如何優(yōu)化嵌入式軟件程序

?一、程序結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1、程序的書寫結(jié)構(gòu)?

雖然書寫格式并不會(huì)影響生成的代碼質(zhì)量，但是在實(shí)際編寫程序時(shí)還是應(yīng)該遵循一定的書寫規(guī)則，一個(gè)書寫清晰、明了的程序，有利于以后的維護(hù)。在書寫程序時(shí)，特別是對(duì)于While、for、do…while、if…else、switch…case 等語(yǔ)句或這些語(yǔ)句嵌套組合時(shí)，應(yīng)采用“縮格”的書寫形式。

2、標(biāo)識(shí)符?

程序中使用的用戶標(biāo)識(shí)符除要遵循標(biāo)識(shí)符的命名規(guī)則以外，一般不要用代數(shù)符號(hào)(如a、b、x1、y1)作為變量名，應(yīng)選取具有相關(guān)含義的英文單詞(或縮寫)或漢語(yǔ)拼音作為標(biāo)識(shí)符，以增加程序的可讀性，如：count、number1、red、work 等。

3、程序結(jié)構(gòu)?

C 語(yǔ)言是一種高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，提供了十分完備的規(guī)范化流程控制結(jié)構(gòu)。因此在采用C 語(yǔ)言設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序時(shí)，首先要注意盡可能采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，這樣可使整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和維護(hù)。

對(duì)于一個(gè)較大的應(yīng)用程序，通常將整個(gè)程序按功能分成若干個(gè)模塊，不同模塊完成不同的功能。各個(gè)模塊可以分別編寫，甚至還可以由不同的程序員編寫，一般單個(gè)模塊完成的功能較為簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)和調(diào)試也相對(duì)容易一些。在C 語(yǔ)言中，一個(gè)函數(shù)就可以認(rèn)為是一個(gè)模塊。
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所謂程序模塊化，不僅是要將整個(gè)程序劃分成若干個(gè)功能模塊，更重要的是，還應(yīng)該注意保持各個(gè)模塊之間變量的相對(duì)獨(dú)立性，即保持模塊的獨(dú)立性，盡量少使用全局變量等。對(duì)于一些常用的功能模塊，還可以封裝為一個(gè)應(yīng)用程序庫(kù)，以便需要時(shí)可以直接調(diào)用。但是在使用模塊化時(shí)，如果將模塊分成太細(xì)太小，又會(huì)導(dǎo)致程序的執(zhí)行效率變低(進(jìn)入和退出一個(gè)函數(shù)時(shí)保護(hù)和恢復(fù)寄存器占用了一些時(shí)間)。

4、定義常數(shù)?

在程序化設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于經(jīng)常使用的一些常數(shù)，如果將它直接寫到程序中去，一旦常數(shù)的數(shù)值發(fā)生變化，就必須逐個(gè)找出程序中所有的常數(shù)，并逐一進(jìn)行修改，這樣必然會(huì)降低程序的可維護(hù)性。因此，應(yīng)盡量當(dāng)采用預(yù)處理命令方式來(lái)定義常數(shù)，而且還可以避免輸入錯(cuò)誤。

5、減少判斷語(yǔ)句?

能夠使用條件編譯(ifdef)的地方就使用條件編譯而不使用if 語(yǔ)句，有利于減少編譯生成的代碼的長(zhǎng)度。

6、表達(dá)式?

對(duì)于一個(gè)表達(dá)式中各種運(yùn)算執(zhí)行的優(yōu)先順序不太明確或容易混淆的地方，應(yīng)當(dāng)采用圓括號(hào)明確指定它們的優(yōu)先順序。一個(gè)表達(dá)式通常不能寫得太復(fù)雜，如果表達(dá)式太復(fù)雜，時(shí)間久了以后，自己也不容易看得懂，不利于以后的維護(hù)。

7、函數(shù)?

對(duì)于程序中的函數(shù)，在使用之前，應(yīng)對(duì)函數(shù)的類型進(jìn)行說(shuō)明，對(duì)函數(shù)類型的說(shuō)明必須保證它與原來(lái)定義的函數(shù)類型一致，對(duì)于沒(méi)有參數(shù)和沒(méi)有返回值類型的函數(shù)應(yīng)加上“void”說(shuō)明。如果果需要縮短代碼的長(zhǎng)度，可以將程序中一些公共的程序段定義為函數(shù)。如果需要縮短程序的執(zhí)行時(shí)間，在程序調(diào)試結(jié)束后，將部分函數(shù)用宏定義來(lái)代替。注意，應(yīng)該在程序調(diào)試結(jié)束后再定義宏，因?yàn)榇蠖鄶?shù)編譯系統(tǒng)在宏展開之后才會(huì)報(bào)錯(cuò)，這樣會(huì)增加排錯(cuò)的難度。


8、盡量少用全局變量，多用局部變量?

因?yàn)槿肿兞渴欠旁跀?shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，定義一個(gè)全局變量，MCU 就少一個(gè)可以利用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，如果定義了太多的全局變量，會(huì)導(dǎo)致編譯器無(wú)足夠的內(nèi)存可以分配；而局部變量大多定位于MCU 內(nèi)部的寄存器中，在絕大多數(shù)MCU 中，使用寄存器操作速度比數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器快，指令也更多更靈活，有利于生成質(zhì)量更高的代碼，而且局部變量所能占用的寄存器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在不同的模塊中可以重復(fù)利用。


9、設(shè)定合適的編譯程序選項(xiàng)?

許多編譯程序有幾種不同的優(yōu)化選項(xiàng)，在使用前應(yīng)理解各優(yōu)化選項(xiàng)的含義，然后選用最合適的一種優(yōu)化方式。通常情況下一旦選用最高級(jí)優(yōu)化，編譯程序會(huì)近乎病態(tài)地追求代碼優(yōu)化，可能會(huì)影響程序的正確性，導(dǎo)致程序運(yùn)行出錯(cuò)。因此應(yīng)熟悉所使用的編譯器，應(yīng)知道哪些參數(shù)在優(yōu)化時(shí)會(huì)受到影響，哪些參數(shù)不會(huì)受到影響。 ?

二、代碼的優(yōu)化

1、選擇合適的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?

應(yīng)熟悉算法語(yǔ)言。將比較慢的順序查找法用較快的二分查找法或亂序查找法代替，插入排序或冒泡排序法用快速排序、合并排序或根排序代替，這樣可以大大提高程序執(zhí)行的效率。

選擇一種合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也很重要，比如在一堆隨機(jī)存放的數(shù)據(jù)中使用了大量的插入和刪除指令，比使用鏈表要快得多。數(shù)組與指針具有十分密切的關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)指針比較靈活簡(jiǎn)潔，而數(shù)組則比較直觀，容易理解。對(duì)于大部分分的編譯器，使用指針比使用數(shù)組生成的代碼更短，執(zhí)行效率更高。

但是在Keil 中則相反，使用數(shù)組比使用的指針生成的代碼更短。

2、使用盡量小的數(shù)據(jù)類型?

能夠使用字符型(char)定義的變量，就不要使用整型(int)變量來(lái)定義；能夠使用整型變量定義的變量就不要用長(zhǎng)整型(long int)，能不使用浮點(diǎn)型(float)變量就不要使用浮點(diǎn)型變量。當(dāng)然，在定義變量后不要超過(guò)變量的作用范圍，如果超過(guò)變量的范圍賦值，C 編譯器并不報(bào)錯(cuò)，但程序運(yùn)行結(jié)果卻錯(cuò)了，而且這樣的錯(cuò)誤很難發(fā)現(xiàn)。

3、使用自加、自減指令?

通常使用自加、自減指令和復(fù)合賦值表達(dá)式(如a-=1 及a+=1 等)都能夠生成高質(zhì)量的程序代碼，編譯器通常都能夠生成inc 和dec 之類的指令，而使用a=a+1 或a=a-1之類的指令，有很多C 編譯器都會(huì)生成2~3個(gè)字節(jié)的指令。

4、減少運(yùn)算的強(qiáng)度?

可以使用運(yùn)算量小但功能相同的表達(dá)式替換原來(lái)復(fù)雜的的表達(dá)式。如下：

(1)求余運(yùn)算

a=a%8;

可以改為：
a=a&7;

說(shuō)明：位操作只需一個(gè)指令周期即可完成，而大部分的C 編譯器的“%”運(yùn)算均是調(diào)用子程序來(lái)完成，代碼長(zhǎng)、執(zhí)行速度慢。通常，只要求是求2n 方的余數(shù)，均可使用位操作的方法來(lái)代替。

(2)平方運(yùn)算

? a=pow(a,2.0);
可以改為：
a=a*a; ? 說(shuō)明：在有內(nèi)置硬件乘法器的單片機(jī)中(如51 系列)，乘法運(yùn)算比求平方運(yùn)算快得多，因?yàn)楦↑c(diǎn)數(shù)的求平方是通過(guò)調(diào)用子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在自帶硬件乘法器的AVR 單片機(jī)中，如ATMega163 中，乘法運(yùn)算只需2 個(gè)時(shí)鐘周期就可以完成。即使是在沒(méi)有內(nèi)置硬件乘法器的AVR單片機(jī)中，乘法運(yùn)算的子程序比平方運(yùn)算的子程序代碼短，執(zhí)行速度快。如果是求3 次方，如： ? a=pow(a,3.0);
更改為：
a=a*a*a； ? 則效率的改善更明顯。

(3)用移位實(shí)現(xiàn)乘除法運(yùn)算

a=a*4;
b=b/4;
可以改為：
a=a<<2;
b=b>>2; 說(shuō)明：通常如果需要乘以或除以2n，都可以用移位的方法代替。在ICCAVR 中，如果乘以2n，都可以生成左移的代碼，而乘以其它的整數(shù)或除以任何數(shù)，均調(diào)用乘除法子程序。用移位的方法得到代碼比調(diào)用乘除法子程序生成的代碼效率高。實(shí)際上，只要是乘以或除以一個(gè)整數(shù)，均可以用移位的方法得到結(jié)果，如：
a=a*9
可以改為：
a=(a<<3)+a

5、循環(huán)?

(1)循環(huán)語(yǔ)

對(duì)于一些不需要循環(huán)變量參加運(yùn)算的任務(wù)可以把它們放到循環(huán)外面，這里的任務(wù)包括表達(dá)式、函數(shù)的調(diào)用、指針運(yùn)算、數(shù)組訪問(wèn)等，應(yīng)該將沒(méi)有必要執(zhí)行多次的操作全部集合在一起，放到一個(gè)init 的初始化程序中進(jìn)行。

(2)延時(shí)函數(shù)?

通常使用的延時(shí)函數(shù)均采用自加的形式：

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void delay (void){unsigned int i;for (i=0;i<1000;i++); }將其改為自減延時(shí)函數(shù)：void delay (void){unsigned int i;for (i=1000;i>0;i--); }

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(3)while 循環(huán)和do…while 循環(huán)?

用while 循環(huán)時(shí)有以下兩種循環(huán)形式：

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unsigned int i;i=0;while (i<1000){i++; //用戶程序}或：unsigned int i;i=1000;do{i--; //用戶程序}while (i>0);

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6、查表?

在程序中一般不進(jìn)行非常復(fù)雜的運(yùn)算，如浮點(diǎn)數(shù)的乘除及開方等，以及一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型的插補(bǔ)運(yùn)算，對(duì)這些即消耗時(shí)間又消費(fèi)資源的運(yùn)算，應(yīng)盡量使用查表的方式，并且將數(shù)據(jù)表置于程序存儲(chǔ)區(qū)。如果直接生成所需的表比較困難，也盡量在啟動(dòng)時(shí)先計(jì)算，然后在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中生成所需的表，后面在程序運(yùn)行直接查表就可以了，減少了程序執(zhí)行過(guò)程中重復(fù)計(jì)算的工作量。

7、其它?

比如使用在線匯編及將字符串和一些常量保存在程序存儲(chǔ)器中，均有利于優(yōu)化。

三、乘除法優(yōu)化

目前單片機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)很激烈，許多應(yīng)用出于性價(jià)比的考慮，選擇使用程序存儲(chǔ)空間較小（如1K，2K）的小資源8位MCU芯片進(jìn)行開發(fā)。一般情況下，這類MCU沒(méi)有硬件乘法、除法指令，在程序必須使用乘除法運(yùn)算時(shí)，如果單純依靠編譯器調(diào)用內(nèi)部函數(shù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，常常會(huì)有代碼量偏大、執(zhí)行效率偏低的缺點(diǎn)。

上海晟矽微電子推出的MC30、MC32系列MCU，采用了RISC架構(gòu)，在小資源8位MCU領(lǐng)域有廣大的用戶群和廣泛的應(yīng)用，本文就以晟矽微電的這兩個(gè)系列產(chǎn)品的指令集為例，結(jié)合匯編與C編譯平臺(tái)，給大家介紹一種即省時(shí)又節(jié)約資源的乘除法算法。

1、乘法篇?

單片機(jī)中的乘法是二進(jìn)制的乘法，也就是把乘數(shù)的各個(gè)位與被乘數(shù)相乘，然后再相加得出，因?yàn)槌藬?shù)和被乘數(shù)都是二進(jìn)制，所以實(shí)際編程時(shí)每一步的乘法可以用移位實(shí)現(xiàn)。

例如：乘數(shù)R3=01101101，被乘數(shù)R4=11000101，乘積R1R0。步驟如下：

1、清空乘積R1R0；

2、乘數(shù)的第0位是1，那被乘數(shù)R4需要乘上二進(jìn)制數(shù)1，也就是左移0位，加到R1R0里;

3、乘數(shù)的第1位是0，忽略；

4、乘數(shù)的第2位是1，那被乘數(shù)R4需要乘上二進(jìn)制數(shù)100，也就是左移2位，加到R1R0里；

5、乘數(shù)的第3位是1，那被乘數(shù)R4需要乘上二進(jìn)制數(shù)1000，也就是左移3位，加到R1R0里；

6、乘數(shù)的第4位是0，忽略；

7、乘數(shù)的第5位是1，那被乘數(shù)R4需要乘上二進(jìn)制數(shù)100000，也就是左移5位，加到R1R0里；

8、乘數(shù)的第6位是1，那被乘數(shù)R4需要乘上二進(jìn)制數(shù)1000000，也就是左移6位，加到R1R0里；

9、乘數(shù)的第7位是0，忽略；

10、這時(shí)候R1R0里的值就是最后的乘積，至此算法完成。

以上例子運(yùn)算結(jié)果：

R1R0 = R3 * R4= (R4<<6)+(R4<<5)+(R4<<3)+(R4<<2)+R4 = 101001111100001

實(shí)際運(yùn)算流程圖見(jiàn)下圖：

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在實(shí)際的程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，程序優(yōu)化有兩個(gè)目標(biāo)，提高程序運(yùn)行效率，和減少代碼量。我們來(lái)看下本文提供的匯編算法和普通C語(yǔ)言編程的效率和代碼量對(duì)比。

表1.1是程序運(yùn)行效率的對(duì)比數(shù)據(jù)（可能會(huì)有小的偏差），很明顯匯編編譯出來(lái)的運(yùn)行時(shí)間要比C語(yǔ)言減少很多。

表1.1? 乘法運(yùn)算時(shí)鐘周期對(duì)比表 ?

表1.2是程序代碼量的對(duì)比數(shù)據(jù)（可能會(huì)有小的偏差），匯編占用的程序空間也要比C語(yǔ)言小很多。 ?

表1.2? 乘法運(yùn)算ROM空間使用情況對(duì)比表 ?

綜上兩點(diǎn)，本文介紹的乘法算法各方面使用情況都要比C編譯好很多。如果大家在使用過(guò)程中，原有的程序不能滿足應(yīng)用需求，例如遇到程序空間不夠或者運(yùn)行時(shí)間太久等問(wèn)題，都可以按照以上方式進(jìn)行優(yōu)化。 匯編語(yǔ)言最接近機(jī)器語(yǔ)言的。在匯編語(yǔ)言中可以直接操作寄存器，調(diào)整指令執(zhí)行順序。由于匯編語(yǔ)言直接面對(duì)硬件平臺(tái)，而不同的硬件平臺(tái)的指令集及指令周期均有較大差異，這樣會(huì)對(duì)程序的移植和維護(hù)造成一定的不便，所以我們針對(duì)精簡(jiǎn)指令集做了乘法運(yùn)算的例程，便于大家的移植和理解。 ?




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2、除法篇?

單片機(jī)中的除法也是二進(jìn)制的除法，和現(xiàn)實(shí)中數(shù)學(xué)的除法類似，是從被除數(shù)的高位開始，按位對(duì)除數(shù)進(jìn)行相除取余的運(yùn)算，得出的余數(shù)再和之后的被除數(shù)一起再進(jìn)行新的相除取余的運(yùn)算，直到除不盡為止，因?yàn)閱纹瑱C(jī)中的除法是二進(jìn)制的，每個(gè)步驟除出來(lái)的商最大只有1，所以我們實(shí)際編程時(shí)可以把每一步的除法看作減法運(yùn)算。 ? 例如：被除數(shù)R3R4=1100110001101101，除數(shù)R5=11000101，商R1R0，余數(shù)R2。步驟如下：

1、清空商R1R0，余數(shù)R2； 2、被除數(shù)放開最高位，第15位，為1，1比除數(shù)小，商為0，余數(shù)R2為1； 3、上一步余數(shù)并上被除數(shù)次高位，第14位，得11，11仍然比除數(shù)小，商為0，余數(shù)R2為11 4、直到放開第8位后，得11001100，比除數(shù)大，商得1，余數(shù)R2為111； 5、上一步余數(shù)并上被除數(shù)第7位，得1110，沒(méi)有除數(shù)大，商為0，余數(shù)R2為1110； 6、上一步余數(shù)并上被除數(shù)第6位，得11101，沒(méi)有除數(shù)大，商為0，余數(shù)R2為11101； 7、按照以上步驟，直到放開了被除數(shù)得第3位，得11101101，比除數(shù)大，商為1，余數(shù)R2為101000； 8、上一步余數(shù)并上被除數(shù)第2位，得1010001，沒(méi)有除數(shù)大，商為0，余數(shù)R2為1010001； 9、上一步余數(shù)并上被除數(shù)第1位，得10100010，沒(méi)有除數(shù)大，商為0，余數(shù)R2為10100010； 10、上一步余數(shù)并上被除數(shù)第0位，得101000101，比除數(shù)大，商為1，余數(shù)R2為10000000； 11、然后把以上所有步驟中得商從左至右依次排列就是最后的商100001001，余數(shù)為最后算得的余數(shù)10000000。 以上例子運(yùn)算結(jié)果：R1R0 = R3R4 / R5 = 100001001 ；R2 = R3R4 % R5 = 10000000 ? 實(shí)際運(yùn)算流程圖見(jiàn)下圖： ?
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除法運(yùn)算的效率，代碼量見(jiàn)以下表格 ? 表2.1是程序運(yùn)行效率和代碼量的對(duì)比數(shù)據(jù)（可能會(huì)有小的偏差），很明顯本文提供的匯編算法要優(yōu)化的很多。 ?

表2.1? 除法運(yùn)算時(shí)鐘周期對(duì)比表 ? 所以對(duì)于除法運(yùn)算，本文提供的方法也是相對(duì)較優(yōu)的。 ? 以下是針對(duì)精簡(jiǎn)指令集做的除法運(yùn)算，16/8位的例程，便于大家的移植和理解。


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