淺析嵌入式程序設(shè)計(jì)中的優(yōu)化問題

崔曉康+高潤秋+王芮+袁明芊+仵松頎

【摘 要】隨著人們對嵌入式應(yīng)用性能需求的提高，嵌入式程序的運(yùn)行效率逐漸得到關(guān)注。本文根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)與應(yīng)用環(huán)境，從四個(gè)方面提出了基于C語言的嵌入式程序設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，提高了嵌入式程序的性能，對嵌入式程序設(shè)計(jì)開發(fā)人員具有借鑒價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng)；程序設(shè)計(jì)優(yōu)化；性能

隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展，低功耗、低成本、低體積，而且高性價(jià)比。這些優(yōu)點(diǎn)使得其得到了廣泛應(yīng)用，大到航天領(lǐng)域，小到智能終端領(lǐng)域。盡管嵌入式系統(tǒng)發(fā)展迅速，但嵌入式微處理器相對于桌面級的處理器而言存在一定的差距。這就使得嵌入式系統(tǒng)對運(yùn)行在嵌入式微處理器上的程序有相對苛刻的要求，特別是運(yùn)行時(shí)間和空間方面的要求。因此，對運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)中的程序進(jìn)行優(yōu)化，可大大降低嵌入式系統(tǒng)的功耗，從而提高運(yùn)行時(shí)間，而且可以提高程序的運(yùn)行效率，滿足嵌入式程序?qū)π阅芊矫娴男枨?。本文將就如何對嵌入式程序進(jìn)行優(yōu)化展開討論。

一、嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)即控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置。根據(jù)該定義可知，嵌入式系統(tǒng)是硬件和軟件的綜合體，而且包含機(jī)械等裝置。

嵌入式系統(tǒng)以微處理器及軟件為核心部件，具有方便、靈活地嵌入到其他應(yīng)用系統(tǒng)的特征，本身也是可執(zhí)行的獨(dú)立系統(tǒng)。

以微處理器類型劃分的化，嵌入式系統(tǒng)可以分為以單片機(jī)為核心的嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)、以工業(yè)計(jì)算機(jī)板為核心的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、以DSP為核心的嵌入式數(shù)字信號處理器系統(tǒng)和以FPGA及軟CPU為核心的嵌入式SOPC系統(tǒng)等。

嵌入式程序是嵌入式系統(tǒng)軟件的組成，包括系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序。系統(tǒng)程序運(yùn)行在操作系統(tǒng)核心態(tài)，應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶態(tài)。近年來，為了更加高效地開發(fā)嵌入式程序，廣泛采用C語言來進(jìn)行開發(fā)。本文將就C語言設(shè)計(jì)的程序如何進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)行論述。

二、嵌入式程序設(shè)計(jì)優(yōu)化

程序優(yōu)化是指在不改變程序功能的情況下，對程序的結(jié)構(gòu)、代碼、算法等進(jìn)行裁剪、變換、替代等，使得修改后的程序擁有比源程序更優(yōu)的性能。更優(yōu)的性能包括兩方面的涵義，一是代碼量更少、更精簡；二是程序運(yùn)行速度更快，性能開銷更低。

運(yùn)行速度優(yōu)化是通過對程序的結(jié)構(gòu)、算法等進(jìn)行修改，采用更加高效的結(jié)構(gòu)和算法來實(shí)現(xiàn)同一功能，從而使得程序的運(yùn)行時(shí)間得到所短。代碼優(yōu)化指的是在對應(yīng)用程序功能不影響的情況下，對冗余代碼進(jìn)行刪除、部門程序語句進(jìn)行替換等實(shí)現(xiàn)代碼量的減少。

事實(shí)上，這兩者是一對矛盾體，為了使得程序運(yùn)行速度更快，往往需要添加額外的優(yōu)化代碼。但隨著存儲技術(shù)的發(fā)展，RAM、ROM等不在稱為限制程序大小的因素。所以，本文只討論嵌入式程序運(yùn)行速度優(yōu)化問題。

1.嵌入式程序設(shè)計(jì)優(yōu)化原則

嵌入式程序設(shè)計(jì)優(yōu)化主要遵循的原則包括：

（1）等價(jià)性原則，優(yōu)化前后程序的功能是等價(jià)的，不能因?yàn)榇a的變化改變程序的功能；

（2）有效性原則，即優(yōu)化后的程序需要達(dá)到預(yù)期目的，要么使得程序的運(yùn)行速度更快，要么使得程序的代碼量更少；

（3）經(jīng)濟(jì)性原則，即對程序優(yōu)化投入的人力物力要滿足以盡量小的代碼獲得盡量高的收益，即更佳的優(yōu)化效果。[1]

2.通用優(yōu)化方法

通用的優(yōu)化方法主要從語言角度出發(fā)對程序進(jìn)行優(yōu)化，即對C程序在嵌入式系統(tǒng)上的優(yōu)化。

（1）循環(huán)優(yōu)化

循環(huán)是C語言中常用的一種結(jié)構(gòu)。合理的使用循環(huán)能夠使得程序功能很強(qiáng)大，但是循環(huán)帶來的開銷是很高的。本文對循環(huán)的優(yōu)化主要采用三種策略。一是使用遞減循環(huán)。變循環(huán)變量遞加為遞減，可以減少循環(huán)終止條件測試的開銷，特別是在嵌套循環(huán)的情況下，可以取得更好的效果。二是優(yōu)化循環(huán)退出條件。如果循環(huán)不能夠及時(shí)退出，將有可能使得程序多執(zhí)行多次循環(huán)甚至造成死循環(huán)。三是對相關(guān)循環(huán)進(jìn)行合并，減少循環(huán)的個(gè)數(shù)。將相鄰的循環(huán)進(jìn)行合并，合并原則是不會出現(xiàn)變量相關(guān)。

（2）函數(shù)優(yōu)化

函數(shù)是C程序中最主要的組成，一個(gè)程序中包含若干個(gè)函數(shù)。函數(shù)優(yōu)化從三個(gè)方面考慮。一是使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)，減少遞歸函數(shù)的使用。遞歸雖然使得程序更加簡潔，但是遞歸需要花費(fèi)更多的時(shí)間進(jìn)行函數(shù)調(diào)用，而且函數(shù)調(diào)用時(shí)使用堆棧而不是寄存器也使得程序開銷更大。二是函數(shù)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。這一點(diǎn)是與硬件體系相關(guān)的。以ARM為例，函數(shù)參數(shù)傳遞先通過寄存器實(shí)現(xiàn)，然后再通過堆棧。但是寄存器資源有限，一般為4個(gè)。所以在進(jìn)行函數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量讓函數(shù)參數(shù)小于等于4。三是使用函數(shù)值表。通過函數(shù)值表，可以減少某些耗時(shí)的數(shù)學(xué)函數(shù)帶來的時(shí)間開銷。

（3）變量優(yōu)化

變量優(yōu)化主要考慮到全局變量和局部變量[2]。一般減少全局變量的使用，多使用局部變量。除了性能上的考慮，全局變量對程序自身的安全也存在威脅。過多的全局變量還會帶來過度的存儲空間開銷。

（4）內(nèi)聯(lián)匯編的使用

內(nèi)聯(lián)匯編是指在C/C++代碼中嵌入的匯編代碼，與全部是匯編的匯編源文件不同，它們被嵌入到C/C++的大環(huán)境中。由于內(nèi)聯(lián)匯編以匯編代碼實(shí)現(xiàn)，比C代碼效率高。因此，適當(dāng)?shù)氖褂脙?nèi)聯(lián)匯編，對程序的運(yùn)行速度提高具有一定的促進(jìn)作用。

3.基于硬件的優(yōu)化方法

該方法主要使用硬件資源來對程序進(jìn)行優(yōu)化。一是使用寄存器變量[3]。寄存器的存取速度遠(yuǎn)高于內(nèi)存的存取速度。對一些經(jīng)常使用的變量，可以通過分配指定寄存器作為其存儲單元的方法，在一定程度上提高程序運(yùn)行效率。另外，對程序優(yōu)化時(shí)候可以考慮CPU的流水線處理，兩者相互結(jié)合效果更好。

4.基于指令集的優(yōu)化方法

指令集優(yōu)化指的是從嵌入式系統(tǒng)支持的指令集角度入手，根據(jù)指令集的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。一是對不包含的指令進(jìn)行優(yōu)化。比如除法指令，ARM結(jié)構(gòu)下的指令集并沒有。進(jìn)行除法運(yùn)算時(shí)通過調(diào)用庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，而庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)的除法效率低下。因此，對除法進(jìn)行優(yōu)化，改成使用乘法指令來實(shí)現(xiàn)。二是條件發(fā)的合理使用。ARM指令包含有一個(gè)條件碼，在條件碼滿足一定條件下執(zhí)行某種功能。如果要實(shí)現(xiàn)的功能與條件碼相關(guān)，那么利用該條件碼可以使得判斷更迅速。

5.基于編譯器的優(yōu)化方法

編譯器優(yōu)化主要用來對代碼進(jìn)行語法檢查、語句優(yōu)化以及安全性方面的檢查。但高級的編譯器可以對程序的運(yùn)行效率進(jìn)行優(yōu)化。比如程序中有一個(gè)常量乘法運(yùn)算，那么在編譯之后程序運(yùn)行之前該乘法運(yùn)算的結(jié)果已經(jīng)得出。另外，編譯器會對循環(huán)做優(yōu)化，通過循環(huán)展開，減少比不要的循環(huán)；還可以將一些尾遞歸轉(zhuǎn)換為循環(huán)實(shí)現(xiàn)，提高效率。

三、結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)的廣泛使用使得運(yùn)行之上的程序性能要求更高。本文討論了嵌入式程序設(shè)計(jì)優(yōu)化問題。從通用方法、硬件優(yōu)化、編譯器優(yōu)化、指令集優(yōu)化等方法進(jìn)行了探討，提出了一些相關(guān)優(yōu)化策略，對提高程序的運(yùn)行效率具有促進(jìn)作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 王磊， 李鑫. 淺析嵌入式程序的優(yōu)化[J]. 電腦知識與技術(shù)： 學(xué)術(shù)交流， 2012， 8（1）： 192-193.

[2] 劉鋒， 張曉林. 淺析嵌入式程序設(shè)計(jì)中的優(yōu)化問題[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用， 2006 （12）： 66-68.

[3] 劉侃， 張永泰， 劉洛琨. ARM 程序設(shè)計(jì)優(yōu)化策略與技術(shù)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用， 2004 （4）： 70-72.