過(guò)怡

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程系,蘇州 215104)

引 言

ARM處理器以其高性能、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于各種成功的32位嵌入式系統(tǒng)中。提高執(zhí)行速度和減小代碼尺寸是嵌入式軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵需求。盡管大多數(shù)的ARM編譯器和調(diào)試器都帶有性能優(yōu)化工具,但是為了保證其正確性,編譯器必須是穩(wěn)妥和安全的,而且它還受到處理器自身結(jié)構(gòu)的限制。因此,編程人員必須在理解編譯器工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)現(xiàn)代碼優(yōu)化。代碼的優(yōu)化方法較多,本文針對(duì)函數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行闡述。

1 函數(shù)局部變量的數(shù)據(jù)類型

局部變量包括函數(shù)內(nèi)局部變量、函數(shù)參數(shù)、函數(shù)返回值。由于ARM數(shù)據(jù)操作都是32位,即使數(shù)據(jù)本身只需要8位或16位,對(duì)于這三類局部變量也應(yīng)盡可能使用32位的數(shù)據(jù)類型int或long,以提高代碼執(zhí)行效率。下面以簡(jiǎn)單求和函數(shù)為例進(jìn)行分析。

函數(shù)add1計(jì)算包含10個(gè)字的數(shù)組array的累加和,add2與add1功能相同,只是將函數(shù)add1的參數(shù)array類型改為16位的short,函數(shù)內(nèi)局部變量i類型改為8位的char,sum改為16位的 short。add1、add2的C源代碼如下：

add1經(jīng)編譯產(chǎn)生的匯編代碼：

比較add1和add2兩個(gè)函數(shù)的匯編代碼,可以發(fā)現(xiàn)add2_loop循環(huán)比add1_loop循環(huán)增加了4條語(yǔ)句。

語(yǔ)句①：函數(shù)add2中變量 sum為 16位short類型,ARM指令中l(wèi)drh指令不支持移位地址偏移,因此增加add指令計(jì)算數(shù)組下標(biāo)地址。

語(yǔ)句②：由于函數(shù)add2中循環(huán)變量i為8位的char類型,而ARM 處理器的寄存器為32位,此語(yǔ)句用于處理循環(huán)變量累加過(guò)程中引起的溢出問(wèn)題。即：當(dāng)i累加到255時(shí),再加1應(yīng)該為0,而不是256。

語(yǔ)句③、④：函數(shù) add2中返回結(jié)果 sum為 short類型,在返回前需將32位寄存器的前16位用符號(hào)位填充,即轉(zhuǎn)換為16位short類型。

2 函數(shù)局部變量的個(gè)數(shù)

為了加快程序的執(zhí)行速度,函數(shù)編譯時(shí)應(yīng)盡可能將局部變量都分配在寄存器中。當(dāng)局部變量多于可用的寄存器時(shí),編譯器會(huì)將多余的變量壓入堆棧(即存入存儲(chǔ)器中),因此必須控制局部變量的個(gè)數(shù)。

ARM處理器采用RISC結(jié)構(gòu),帶有豐富的內(nèi)部寄存器。在編譯器使用-apcs開關(guān)選項(xiàng),即支持ATPCS(ARMThumb Procedure Call Standard)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),理論上有14個(gè)寄存器(R0～R12,R14)可以用來(lái)存放局部變量。但是實(shí)際上有些寄存器有自身特殊的用途,例如R9在與讀寫位置無(wú)關(guān)(RWPI)的編譯情況下作為靜態(tài)基址寄存器使用,R12作為子程序內(nèi)部調(diào)用的臨時(shí)過(guò)渡寄存器使用。ATPCS規(guī)則中的寄存器名稱及說(shuō)明如表1所列。

表1 ATPCS規(guī)則中寄存器說(shuō)明

因此,應(yīng)盡量限制局部變量的數(shù)目：

①對(duì)于函數(shù)的參數(shù)個(gè)數(shù)應(yīng)控制在4個(gè)以內(nèi),只有R0～R3可用來(lái)保存參數(shù),當(dāng)參數(shù)多于4個(gè)時(shí)將被壓入堆棧。如果由于實(shí)際應(yīng)用的需要,參數(shù)多于4個(gè),也可以采用結(jié)構(gòu)體來(lái)組織參數(shù),傳遞結(jié)構(gòu)體指針來(lái)實(shí)現(xiàn)。

②函數(shù)內(nèi)部局部變量的個(gè)數(shù)應(yīng)控制在12個(gè)以內(nèi)(R0～R11),R12～R15都有特定用途。

3 函數(shù)內(nèi)代碼的編寫

3.1 循環(huán)代碼的編寫

循環(huán)的控制條件設(shè)為遞減到零的形式,可以減少指令條數(shù)。以求10個(gè)數(shù)的累加和為例進(jìn)行分析。

比較代碼1和代碼2,兩者的功能是相同的,但是代碼2在循環(huán)中少了1條指令。該循環(huán)的執(zhí)行次數(shù)為10次,即在執(zhí)行時(shí)共減少了10條指令。

3.2 內(nèi)聯(lián)函數(shù)的使用

當(dāng)函數(shù)體代碼較少(通常只有一兩條語(yǔ)句),且又被經(jīng)常調(diào)用時(shí),可將它設(shè)為內(nèi)聯(lián)函數(shù)(inline)。對(duì)內(nèi)聯(lián)函數(shù)的調(diào)用類似于宏定義的展開,因此沒(méi)有函數(shù)調(diào)用的開銷(即參數(shù)的傳遞和函數(shù)值的返回),只是增加了被調(diào)用函數(shù)的代碼量。

例如在嵌入式系統(tǒng)中,經(jīng)常訪問(wèn)的外設(shè)端口的讀寫代碼就可以設(shè)成內(nèi)聯(lián)函數(shù),以提高執(zhí)行效率。外設(shè)寄存器的讀寫函數(shù)如下：

這兩個(gè)函數(shù)的共同特點(diǎn)是：函數(shù)體的代碼很少,只有1個(gè)語(yǔ)句;使用的局部變量很少,只有1～2個(gè)參數(shù)。由于定義為內(nèi)聯(lián)函數(shù),程序的可讀性較好;在執(zhí)行時(shí)由于沒(méi)有調(diào)用開銷,執(zhí)行效率較高;函數(shù)體很小,在被展開時(shí)空間開銷不大。

結(jié) 語(yǔ)

由于嵌入式系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)空間的限制和實(shí)時(shí)性的需求,在編寫代碼時(shí)必須采用相應(yīng)的方法和原則以減少代碼的空間開銷和時(shí)間開銷。代碼優(yōu)化需要花費(fèi)時(shí)間,并且代碼優(yōu)化后將降低源代碼的可讀性。因此,只有對(duì)經(jīng)常被調(diào)用且對(duì)性能影響較大的函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,才能最有效地優(yōu)化系統(tǒng)。

[1]ARM Architecture Reference Manual[EB/OL],2005[2010-03].http：//www.arm.com.

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