NiosII處理器軟件代碼優(yōu)化解決方案

Altera公司的NiosII軟核處理器具有完全可定制特性、高性能、較低的產(chǎn)品和實施成本、易用性、適應(yīng)性以及不會過時等優(yōu)勢。使用NiosII處理器，將不會局限于預(yù)先制造的處理器技術(shù)，而是根據(jù)用戶的標準定制處理器，按照需要選擇合適的外設(shè)、存儲器和接口。此外，還可以輕松集成用戶專有的功能，使設(shè)計具有獨特的競爭優(yōu)勢。

　　NiosII處理器的軟件開發(fā)是建立在ANSI C基礎(chǔ)上的。NiosII IDE是NiosII系列嵌入式處理器的主要軟件開發(fā)工具。用戶可以在NiosII IDE中完成所有的軟件開發(fā)任務(wù)，如編輯、編譯、下載、調(diào)試和閃存編程。NiosII嵌入式系統(tǒng)的一個重要問題就是軟件代碼量的大小，這關(guān)系到存放代碼的存儲器件容量大小，因此控制和減小程序代碼量是降低系統(tǒng)成本的重要方法，必須首先從處理器的啟動順序開始研究。

1? NiosII處理器啟動順序和程序入口地址

　　NiosII處理器的啟動可采用兩種方式： 自動初始化和用戶自定義初始化。ANSI C標準定義應(yīng)用程序可以通過調(diào)用main()來開始執(zhí)行。在調(diào)用main()之前，應(yīng)用程序假定運行環(huán)境和所有的服務(wù)系統(tǒng)都被初始化并準備運行。初始化可以被硬件抽象層（HAL）系統(tǒng)庫自動執(zhí)行。程序員不需要考慮系統(tǒng)的輸出設(shè)備以及如何初始化每一個外設(shè)，HAL會自動初始化整個系統(tǒng)。

　　另外，ANSI C標準也提供了一個可變的入口點程序，以避免自動初始化。ANSI C標準還定義程序員能手動初始化任何所用的硬件。alt_main()函數(shù)提供了一個獨立式的編程環(huán)境，能夠完全控制系統(tǒng)的初始化。獨立式編程環(huán)境可以使程序員手動編寫初始化系統(tǒng)的代碼。
HAL提供的系統(tǒng)初始化代碼按以下啟動順序運行：

①? 啟動指令和數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器；
②? 配置堆棧；
③? 配置全局指針；
④? 通過鏈接器提供的_bss_start和_bss_end來零初始化BSS層，_bss_start和_bss_end 是開始和結(jié)束BSS的命令；
⑤? 如果當(dāng)前系統(tǒng)沒有啟動下載器，就復(fù)制.rwdata、.rodata，或者剩下的部分到RAM；
⑥? 調(diào)用alt_main()。

　　如果不調(diào)用alt_main()函數(shù)，則系統(tǒng)默認運行步驟如下：

①? 調(diào)用ALT_OS_INIT()來執(zhí)行任何操作系統(tǒng)所特有的初始化。如果HAL是在操作系統(tǒng)里運行的，那么初始化alt_fd_list_lock命令。它可以控制訪問HAL文件系統(tǒng)，初始化中斷控制器并執(zhí)行中斷。
②? 調(diào)用alt_sys_init()函數(shù)，以初始化系統(tǒng)里所有的驅(qū)動裝置和軟件組成部分。
③? 重新設(shè)置C標準I/O通道（stdin，stdout，stderr）,以使用合適的器件。
④? 調(diào)用main()。
⑤? 調(diào)用exit()。main()的返回代碼作為exit()的輸入。

　　在NiosII IDE工程中，只需簡單定義alt_main()就可以實現(xiàn)用戶的啟動順序，而且能夠選擇HAL的服務(wù)程序。如果應(yīng)用程序需要一個alt_main()入口點程序，可以復(fù)制默認的執(zhí)行作為開始點，根據(jù)要求來定制它。

　　alt_main()這個函數(shù)是不能返回的,其原型是： void alt_main()。

　　使用獨立式編程環(huán)境會增加NiosII程序編寫的復(fù)雜性。獨立式編程環(huán)境的主要作用在于減小代碼量，但要使用這種方法，需要對NiosII處理器的外設(shè)和驅(qū)動編寫都非常熟悉才行。在NiosII IDE中也可以通過某些選項來減小HAL系統(tǒng)庫容量，從而達到減小代碼量的目的，比使用獨立式編程環(huán)境容易得多。

2? 減小代碼量的方法

2.1? 打開編譯器優(yōu)化選項

　　在nios2-elf-gcc編譯器中使用“-O3”選項，代碼可以被最大限度地優(yōu)化，包括代碼的大小和執(zhí)行速度。需要注意的是，編譯器優(yōu)化可能會帶來一些意想不到的結(jié)果。另外,必須在用戶工程和系統(tǒng)庫中都使用-O3選項,如圖1所示。

圖1? 使用-O3選項

2.2? 使用小封裝的驅(qū)動庫

　　HAL為處理器的外設(shè)提供了兩種驅(qū)動庫： 一種是執(zhí)行速度快，但代碼量大的版本；另一種是小封裝版本。默認情況下，HAL系統(tǒng)使用是代碼量大的版本?？梢赃x擇Reduced device drivers選項來選擇小封裝版本，從而減小代碼量，如圖2所示。

圖2? 選擇小封裝版本

2.3? 使用新的C語言庫

　　完整的ANSI C標準庫通常不適用于嵌入式系統(tǒng)，HAL提供了一系列經(jīng)過裁減的新的ANSI C標準庫，占用非常小的代碼量。可以選擇Small C library選項來選擇新的ANSI C標準庫，如圖3所示。

圖3? 選擇新的ANSI C標準庫

2.4? 去掉不使用的驅(qū)動庫

　　當(dāng)NiosII系統(tǒng)中有外設(shè)時，NiosII IDE認為這些設(shè)備需要驅(qū)動，因此在HAL系統(tǒng)中加入了相應(yīng)的驅(qū)動庫。如果在用戶的程序中并不需要使用到這些外設(shè)，也可以在初始化時不加載這些驅(qū)動庫。

　　當(dāng)用戶的程序并沒有使用到NiosII系統(tǒng)中某些設(shè)備（如SPI通信接口）時，應(yīng)在系統(tǒng)中將這些設(shè)備完全移除。這樣，既可以減小軟件代碼量，又可以減少占用的FPGA資源。最常見的一個例子就是系統(tǒng)中的Flash存儲芯片。在用戶程序中通常不會對Flash芯片進行寫操作，因此不需要加載Flash驅(qū)動庫，可以在工程屬性的preprocessor選項中加入“?DALT_NO_CFI_FLASH”，使得HAL系統(tǒng)不將Flash芯片驅(qū)動加入系統(tǒng)庫中。

2.5? 使用_exit()函數(shù)

　　在默認情況下，HAL系統(tǒng)會調(diào)用exit()函數(shù)作為用戶程序的結(jié)束。exit()函數(shù)主要完成兩部分工作： 清除所有C語言庫中的I/O緩存；調(diào)用在atexit()函數(shù)中的所有函數(shù)。實際上，相當(dāng)于main()函數(shù)中return語句在執(zhí)行之前必須要完成的工作。

　　而在嵌入式系統(tǒng)中用戶程序是不會退出main()函數(shù)的，所以exit()這段代碼是多余的，可以去掉。在用戶程序中可以用_exit()來代替exit()，_exit()程序不執(zhí)行任何操作且無需對用戶程序做改動，只需在工程屬性的preprocessor選項中加入“?Dexit=_exit”。

3? 總結(jié)

　　通過上述方法，對一個簡單的helloworld程序進行代碼量優(yōu)化。程序如下：

　　#include
　　int main() {
　　　　printf("Hello from NiosII!\n");
　　　　return 0;
　　}

　　在未進行任何優(yōu)化之前，編譯完成后代碼量為68 KB；在經(jīng)過上述優(yōu)化方法編譯之后，代碼量變?yōu)? 044字節(jié)。由此可見，上述優(yōu)化方法十分有效，代碼量減小為原來的1/10，在NiosII嵌入式系統(tǒng)中有重要的實用價值。