嵌入式程序的优化

嵌入式程序的优化

　　嵌入式程序的优化【1】

　　摘要：针对嵌入式系统的特点，介绍了几种在嵌入式系统程序设计中优化C语言代码的方法，从而提高系统的性能。

　　关键词：C程序设计;程序优化;代码优化

　　Abstract: According to the characteristics of embedded system, the paper introduced ways of C language code optimization in embedded system design so as enhance the performance of the system.

　　Key words: C program design; process optimization; code optimization

　　随着数字信息技术和网络技术高速发展嵌入式系统已经广泛渗透到科学研究领域、各类产业和商业文化艺术以及人们的日常生活中，嵌入式计算机是完成某些特定功能的计算机系统，并且软硬件可裁剪。

　　具有形态和性能更加小型化,多功能,低功耗等特点，已成为当今计算机技术发展的一个重要标志!

　　程序优化是指对解决同一问题的几个不同的程序,进行比较、修改、调整或重新编写程序，把一般程序变换为语句最少、占用内存量少、处理速度最快、外部设备分时使用效率最高的最优程序。

　　1嵌入式程序优化遵循的原则

　　嵌入式程序优化主要有以下3个原则：

　　①等效原则:实现的功能需一致。

　　②有效原则:使得运行速度快或占用存储空间小,或兼得。

　　③经济原则:要付出较小的成本。

　　2嵌入式程序优化的主要实施方法

　　分别为:算法优化、编译优化以及代码优化。

　　2.1算法优化

　　选择和构造适合于问题的算法;(冒泡排序还是快排的选择问题是这一级早就应该完成的)很多经典算法都对问题作了一些假设(包括我们当前已经完成的算法实现)，而在面对实际问题时我们应该重新检视这些假设，并尝试不同的思考问题的角度，寻求适合于问题的新算法;发掘问题的本来意义，从不同的角度思考面对的问题，使用适合于问题的的算法;尝试打破一些规则，发掘和怀疑自己的某些假定，恢复问题的本来面目。

　　2.2编译优化

　　目前很多编译器都可实现代码优化功能，且提供的代码也很紧凑。

　　使用编译器，能得到性能不错的代码。

　　然而，机器不能像人类那样有创造性。

　　所以，我们还需要手工来做一些事情。

　　C语言代码的优化是很难，且很需要技巧的工作。

　　大部分编译器可以生成为处理器进行过特殊优化处理的代码，如果进行修改，会造成特殊优化的破坏导致失效。

　　所以，在决定优化代码之前，一定要测试一下，是自己的代码更好还是编译器生成的代码好。

　　在嵌入式软件开发过程中应挑选优化能力较强的编译器,使其发挥代码优化功能,来生成高效的代码,提高程序的运行效率。

　　2.3代码优化

　　1)变量的处理

　　编程过程中，解决初始化的问题，最好使用英文单词的缩写来代表变量。

　　用缩写的好处可以加快程序的运行速度并减少占用的内存。

　　再一个就是变量类型的选取，选取的范围越小也可以提高运行速度和降低内存的占有，不过算术运算时容易产生溢出。

　　函数调用越频繁时，为提高代码的效率，可以把声明的局部变量通过编译器放入寄存器中，而不是放入堆栈。

　　变量值很大，要使用变量作返回值，会很费时间。

　　使用参数作为返回值时间上会快些，因为没有变量返回的复制时间的问题。

　　但安全性上和函数重复使用上差，因为参数返回破坏了参数值。

　　最好在编译时，小的变量用指针返回，小的常量用变量返回，大的常量用参数或静态方法返回。

　　还有就是使用全局变量比函数传参数效率更高，不过要牺牲程序的重入和模块化，它是因为节约了参数入栈和出栈的时间。

　　2)适当的使用宏

　　在嵌入式系统中，使用宏代替函数的方法来满足性能要求，是在传递参数较多而函数较短的情况下不错的选择。

　　对宏的使用和定义需要谨慎，它可以实现类似函数的功能，又不像函数需要调用返回的好方法，它实质上并不是函数，需要考虑到展开后难以预料的结果。

　　如果宏的参数是复合结构，因为它只是简单的替换，这里就要考虑操作符的优先级问题，单个参数内部各部分之间相互作用的操作符优先级低于各个参数之间的操作符优先级，在替换之后，我们需要括号保护宏参数，否则会产生预想不到的情形。

　　如果宏的参数是一个函数，展开时会对其参数多次取值，那么就有可能被调用多次从而达到不一致的结果，并有可能产生严重错误。

　　3)数组的处理

　　(1)数组在使用前需要对其先初始化。

　　数组的范围在初始化时空着不添，在执行时将由数组自动加入，可以提高程序的运行速度。

　　由于事先定义的范围可能过大，造成存储的浪费。

　　(2)大部分情况下，数组索引用指针运算来替换，可以得到既快又短的代码。

　　指针运算一般占用空间少，运行速度更快。

　　尤其是使用多维数组时效果更明显。

　　一下是两段作用相同，效率不同的代码：

　　数组索引指针运算

　　for(;;){p=array

　　a=array[s++];for(;;){

　　……a=*(p++);

　　……

　　}}

　　指针方法的优点就是array的地址每次装入地址p后，每次循环中，只需对p增量操作。

　　在数组索引方法中，每次循环中都必须进行基于s值求数组下标的复杂运算。

　　4)避免使用除法

　　ARM指令集没有整数除法指令，通常除法指令由C语言库中的函数执行。

　　对于不同的分子和分母，一个32位除法通常需要20至140个时钟周期，执行除法函数的时间由一个固定时间加上每一位相除的时间。

　　由于除法操作较费时，所以应该避免使用除法。

　　我们知道，除法运算是乘法运算的逆运算，可通过改变表达式，把除法运算改成乘法运算。

　　因为无符号数除法的速度要高于有符号数的除法，如果其中有一个是无符号操作数最好使用无符号除法指令。

　　5)使用合适的数据类型

　　采用尽可能小的数据类型：可以用字符型定义的变量，就不要拿整型来定义，能拿整型定义的就不要拿长整型来定义，能不拿浮点型就不要拿浮点型来定义。

　　当然，一定要防止“溢出”现象，若超过变量的取值范围后，系统并不会给出“出错信息”，要靠我们的细心和经验来确保结果的正确。

　　在确定表达式是float型和浮点型变量需注意：许多C编译器把实型常量视为双精度处理，降低了运算速度换来了更精确的结果，所以我们最好用“.F”、“.f”为后缀及在函数声明时使用float型。

　　使用有符号整型变量时，要考虑是否有必要使用有符号的变量，一些情况下，有符号的运算比较快，但有时却相反。

　　例如：把整型转化为浮点型时，用大于16位的有符号整型比较快。

　　因为x86构架中没有提供从无符号整型转化到浮点型的指令，因为在整数运算中需计算商和余数，所以用无符号类型比较快。

　　6)使用寄存器变量

　　当一个变量被频繁读/写时,要花费许多存取时间，反复访问内存。

　　可以使用CPU寄存器变量来提高效率，它可以直接进行读/写，不需要访问内存。

　　循环体内反复使用的变量和循环次数较多的循环控制变量都可定义为寄存器变量。

　　静态存储方式的变量都不能定义为寄存器变量，因为寄存器变量属于动态存储方式，所以只有局部自动变量和形参才可以定义为寄存器变量。

　　寄存器变量的说明符是register。

　　下面是一个采用寄存器变量的例子:

　　register i,sum=0;

　　for(i=1;i<=n;i++){

　　sum= sum+i;

　　…

　　}

　　7)If函数

　　在条件语句的判别中，先执行前面的判别，如果条件不满足再执行后面的判断。

　　最好将出现可能性最大的条件放在前面。

　　假如x数值为0-99中的任何一个数，并且概率相同。

　　if(x>10){ int x=11;}

　　else if(x<10){ int x=9;}

　　else (x==10){ int x=10;}

　　以上程序，当产生的x数值在10-99之间时(可能性最大)，满足第一个条件后计算机就直接从上述程序中返回而不再执行第二和第三个判别了，节省了运行的时间。

　　8)Switch语句中根据发生频率来进行case排序

　　Switch语句是一个普通的编程技术，编译器会产生if-else-if的嵌套代码，并按照顺序进行比较，发现匹配时，就跳转到满足条件的语句执行。

　　使用时要留意，每一个测试和跳转只是为了决定下一步要做什么，很浪费处理时间。

　　为提高效率，可以把最可能发生的情况放在第一位，最不可能的情况放在最后。

　　9)使用布尔表达式

　　在C语言中，使用布尔表达式可以用来对变量是否在一定范围内进行检查。

　　例如布尔表达式x>=min&&x　　3结论

　　嵌入式程序的性能优化与软件的开发周期、开发成本、软件的可读性之间通常存在矛盾。

　　在编程时，应尽量优化自己的程序，减少不必要的运算，如果有多种编程方式可完成同一功能，应尽量选择一种使程序最简洁，高效的方法。

　　参考文献：

　　[1]刘锋,张晓林.浅析嵌入式程序设计中的优化问题[J].单片机与嵌入式系统应用,2006(12).

　　[2]王翠娥.浅析嵌入式C程序设计的优化[J].信息与电脑(理论版),2009(12).

　　[3]刘剑鸣.嵌入式程序设计中C/C++代码的优化[J].微计算机信息,2003(12).

　　[4]金丽,包志华,陈海进.基于ARM嵌入式系统的C程序优化设计方法[J].南通大学学报:自然科学版,2006(3).

　　[5]曾振河.在ARM实时系统中提高程序执行的效率[J].漳州职业技术学院学报,2008(1).

　　[6]潭浩强.C程序设计[M].2版.北京:清华大学出版社,1999.

　　[7]陈波,石旭刚,史故臣.嵌入式C语言在系统开发中的代码优化[J].计算机时代,2008(11).

　　[8]王军安.浅析嵌入式系统的软件优化设计[J].计算机工程与应用,2004(3).

　　[9]覃征,王志敏,王向华,等.程序设计方法与优化[M].西安:西安交通大学出版社,2004.

　　嵌入式程序设计中的优化问题【2】

　　嵌入式系统由于受功耗、成本和体积等因素的制约，嵌入式微处理器的处理能力与桌面系统处理器相比也存在较大差距，故嵌入式系统对程序运行的空间和时间要求更为苛刻。

　　通常，需要对嵌入式应用程序进行性能优化，以满足嵌入式应用的性能需求。

　　1 嵌入式程序优化的类型

　　嵌入式应用程序优化，指在不改变程序功能的情况下，通过修改原来程序的算法、结构，并利用软件开发工具对程序进行改进，使修改后的程序运行速度更高或代码尺寸更小。

　　按照优化的侧重点不同，程序优化可分为运行速度优化和代码尺寸优化。

　　运行速度优化是指在充分掌握软硬件特性的基础上，通过应用程序结构调整等手段来缩短完成指定任务所需的运行时间;代码尺寸优化则是指应用程序在能够正确实现所需功能的前提下，尽可能减小程序的代码量。

　　实际应用中，这两者往往是相互矛盾的，为了提高程序运行速度，就要以增加代码量为代价;而为了减小程序代码尺寸，可能又要以降低程序运行速度为代价。

　　因此，在对程序进行优化之前，应根据实际需要来制定具体的优化策略。

　　随着计算机和微电子技术的不断发展，存储空间已不再是制约嵌入式系统的主要因素，因此本文主要讨论运行速度优化。

　　2 嵌入式程序优化遵循的原则

　　嵌入式程序优化主要遵循以下3个原则。

　　①等效原则：优化前后程序实现的功能一致。

　　②有效原则：优化后要比优化前运行速度快或占用存储空间小，或二者兼有。

　　③经济原则：优化程序要付出较小的代价，取得较好的结果。

　　3 嵌入式程序优化的主要方面

　　嵌入式程序的优化分为3个方面：算法和数据结构优化、编译优化以及代码优化。

　　3.1 算法和数据结构优化

　　算法和数据结构是程序设计的核心所在，算法的好坏在很大程度上决定了程序的优劣。

　　为了实现某种功能，通常可以采用多种算法，不同算法的复杂度和效率差别很大。

　　选择一种高效的算法或对算法进行优化，可以使应用程序获得更高的优化性能。

　　例如：在数据搜索时，二分查找法要比顺序查找法快。

　　递归程序需要大量的过程调用，并在堆栈中保存所有返回过程的局部变量，时间效率和空间效率都非常低;若根据实际情况对递归程序采用迭代、堆栈等方法进行非递归转换，则可大幅度提高程序的性能。

　　数据结构在程序的设计中也占有重要的地位。

　　例如：如果在一些无序的数据中多次进行插入、删除数据项操作，那么采用链表结构就会比较快。

　　算法和数据结构优化是首选的优化技术。

　　3.2 编译优化

　　现在，很多的编译器都具有一定的代码优化功能。

　　在编译时，借用并行程序设计技术，进行相关性分析;获得源程序的语义信息，采用软件流水线、数据规划、循环重构等技术，自动进行一些与处理器体系无关的优化，生成高质量的代码。

　　许多编译器有不同级别的优化选项，可以选用一种合适的优化方式。

　　通常情况下，如果选用了最高级别的优化方式，那么编译器将片面追求代码的优化，有时会导致错误。

　　另外，还有一些专用的编译器针对某些体系结构进行了优化设计，可以充分利用硬件资源来生成高质量的代码。

　　例如：Microsoft eMbedded Visual C++版的Intel编译器完全针对Intel XScale体系，经过高度优化，能创建运行速度更快的代码。

　　此编译器采用了多种优化技术，包括优化指令管道操作的调度技术、双重加载与存储Intel XScale技术功能支持以及过程间优化(将函数使用的变量存放到寄存器，以便快速访问)等。

　　在嵌入式软件开发过程中应选择一种优化能力强的编译器，充分利用其代码优化功能，生成高效的代码，提高程序的运行效率。

　　3.3 代码优化

　　代码优化，就是采用汇编语言或更精简的程序代码来代替原有的代码，使编译后的程序运行效率更高。

　　编译器可以自动完成程序段和代码块范围内的优化，但很难获取程序语义信息、算法流程和程序运行状态信息，因而需要编程人员进行手工优化。

　　以下是一些常用的优化技术和技巧。

　　(1)代码替换

　　使用周期短的指令代替周期长的指令，以降低运算的强度。

　　①减少除法运算。

　　用关系运算符两边乘除数避免除法操作，还有一些除法和取模的运算可以用位操作来代替。

　　因为位操作指令只需一个指令周期，而“/”运算则需要调用子程序，代码长，执行慢。

　　例如：

　　优化前if((a/b)>c)和a=a/4

　　优化后if(a>(b*c))和a=a>>2

　　②减少乘方运算。

　　例如：

　　优化前a=pow(a，3.0)

　　优化后a=a*a*a

　　③使用白加、自减指令。

　　例如：

　　优化前a=a+1、a=a-l

　　优化后a++、a--或inc、dec

　　④尽量使用小的数据类型。

　　在所定义的变量满足使用要求的条件下，优先使用顺序为：字符型(char)>整型(im)>长整型(long int)>浮点型(float)。

　　对除法来说，使用无符号数比有符号数会有更高的效率。

　　在实际调用中，尽量减少数据类型的强制转换;少用浮点运算，如果运算的结果能够控制在误差之内，则可用长整型代替浮点型。

　　(2)全局变量与局部变量

　　少用全局变量，多用局部变量。

　　全局变量是放在数据存储器中的，定义了全局变量，MCU就少了一个可以利用的数据存储器空间，太多的全局变量，会导致编译器无足够的内存分配;而局部变量则大多定位于MCU内部的寄存器中。

　　在绝大多数的MCU中，使用寄存器的操作速度比数据存储器快，指令也更灵活，有利于生成质量更高的代码，而且局部变量所占用的寄存器和数据存储器在不同的模块中可以重复利用。

　　(3)使用寄存器变量

　　当一个变量被频繁读/写时，需要反复访问内存，花费大量的存取时间。

　　为了提高访问效率，可以使用CPU寄存器变量，不需要访问内存，直接进行读/写。

　　循环次数较多的循环控制变量及循环体内反复使用的变量均可定义为寄存器变量，而循环计数是应用寄存器变量的最佳选择。

　　只有局部自动变量和形参才可以定义为寄存器变量。

　　因为寄存器变量属于动态存储方式，因此凡需要采用静态存储方式的变量都不能定义为寄存器变量。

　　寄存器变量的说明符是register。

　　下面是一个采用寄存器变量的例子：

　　(4)减少或避免执行耗时的操作

　　应用程序的大量运行时问通常花费在关键程序模块，关键模块往往包含循环或嵌套循环。

　　减少循环中耗时的操作，可以提高程序的执行速度。

　　常见的耗时操作有：输入/输出操作、文件访问、图形界面操作和系统调用等。

　　其中，如果无法避免文件的读/写，那么对文件的访问将是影响程序运行速度的一大因素。

　　提高文件访问速度的方法有两种：一种是采用内存映射文件;另一种是使用内存缓存。

　　(5)switch语句用法的优化

　　编程时，对case值按照可能性排序，将最可能发生的情况放在第一个，最不可能的情况放在最后一个，可以提高switch语句块的执行速度。

　　(6)循环体的优化

　　循环体是程序设计和优化的重点，对于一些不需要循环变量参加运算的模块，可以把它放到循环的外面。

　　对于次数固定的循环体，for循环比while循环效率更高，减计数循环比增计数循环速度快。

　　例如：

　　实际运行时，每次循环需要在循环体外加两条指令：一条减法指令(减少循环计数值)和一条条件分支指令。

　　这些指令称为“循环开销”。

　　在ARM处理器上，减法指令需要1个周期，条件分支指令需要3个周期，这样每个循环另加了4个周期的开销。

　　可以采用循环展开的方法来提高循环运行的速度，即：重复循环主题多次，并按同样的比例减少循环次数来减小循环的开销，以增加代码尺寸。

　　来换取程序的运行速度。

　　(7)函数调用

　　高效的调用函数，尽量限制使用函数的参数个数，不要超过4个。

　　ARM调用时，4个以下的形参通过寄存器传递，第5个以上的形参通过存储器栈传递。

　　如果有更多的参数调用，则可将相关的参数组织在一个结构体内，用传递结构体指针来代替参数。

　　(8)内联函数和内嵌汇编

　　对性能影响大的重要函数可以使用关键字_inline内联，会省去调用函数的开销，负面影响是增加了代码尺寸。

　　程序中对时间要求苛刻的部分可以用内嵌汇编来编写，通常可以带来速度上的显著提高。

　　(9)查表代替计算

　　在程序中尽量不进行非常复杂的运算，如浮点数的开方。

　　对于这些消耗时间和资源的运算，可以采用空间换取时间的方法。

　　预先将函数值计算出来，置于程序存储区中，以后程序运行时直接查表即可，减小了程序执行过程中重复计算的工作量。

　　(10)使用针对硬件优化的函数库

　　Intel公司为XScale处理器设计的GPP(Graphics Performance Primitives library)/IPP(Integrated Perform-ance Primitives library)库，针对多媒体处理、图形处理和数值运算的一些典型操作和算法进行了手工优化，可以很好地发挥XScale硬件的计算潜能，达到很高的执行效率。

　　(11)利用硬件特性

　　为了提高程序的运行效率，要充分利用硬件特性来减小其运行开销，例如减少中断次数、利用DMA传输方式等。

　　CPU对各种存储器的访问速度排序依次为：CPU内部RAM>外部同步RAM>外部异步RAM>Flash/ROM。

　　对于已经烧录在Flash或ROM中的程序代码，如果让CPU直接从中读取代码执行，运行速度较慢，则可在系统启动后将Flash或ROM中的目标代码拷贝至RAM中后执行，以提高程序的运行速度。

　　4 结论

　　嵌入式程序的性能优化与软件的开发周期、开发成本、软件的可读性之闻通常存在矛盾。

　　要权衡利弊，作出折中的选择。

　　将算法和数据结构优化作为首选优化技术;然后根据功能、性能差异和投资预算等因素选择高效的编译器、系统运行库和图形库;使用性能监测工具侦测占主要运行时间的程序热点，采用代码优化手段对其进行优化;最后使用高效的编译器进行编译优化，从而得到高质量的代码。

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