TCP/IP協(xié)議典型的優(yōu)化原則和方法 - 全文

??隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，人們對系統(tǒng)的智能化、小型化的要求也越來越高。基于ARM結(jié)構(gòu)的微處理器以其高性能、低功耗、低價格等方面的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品，特別是一些高端的嵌入式控制應(yīng)用中，例如移動電話、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信等方面。ARM技術(shù)具有很好的性能和功效，其合作伙伴包括許多世界頂級的半導(dǎo)體公司?？梢哉fARM技術(shù)幾乎無處不在。

TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)成為開放系統(tǒng)互聯(lián)的協(xié)議，它提供了很好的交互操作能力，可兼容多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。嵌入式技術(shù)與TCP/IP技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)展現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭和巨大的市場潛力。如何開發(fā)面向 ARM的高效代碼，尤其是提高類似于TCP/IP協(xié)議棧等基礎(chǔ)性的軟件模塊的執(zhí)行效率已成為每個從事基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員必須思考的問題。

面向ARM的程序優(yōu)化

開發(fā)高效的程序涉及很多方面，包括優(yōu)秀的算法實現(xiàn)、良好的編程風(fēng)格以及針對目標(biāo)的程序優(yōu)化。程序優(yōu)化是指軟件編程基本結(jié)束后，利用軟件開發(fā)工具對程序代碼進行調(diào)整和改進，使程序能夠更加充分地利用有限的軟硬件資源，縮減代碼尺寸，提高運行效率的過程。

在實際的程序設(shè)計過程中，程序優(yōu)化的兩個目標(biāo)（運行速度和代碼大?。┩腔ハ嗝艿摹榱颂岣叱绦蜻\行效率，就要以犧牲存儲空間、增加代碼量為代價；而為了減少程序代碼量、壓縮存儲器空間，可能又要以降低程序運行效率為代價。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。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，存儲空間已不再是制約系統(tǒng)集成的主要因素。面向ARM的程序優(yōu)化主要是討論如何在了解匯編語言和編譯規(guī)則的基礎(chǔ)上編寫出能夠高效運行的C語言程序。

作為高性能、低功耗的RISC芯片，ARM的C語言編譯器已經(jīng)非常成熟。盡管如此，在編寫面向ARM的C源程序時，對程序進行必要的優(yōu)化仍是提高程序運行效率的有效途徑。以下是一些在實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議過程中用到的比較典型的優(yōu)化原則和方法，這些技術(shù)也適用于其他RISC指令集微處理器。

變量定義

32位 ARM處理器的指令集支持有符號/無符號的8位、16位、32位整型和浮點型變量類型，這不僅可以節(jié)省代碼，而且可以提高代碼的運行效率。按照作用范圍的不同，C語言的變量可以劃分為全局變量和局部變量。ARM編譯器通常將全局變量定位在存儲空間中，局部變量分配給通用寄存器。

在全局變量聲明時，需要考慮最佳的存儲器布局，使得各種類型的變量能以32位的空間位基準(zhǔn)對齊，從而減少不必要的存儲空間浪費，提高運行效率。如：

這里定義的四個變量形式相同，只是次序不同，卻導(dǎo)致了在最終映像中不同的數(shù)據(jù)布局，如圖1所示。顯然第二種方式節(jié)約了更多的存儲器空間。

對于局部變量，要盡量不使用32位以外的變量類型。當(dāng)一個函數(shù)的局部變量數(shù)目不多時，編譯器會把局部變量分配給內(nèi)部寄存器，每個變量占一個32位的寄存器。這樣short和char類型的變量不但起不到節(jié)省空間的作用，反而會耗費更多的指令周期來完成short和char的存取操作。C語言代碼及其編譯結(jié)果如下所示：

條件執(zhí)行

條件執(zhí)行是程序中必不可少的基本操作。典型的條件執(zhí)行代碼序列是由一個比較指令開始的，接下來是一系列相關(guān)的執(zhí)行語句。ARM中的條件執(zhí)行是通過對運算結(jié)果標(biāo)志位進行判斷實現(xiàn)的，一些帶標(biāo)志位的運算結(jié)果中，N和Z標(biāo)志位的結(jié)果與比較語句的結(jié)果相同。盡管在C語言中沒有帶標(biāo)志位的指令，但在面向ARM的C語言程序中，如果運算結(jié)果是與0作比較，編譯器會移去比較指令，通過一條帶標(biāo)志位指令實現(xiàn)運算和判斷。例如：

因此，面向ARM的C語言程序設(shè)計的條件判斷應(yīng)當(dāng)盡量采用“與0比較”的形式。C語言中，條件執(zhí)行語句大多數(shù)應(yīng)用在if條件判斷中，也有應(yīng)用在復(fù)雜的關(guān)系運算（等）及位操運算（&&，！，and等）中的。面向ARM的C語言程序設(shè)計中，有符號型變量應(yīng)盡量采取x& lt;0、x>=0、x==0、x!=0的關(guān)系運算；對于無符號型的變量應(yīng)采用x==0、x!=0（或者x>0）關(guān)系運算符。編譯器都可以對條件執(zhí)行進行優(yōu)化。

對于程序設(shè)計中的條件語句，應(yīng)盡量簡化if和else判斷條件。與傳統(tǒng)的C語言程序設(shè)計有所不同，面向ARM的C語言程序設(shè)計中，關(guān)系表述中類似的條件應(yīng)該集中在一起，使編譯器能夠?qū)ε袛鄺l件進行優(yōu)化。

循環(huán)

循環(huán)是程序設(shè)計中非常普遍的結(jié)構(gòu)。在嵌入式系統(tǒng)中，微處理器執(zhí)行時間在循環(huán)中運行的比例較大，因此關(guān)注循環(huán)的執(zhí)行效率是非常必要的。除了在保證系統(tǒng)正確工作的前提下盡量簡化核循環(huán)體的過程以外，正確和高效的循環(huán)結(jié)束標(biāo)志條件也非常重要。按照以上所述的“與0比較”原則，程序中的循環(huán)結(jié)束條件應(yīng)該是“減到0” 的循環(huán)，結(jié)束條件盡量簡單。應(yīng)盡可能在關(guān)鍵循環(huán)中采取上述的判斷形式，這樣可以在關(guān)鍵循環(huán)中省去一些不必要的比較語句，減少不必要的開銷，提高性能。如下面二個示例：

fact1 和fact2中通過定義局部變量a來減少對n的load/store操作。fact2函數(shù)遵循了“與0比較”原則，省去了fact1編譯結(jié)果中的比較指令，并且，變量n在整個循環(huán)過程不參與運算，也不需要保存。由于省去了寄存器分配，從而給其他部分程序的編譯帶來了方便，提高了運行效率。

“減到0”的方法同樣適用于while和do語句。如果一個循環(huán)體只循環(huán)幾次，可以用展開的方法提高運行效率。當(dāng)循環(huán)展開后，不需要循環(huán)計數(shù)器和相關(guān)的跳轉(zhuǎn)語句，雖然代碼的長度有所增加，但是得到了更高的執(zhí)行效率。

除法和求余

ARM 指令集中沒有提供整數(shù)的除法，除法是由C語言函數(shù)庫中的代碼（符號型_rt_SDIv和無符號型的_rt_udiv）實現(xiàn)的。一個32位數(shù)的除法需要 20～140個周期，依賴于分子和分母的取值。除法操作所用的時間是一個時間常量乘每一位除法所需要的時間：

Time（分子/分母）=C0+C1×log2（分子/分母）

=C0+C1×（log2（分子）-log2（分母））

由于除法的執(zhí)行周期長，耗費的資源多，程序設(shè)計中應(yīng)當(dāng)盡量避免使用除法。以下是一些避免調(diào)用除法的變通辦法：

（1）在某些特定的程序設(shè)計時，可以把除法改寫為乘法。例如：（x/y）>z，在已知y是正數(shù)而且y×z是整數(shù)的情況下，就可以寫為x>（z×y）。

（2）盡可能使用2的次方作為除數(shù)，編譯器使用移位操作完成除法，如128就比100更加適合。在程序設(shè)計中，使用無符號型的除法要快于符號型的除法。

（3）使用求余運算的一個目的是為了按模計算，這樣的操作有時可以使用if的判斷語句來完成，考慮如下的應(yīng)用：

uiNTCounter1（uintcount）uintcounter2（uintcount）

{{return（++count`）；if（++count>=60）}count=0;

return（count）；}

（4）對于一些特殊的除法和求余運算，采用查找表的方法也可以獲得很好的運行效果。

在除以某些特定的常數(shù)時，編寫特定的函數(shù)完成此操作會比編譯產(chǎn)生的代碼效率高很多。ARM的C語言庫中就有二個這樣的符號型和無符號型數(shù)除以10的函數(shù)，用來完成十進制數(shù)的快速運算。在toolkit子目錄的examplesexplaSMDiv.c和examplesthumbdiv.c文件中，有這二個函數(shù)的ARM和Thumb版本。

面向ARM的程序優(yōu)化在嵌入式TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)中的應(yīng)用

筆者采用ATMEL公司的AT91RM9200微處理器，配合以太網(wǎng)物理層驅(qū)動芯片（DM9161）構(gòu)建面向網(wǎng)絡(luò)的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺，如圖2所示。在此平臺上，實現(xiàn)基于ARM微處理器的嵌入式TCP/IP協(xié)議處理。

基于ARM的嵌入式系統(tǒng)直接面向以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，典型的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)封裝格式如圖3所示。根據(jù)以上的優(yōu)化方法，在變量定義時需要考慮最佳的存儲器布局，使得各種類型的變量能以32位的空間位基準(zhǔn)對齊，對于功能函數(shù)中參加運算的數(shù)據(jù)應(yīng)盡量采用32位的數(shù)據(jù)進行處理。

嵌入式TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)通常采用Linux中的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次。TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層和控制層的ARP/RARP、IP、ICMP、 TCP、UDP等協(xié)議，直接為HTTP、SMTP、FTP、TELNET等這樣的應(yīng)用層協(xié)議提供支持。每個系統(tǒng)都需要具體定義應(yīng)用層程序和協(xié)議軟件之間的接口。

協(xié)議處理的一般流程如圖4所示。協(xié)議處理過程中需要多次條件判斷，對IP地址和TCP數(shù)據(jù)的校驗和處理循環(huán)比較是無法避免的，因此可以充分利用“與0比較”的條件判斷和“減到0”的循環(huán)來優(yōu)化程序設(shè)計。