- 相關推薦
嵌入式程序的優(yōu)化
嵌入式程序的優(yōu)化【1】
摘要：針對嵌入式系統(tǒng)的特點，介紹了幾種在嵌入式系統(tǒng)程序設計中優(yōu)化C語言代碼的方法，從而提高系統(tǒng)的性能。
關鍵詞：C程序設計;程序優(yōu)化;代碼優(yōu)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
隨著數(shù)字信息技術和網(wǎng)絡技術高速發(fā)展嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲透到科學研究領域、各類產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文化藝術以及人們的日常生活中，嵌入式計算機是完成某些特定功能的計算機系統(tǒng)，并且軟硬件可裁剪。
具有形態(tài)和性能更加小型化,多功能,低功耗等特點，已成為當今計算機技術發(fā)展的一個重要標志!
程序優(yōu)化是指對解決同一問題的幾個不同的程序,進行比較、修改、調整或重新編寫程序，把一般程序變換為語句最少、占用內存量少、處理速度最快、外部設備分時使用效率最高的最優(yōu)程序。
1嵌入式程序優(yōu)化遵循的原則
嵌入式程序優(yōu)化主要有以下3個原則：
�、俚刃г瓌t:實現(xiàn)的功能需一致。
�、谟行г瓌t:使得運行速度快或占用存儲空間小,或兼得。
�、劢�(jīng)濟原則:要付出較小的成本。
2嵌入式程序優(yōu)化的主要實施方法
分別為:算法優(yōu)化、編譯優(yōu)化以及代碼優(yōu)化。
2.1算法優(yōu)化
選擇和構造適合于問題的算法;(冒泡排序還是快排的選擇問題是這一級早就應該完成的)很多經(jīng)典算法都對問題作了一些假設(包括我們當前已經(jīng)完成的算法實現(xiàn))，而在面對實際問題時我們應該重新檢視這些假設，并嘗試不同的思考問題的角度，尋求適合于問題的新算法;發(fā)掘問題的本來意義，從不同的角度思考面對的問題，使用適合于問題的的算法;嘗試打破一些規(guī)則，發(fā)掘和懷疑自己的某些假定，恢復問題的本來面目。
2.2編譯優(yōu)化
目前很多編譯器都可實現(xiàn)代碼優(yōu)化功能，且提供的代碼也很緊湊。
使用編譯器，能得到性能不錯的代碼。
然而，機器不能像人類那樣有創(chuàng)造性。
所以，我們還需要手工來做一些事情。
C語言代碼的優(yōu)化是很難，且很需要技巧的工作。
大部分編譯器可以生成為處理器進行過特殊優(yōu)化處理的代碼，如果進行修改，會造成特殊優(yōu)化的破壞導致失效。
所以，在決定優(yōu)化代碼之前，一定要測試一下，是自己的代碼更好還是編譯器生成的代碼好。
在嵌入式軟件開發(fā)過程中應挑選優(yōu)化能力較強的編譯器,使其發(fā)揮代碼優(yōu)化功能,來生成高效的代碼,提高程序的運行效率。
2.3代碼優(yōu)化
1)變量的處理
編程過程中，解決初始化的問題，最好使用英文單詞的縮寫來代表變量。
用縮寫的好處可以加快程序的運行速度并減少占用的內存。
再一個就是變量類型的選取，選取的范圍越小也可以提高運行速度和降低內存的占有，不過算術運算時容易產(chǎn)生溢出。
函數(shù)調用越頻繁時，為提高代碼的效率，可以把聲明的局部變量通過編譯器放入寄存器中，而不是放入堆棧。
變量值很大，要使用變量作返回值，會很費時間。
使用參數(shù)作為返回值時間上會快些，因為沒有變量返回的復制時間的問題。
但安全性上和函數(shù)重復使用上差，因為參數(shù)返回破壞了參數(shù)值。
最好在編譯時，小的變量用指針返回，小的常量用變量返回，大的常量用參數(shù)或靜態(tài)方法返回。
還有就是使用全局變量比函數(shù)傳參數(shù)效率更高，不過要犧牲程序的重入和模塊化，它是因為節(jié)約了參數(shù)入棧和出棧的時間。
2)適當?shù)氖褂煤?/p>
在嵌入式系統(tǒng)中，使用宏代替函數(shù)的方法來滿足性能要求，是在傳遞參數(shù)較多而函數(shù)較短的情況下不錯的選擇。
對宏的使用和定義需要謹慎，它可以實現(xiàn)類似函數(shù)的功能，又不像函數(shù)需要調用返回的好方法，它實質上并不是函數(shù)，需要考慮到展開后難以預料的結果。
如果宏的參數(shù)是復合結構，因為它只是簡單的替換，這里就要考慮操作符的優(yōu)先級問題，單個參數(shù)內部各部分之間相互作用的操作符優(yōu)先級低于各個參數(shù)之間的操作符優(yōu)先級，在替換之后，我們需要括號保護宏參數(shù)，否則會產(chǎn)生預想不到的情形。
如果宏的參數(shù)是一個函數(shù)，展開時會對其參數(shù)多次取值，那么就有可能被調用多次從而達到不一致的結果，并有可能產(chǎn)生嚴重錯誤。
3)數(shù)組的處理
(1)數(shù)組在使用前需要對其先初始化。
數(shù)組的范圍在初始化時空著不添，在執(zhí)行時將由數(shù)組自動加入，可以提高程序的運行速度。
由于事先定義的范圍可能過大，造成存儲的浪費。
(2)大部分情況下，數(shù)組索引用指針運算來替換，可以得到既快又短的代碼。
指針運算一般占用空間少，運行速度更快。
尤其是使用多維數(shù)組時效果更明顯。
一下是兩段作用相同，效率不同的代碼：
數(shù)組索引指針運算
for(;;){p=array
a=array[s++];for(;;){
……a=*(p++);
……
}}
指針方法的優(yōu)點就是array的地址每次裝入地址p后，每次循環(huán)中，只需對p增量操作。
在數(shù)組索引方法中，每次循環(huán)中都必須進行基于s值求數(shù)組下標的復雜運算。
4)避免使用除法
ARM指令集沒有整數(shù)除法指令，通常除法指令由C語言庫中的函數(shù)執(zhí)行。
對于不同的分子和分母，一個32位除法通常需要20至140個時鐘周期，執(zhí)行除法函數(shù)的時間由一個固定時間加上每一位相除的時間。
由于除法操作較費時，所以應該避免使用除法。
我們知道，除法運算是乘法運算的逆運算，可通過改變表達式，把除法運算改成乘法運算。
因為無符號數(shù)除法的速度要高于有符號數(shù)的除法，如果其中有一個是無符號操作數(shù)最好使用無符號除法指令。
5)使用合適的數(shù)據(jù)類型
采用盡可能小的數(shù)據(jù)類型：可以用字符型定義的變量，就不要拿整型來定義，能拿整型定義的就不要拿長整型來定義，能不拿浮點型就不要拿浮點型來定義。
當然，一定要防止“溢出”現(xiàn)象，若超過變量的取值范圍后，系統(tǒng)并不會給出“出錯信息”，要靠我們的細心和經(jīng)驗來確保結果的正確。
在確定表達式是float型和浮點型變量需注意：許多C編譯器把實型常量視為雙精度處理，降低了運算速度換來了更精確的結果，所以我們最好用“.F”、“.f”為后綴及在函數(shù)聲明時使用float型。
使用有符號整型變量時，要考慮是否有必要使用有符號的變量，一些情況下，有符號的運算比較快，但有時卻相反。
例如：把整型轉化為浮點型時，用大于16位的有符號整型比較快。
因為x86構架中沒有提供從無符號整型轉化到浮點型的指令，因為在整數(shù)運算中需計算商和余數(shù)，所以用無符號類型比較快。
6)使用寄存器變量
當一個變量被頻繁讀/寫時,要花費許多存取時間，反復訪問內存。
可以使用CPU寄存器變量來提高效率，它可以直接進行讀/寫，不需要訪問內存。
循環(huán)體內反復使用的變量和循環(huán)次數(shù)較多的循環(huán)控制變量都可定義為寄存器變量。
靜態(tài)存儲方式的變量都不能定義為寄存器變量，因為寄存器變量屬于動態(tài)存儲方式，所以只有局部自動變量和形參才可以定義為寄存器變量。
寄存器變量的說明符是register。
下面是一個采用寄存器變量的例子:
register i,sum=0;
for(i=1;i<=n;i++){
sum= sum+i;
…
}
7)If函數(shù)
在條件語句的判別中，先執(zhí)行前面的判別，如果條件不滿足再執(zhí)行后面的判斷。
最好將出現(xiàn)可能性最大的條件放在前面。
假如x數(shù)值為0-99中的任何一個數(shù)，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，當產(chǎn)生的x數(shù)值在10-99之間時(可能性最大)，滿足第一個條件后計算機就直接從上述程序中返回而不再執(zhí)行第二和第三個判別了，節(jié)省了運行的時間。
8)Switch語句中根據(jù)發(fā)生頻率來進行case排序
Switch語句是一個普通的編程技術，編譯器會產(chǎn)生if-else-if的嵌套代碼，并按照順序進行比較，發(fā)現(xiàn)匹配時，就跳轉到滿足條件的語句執(zhí)行。
使用時要留意，每一個測試和跳轉只是為了決定下一步要做什么，很浪費處理時間。
為提高效率，可以把最可能發(fā)生的情況放在第一位，最不可能的情況放在最后。
9)使用布爾表達式
在C語言中，使用布爾表達式可以用來對變量是否在一定范圍內進行檢查。
例如布爾表達式x>=min&&x 3結論
嵌入式程序的性能優(yōu)化與軟件的開發(fā)周期、開發(fā)成本、軟件的可讀性之間通常存在矛盾。
在編程時，應盡量優(yōu)化自己的程序，減少不必要的運算，如果有多種編程方式可完成同一功能，應盡量選擇一種使程序最簡潔，高效的方法。
參考文獻：
[1]劉鋒,張曉林.淺析嵌入式程序設計中的優(yōu)化問題[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2006(12).
[2]王翠娥.淺析嵌入式C程序設計的優(yōu)化[J].信息與電腦(理論版),2009(12).
[3]劉劍鳴.嵌入式程序設計中C/C++代碼的優(yōu)化[J].微計算機信息,2003(12).
[4]金麗,包志華,陳海進.基于ARM嵌入式系統(tǒng)的C程序優(yōu)化設計方法[J].南通大學學報:自然科學版,2006(3).
[5]曾振河.在ARM實時系統(tǒng)中提高程序執(zhí)行的效率[J].漳州職業(yè)技術學院學報,2008(1).
[6]潭浩強.C程序設計[M].2版.北京:清華大學出版社,1999.
[7]陳波,石旭剛,史故臣.嵌入式C語言在系統(tǒng)開發(fā)中的代碼優(yōu)化[J].計算機時代,2008(11).
[8]王軍安.淺析嵌入式系統(tǒng)的軟件優(yōu)化設計[J].計算機工程與應用,2004(3).
[9]覃征,王志敏,王向華,等.程序設計方法與優(yōu)化[M].西安:西安交通大學出版社,2004.
嵌入式程序設計中的優(yōu)化問題【2】
嵌入式系統(tǒng)由于受功耗、成本和體積等因素的制約，嵌入式微處理器的處理能力與桌面系統(tǒng)處理器相比也存在較大差距，故嵌入式系統(tǒng)對程序運行的空間和時間要求更為苛刻。
通常，需要對嵌入式應用程序進行性能優(yōu)化，以滿足嵌入式應用的性能需求。
1 嵌入式程序優(yōu)化的類型
嵌入式應用程序優(yōu)化，指在不改變程序功能的情況下，通過修改原來程序的算法、結構，并利用軟件開發(fā)工具對程序進行改進，使修改后的程序運行速度更高或代碼尺寸更小。
按照優(yōu)化的側重點不同，程序優(yōu)化可分為運行速度優(yōu)化和代碼尺寸優(yōu)化。
運行速度優(yōu)化是指在充分掌握軟硬件特性的基礎上，通過應用程序結構調整等手段來縮短完成指定任務所需的運行時間;代碼尺寸優(yōu)化則是指應用程序在能夠正確實現(xiàn)所需功能的前提下，盡可能減小程序的代碼量。
實際應用中，這兩者往往是相互矛盾的，為了提高程序運行速度，就要以增加代碼量為代價;而為了減小程序代碼尺寸，可能又要以降低程序運行速度為代價。
因此，在對程序進行優(yōu)化之前，應根據(jù)實際需要來制定具體的優(yōu)化策略。
隨著計算機和微電子技術的不斷發(fā)展，存儲空間已不再是制約嵌入式系統(tǒng)的主要因素，因此本文主要討論運行速度優(yōu)化。
2 嵌入式程序優(yōu)化遵循的原則
嵌入式程序優(yōu)化主要遵循以下3個原則。
�、俚刃г瓌t：優(yōu)化前后程序實現(xiàn)的功能一致。
�、谟行г瓌t：優(yōu)化后要比優(yōu)化前運行速度快或占用存儲空間小，或二者兼有。
�、劢�(jīng)濟原則：優(yōu)化程序要付出較小的代價，取得較好的結果。
3 嵌入式程序優(yōu)化的主要方面
嵌入式程序的優(yōu)化分為3個方面：算法和數(shù)據(jù)結構優(yōu)化、編譯優(yōu)化以及代碼優(yōu)化。
3.1 算法和數(shù)據(jù)結構優(yōu)化
算法和數(shù)據(jù)結構是程序設計的核心所在，算法的好壞在很大程度上決定了程序的優(yōu)劣。
為了實現(xiàn)某種功能，通常可以采用多種算法，不同算法的復雜度和效率差別很大。
選擇一種高效的算法或對算法進行優(yōu)化，可以使應用程序獲得更高的優(yōu)化性能。
例如：在數(shù)據(jù)搜索時，二分查找法要比順序查找法快。
遞歸程序需要大量的過程調用，并在堆棧中保存所有返回過程的局部變量，時間效率和空間效率都非常低;若根據(jù)實際情況對遞歸程序采用迭代、堆棧等方法進行非遞歸轉換，則可大幅度提高程序的性能。
數(shù)據(jù)結構在程序的設計中也占有重要的地位。
例如：如果在一些無序的數(shù)據(jù)中多次進行插入、刪除數(shù)據(jù)項操作，那么采用鏈表結構就會比較快。
算法和數(shù)據(jù)結構優(yōu)化是首選的優(yōu)化技術。
3.2 編譯優(yōu)化
現(xiàn)在，很多的編譯器都具有一定的代碼優(yōu)化功能。
在編譯時，借用并行程序設計技術，進行相關性分析;獲得源程序的語義信息，采用軟件流水線、數(shù)據(jù)規(guī)劃、循環(huán)重構等技術，自動進行一些與處理器體系無關的優(yōu)化，生成高質量的代碼。
許多編譯器有不同級別的優(yōu)化選項，可以選用一種合適的優(yōu)化方式。
通常情況下，如果選用了最高級別的優(yōu)化方式，那么編譯器將片面追求代碼的優(yōu)化，有時會導致錯誤。
另外，還有一些專用的編譯器針對某些體系結構進行了優(yōu)化設計，可以充分利用硬件資源來生成高質量的代碼。
例如：Microsoft eMbedded Visual C++版的Intel編譯器完全針對Intel XScale體系，經(jīng)過高度優(yōu)化，能創(chuàng)建運行速度更快的代碼。
此編譯器采用了多種優(yōu)化技術，包括優(yōu)化指令管道操作的調度技術、雙重加載與存儲Intel XScale技術功能支持以及過程間優(yōu)化(將函數(shù)使用的變量存放到寄存器，以便快速訪問)等。
在嵌入式軟件開發(fā)過程中應選擇一種優(yōu)化能力強的編譯器，充分利用其代碼優(yōu)化功能，生成高效的代碼，提高程序的運行效率。
3.3 代碼優(yōu)化
代碼優(yōu)化，就是采用匯編語言或更精簡的程序代碼來代替原有的代碼，使編譯后的程序運行效率更高。
編譯器可以自動完成程序段和代碼塊范圍內的優(yōu)化，但很難獲取程序語義信息、算法流程和程序運行狀態(tài)信息，因而需要編程人員進行手工優(yōu)化。
以下是一些常用的優(yōu)化技術和技巧。
(1)代碼替換
使用周期短的指令代替周期長的指令，以降低運算的強度。
①減少除法運算。
用關系運算符兩邊乘除數(shù)避免除法操作，還有一些除法和取模的運算可以用位操作來代替。
因為位操作指令只需一個指令周期，而“/”運算則需要調用子程序，代碼長，執(zhí)行慢。
例如：
優(yōu)化前if((a/b)>c)和a=a/4
優(yōu)化后if(a>(b*c))和a=a>>2
②減少乘方運算。
例如：
優(yōu)化前a=pow(a，3.0)
優(yōu)化后a=a*a*a
�、凼褂冒准印⒆詼p指令。
例如：
優(yōu)化前a=a+1、a=a-l
優(yōu)化后a++、a--或inc、dec
�、鼙M量使用小的數(shù)據(jù)類型。
在所定義的變量滿足使用要求的條件下，優(yōu)先使用順序為：字符型(char)>整型(im)>長整型(long int)>浮點型(float)。
對除法來說，使用無符號數(shù)比有符號數(shù)會有更高的效率。
在實際調用中，盡量減少數(shù)據(jù)類型的強制轉換;少用浮點運算，如果運算的結果能夠控制在誤差之內，則可用長整型代替浮點型。
(2)全局變量與局部變量
少用全局變量，多用局部變量。
全局變量是放在數(shù)據(jù)存儲器中的，定義了全局變量，MCU就少了一個可以利用的數(shù)據(jù)存儲器空間，太多的全局變量，會導致編譯器無足夠的內存分配;而局部變量則大多定位于MCU內部的寄存器中。
在絕大多數(shù)的MCU中，使用寄存器的操作速度比數(shù)據(jù)存儲器快，指令也更靈活，有利于生成質量更高的代碼，而且局部變量所占用的寄存器和數(shù)據(jù)存儲器在不同的模塊中可以重復利用。
(3)使用寄存器變量
當一個變量被頻繁讀/寫時，需要反復訪問內存，花費大量的存取時間。
為了提高訪問效率，可以使用CPU寄存器變量，不需要訪問內存，直接進行讀/寫。
循環(huán)次數(shù)較多的循環(huán)控制變量及循環(huán)體內反復使用的變量均可定義為寄存器變量，而循環(huán)計數(shù)是應用寄存器變量的最佳選擇。
只有局部自動變量和形參才可以定義為寄存器變量。
因為寄存器變量屬于動態(tài)存儲方式，因此凡需要采用靜態(tài)存儲方式的變量都不能定義為寄存器變量。
寄存器變量的說明符是register。
下面是一個采用寄存器變量的例子：
(4)減少或避免執(zhí)行耗時的操作
應用程序的大量運行時問通�；ㄙM在關鍵程序模塊，關鍵模塊往往包含循環(huán)或嵌套循環(huán)。
減少循環(huán)中耗時的操作，可以提高程序的執(zhí)行速度。
常見的耗時操作有：輸入/輸出操作、文件訪問、圖形界面操作和系統(tǒng)調用等。
其中，如果無法避免文件的讀/寫，那么對文件的訪問將是影響程序運行速度的一大因素。
提高文件訪問速度的方法有兩種：一種是采用內存映射文件;另一種是使用內存緩存。
(5)switch語句用法的優(yōu)化
編程時，對case值按照可能性排序，將最可能發(fā)生的情況放在第一個，最不可能的情況放在最后一個，可以提高switch語句塊的執(zhí)行速度。
(6)循環(huán)體的優(yōu)化
循環(huán)體是程序設計和優(yōu)化的重點，對于一些不需要循環(huán)變量參加運算的模塊，可以把它放到循環(huán)的外面。
對于次數(shù)固定的循環(huán)體，for循環(huán)比while循環(huán)效率更高，減計數(shù)循環(huán)比增計數(shù)循環(huán)速度快。
例如：
實際運行時，每次循環(huán)需要在循環(huán)體外加兩條指令：一條減法指令(減少循環(huán)計數(shù)值)和一條條件分支指令。
這些指令稱為“循環(huán)開銷”。
在ARM處理器上，減法指令需要1個周期，條件分支指令需要3個周期，這樣每個循環(huán)另加了4個周期的開銷。
可以采用循環(huán)展開的方法來提高循環(huán)運行的速度，即：重復循環(huán)主題多次，并按同樣的比例減少循環(huán)次數(shù)來減小循環(huán)的開銷，以增加代碼尺寸。
來換取程序的運行速度。
(7)函數(shù)調用
高效的調用函數(shù)，盡量限制使用函數(shù)的參數(shù)個數(shù)，不要超過4個。
ARM調用時，4個以下的形參通過寄存器傳遞，第5個以上的形參通過存儲器棧傳遞。
如果有更多的參數(shù)調用，則可將相關的參數(shù)組織在一個結構體內，用傳遞結構體指針來代替參數(shù)。
(8)內聯(lián)函數(shù)和內嵌匯編
對性能影響大的重要函數(shù)可以使用關鍵字_inline內聯(lián)，會省去調用函數(shù)的開銷，負面影響是增加了代碼尺寸。
程序中對時間要求苛刻的部分可以用內嵌匯編來編寫，通�？梢詭硭俣壬系娘@著提高。
(9)查表代替計算
在程序中盡量不進行非常復雜的運算，如浮點數(shù)的開方。
對于這些消耗時間和資源的運算，可以采用空間換取時間的方法。
預先將函數(shù)值計算出來，置于程序存儲區(qū)中，以后程序運行時直接查表即可，減小了程序執(zhí)行過程中重復計算的工作量。
(10)使用針對硬件優(yōu)化的函數(shù)庫
Intel公司為XScale處理器設計的GPP(Graphics Performance Primitives library)/IPP(Integrated Perform-ance Primitives library)庫，針對多媒體處理、圖形處理和數(shù)值運算的一些典型操作和算法進行了手工優(yōu)化，可以很好地發(fā)揮XScale硬件的計算潛能，達到很高的執(zhí)行效率。
(11)利用硬件特性
為了提高程序的運行效率，要充分利用硬件特性來減小其運行開銷，例如減少中斷次數(shù)、利用DMA傳輸方式等。
CPU對各種存儲器的訪問速度排序依次為：CPU內部RAM>外部同步RAM>外部異步RAM>Flash/ROM。
對于已經(jīng)燒錄在Flash或ROM中的程序代碼，如果讓CPU直接從中讀取代碼執(zhí)行，運行速度較慢，則可在系統(tǒng)啟動后將Flash或ROM中的目標代碼拷貝至RAM中后執(zhí)行，以提高程序的運行速度。
4 結論
嵌入式程序的性能優(yōu)化與軟件的開發(fā)周期、開發(fā)成本、軟件的可讀性之聞通常存在矛盾。
要權衡利弊，作出折中的選擇。
將算法和數(shù)據(jù)結構優(yōu)化作為首選優(yōu)化技術;然后根據(jù)功能、性能差異和投資預算等因素選擇高效的編譯器、系統(tǒng)運行庫和圖形庫;使用性能監(jiān)測工具偵測占主要運行時間的程序熱點，采用代碼優(yōu)化手段對其進行優(yōu)化;最后使用高效的編譯器進行編譯優(yōu)化，從而得到高質量的代碼。
【嵌入式程序的優(yōu)化】相關文章：
seo優(yōu)化排名,seo優(yōu)化教程10-09
嵌入式的實驗心得09-29
嵌入式系統(tǒng)設計10-07
嵌入式簡歷模板10-02
優(yōu)化的方案04-09
優(yōu)化方案02-07