低運算的強度。
①減少除法運算。用關(guān)系運算符兩邊乘除數(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。在實際調(diào)用中，盡量減少數(shù)據(jù)類型的強制轉(zhuǎn)換;少用浮點運算，如果運算的結(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
當一個變量被頻繁讀/寫時，需要反復(fù)訪問內(nèi)存，花費大量的存取時間。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：
register i,sum=0;
for(i=1;i<=n;i++)
{
sum=sum+i;
...
}
(4)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，對于一些不需要循環(huán)變量參加運算的模塊，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：
優(yōu)化前：
for(i=0;i<100;i++)
{
sum=sum+100;
...
}
優(yōu)化后：
for(i=100;i!=0;i--)
{
sum=sum+100;
...
}
實際運行時，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。可以采用循環(huán)展開的方法來提高循環(huán)運行的速度，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。來換取程序的運行速度。。
(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)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)。
(7)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，通常可以帶來速度上的顯著提高。
(8)查表代替計算
在程序中盡量不進行非常復(fù)雜的運算，如浮點數(shù)的開方。對于這些消耗時間和資源的運算，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。
(9)減少或避免執(zhí)行耗時的操作
應(yīng)用程序的大量運行時問通常花費在關(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。
(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)值運算的一些典型操作和算法進行了手工優(yōu)化，可以很好地發(fā)揮XScale硬件的計算潛能，達到很高的執(zhí)行效率。
(11)利用硬件特性
為了提高程序的運行效率，要充分利用硬件特性來減小其運行開銷，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，運行速度較慢，則可在系統(tǒng)啟動后將Flash或ROM中的目標代碼拷貝至RAM中后執(zhí)行，以提高程序的運行速度。
嵌入式程序設(shè)計必不可少的就是遇到優(yōu)化的問題，那通過上訴一系列的講解，你是不是對嵌入式程序設(shè)計里的優(yōu)化，有了更深一層的理解了呢?我們需要的是根據(jù)實際情況來看，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，代碼優(yōu)化手段對其進行優(yōu)化，最后就是使用高效的編譯器進行編譯優(yōu)化，從而得到高質(zhì)量的代碼。
