怎樣寫出高效的嵌入式C程序
發布時間：2020-4-13 11:07
發布者：嵌入式人生17
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怎樣寫出高效的嵌入式C程序 編寫高效簡潔的C語言代碼，是許多軟件工程師追求的目標。本文就工作中的一些體會和經驗做相關的闡述，不對的地方請各位指教。 file:///C:\Users\Administrator.WIN-STED6B9V5UI\AppData\Local\Temp\ksohtml10476\wps23.jpg 第 1 招：以空間換時間 file:///C:\Users\Administrator.WIN-STED6B9V5UI\AppData\Local\Temp\ksohtml10476\wps24.png 計算機程序中最大的矛盾是空間和時間的矛盾，那么從這個角度出發逆向思維來考慮程序的效率問題，我們就有了解決問題的第1招--以空間換時間。 file:///C:\Users\Administrator.WIN-STED6B9V5UI\AppData\Local\Temp\ksohtml10476\wps25.png 例如：字符串的賦值。 從上面的例子可以看出，A和 B的效率是不能比的。在同樣的存儲空間下，B直接使用指針就可以操作了，而 A 需要調用兩個字符函數才能完成。B的缺點在于靈活性沒有 A好。在需要頻繁更改一個字符串內容的時候，A 具有更好的靈活性；如果采用方法 B，則需要預存許多字符串，雖然占用了大量的內存，但是獲得了程序執行的高效率。 如果系統的實時性要求很高，內存還有一些，那我推薦你使用該招數。該招數的邊招--使用宏函數而不是函數。舉例如下： file:///C:\Users\Administrator.WIN-STED6B9V5UI\AppData\Local\Temp\ksohtml10476\wps26.png 函數和宏函數的區別就在于，宏函數占用了大量的空間，而函數占用了時間。大家要知道的是，函數調用是要使用系統的棧來保存數據的，如果編譯器里有棧檢查選項，一般在函數的頭會嵌入一些匯編語句對當前棧進行檢查；同時，CPU也要在函數調用時保存和恢復當前的現場，進行壓棧和彈棧操作，所以，函數調用需要一些CPU時間。而宏函數不存在這個問題。宏函數僅僅作為預先寫好的代碼嵌入到當前程序，不會產生函數調用，所以僅僅是占用了空間，在頻繁調用同一個宏函數的時候，該現象尤其突出。 D方法是我看到的最好的置位操作函數，是 ARM 公司源碼的一部分，在短短的三行內實現了很多功能，幾乎涵蓋了所有的位操作功能。C方法是其變體，其中滋味還需大家仔細體會。 file:///C:\Users\Administrator.WIN-STED6B9V5UI\AppData\Local\Temp\ksohtml10476\wps27.jpg 第 2 招：數學方法解決問題 file:///C:\Users\Administrator.WIN-STED6B9V5UI\AppData\Local\Temp\ksohtml10476\wps28.png 現在我們演繹高效C 語言編寫的第二招--采用數學方法來解決問題。數學是計算機之母，沒有數學的依據和基礎，就沒有計算機的發展，所以在編寫程序的時候，采用一些數學方法會對程序的執行效率有數量級的提高。 舉例如下，求 1～100 的和。 file:///C:\Users\Administrator.WIN-STED6B9V5UI\AppData\Local\Temp\ksohtml10476\wps29.png 這個例子是我印象最深的一個數學用例，是我的計算機啟蒙老師考我的。當時我只有小學三年級，可惜我當時不知道用公式 Nx(N+1)/2來解決這個問題。方法E 循環了 100次才解決問題，也就是說最少用了 100個賦值、100個判斷、200個加法(I和 j)；而方法F僅僅用了 1 個加法、1個乘法、1 次除法。效果自然不言而喻。所以，現在我在編程序的時候，更多的是動腦筋找規律，最大限度地發揮數學的威力來提高程序運行的效率。 file:///C:\Users\Administrator.WIN-STED6B9V5UI\AppData\Local\Temp\ksohtml10476\wps30.png 第 3 招：使用位操作 file:///C:\Users\Administrator.WIN-STED6B9V5UI\AppData\Local\Temp\ksohtml10476\wps31.png 實現高效的C 語言編寫的第三招--使用位操作，減少除法和取模的運算。在計算機程序中，數據的位是可以操作的最小數據單位，理論上可以用“位運算”來完成所有的運算和操作。一般的位操作是用來控制硬件的，或者做數據變換使用，但是，靈活的位操作可以有效地提高程序運行的效率。舉例臺如下： file:///C:\Users\Administrator.WIN-STED6B9V5UI\AppData\Local\Temp\ksohtml10476\wps32.png 在字面上好象 H比G麻煩了好多，但是，仔細查看產生的匯編代碼就會明白，方法 G調用了基本的取模函數和除法函數，既有函數調用，還有很多匯編代碼和寄存器參與運算；而方法H則僅僅是幾句相關的匯編，代碼更簡潔、效率更高。當然，由于編譯器的不同，可能效率的差距不大，但是，以我目前遇到的MS C,ARM C來看，效率的差距還是不小。相關匯編代碼就不在這里列舉了。運用這招需要注意的是，因為 CPU 的不同而產生的問題。比如說，在 PC 上用這招編寫的程序，并在 PC 上調試通過，在移植到一個 16位機平臺上的時候，可能會產生代碼隱患。所以只有在一定技術進階的基礎下才可以使用這招。 file:///C:\Users\Administrator.WIN-STED6B9V5UI\AppData\Local\Temp\ksohtml10476\wps33.jpg 第 4 招：必殺技——嵌入匯編 file:///C:\Users\Administrator.WIN-STED6B9V5UI\AppData\Local\Temp\ksohtml10476\wps34.png “在熟悉匯編語言的人眼里，C語言編寫的程序都是垃圾”。這種說法雖然偏激了一些，但是卻有它的道理。匯編語言是效率最高的計算機語言，但是，不可能靠著它來寫一個操作系統吧？所以，為了獲得程序的高效率，我們只好采用變通的方法--嵌入匯編、混合編程。 舉例如下，將數組一賦值給數組二，要求每一個字節都相符。char string1[1024], string2[1024]; file:///C:\Users\Administrator.WIN-STED6B9V5UI\AppData\Local\Temp\ksohtml10476\wps35.png file:///C:\Users\Administrator.WIN-STED6B9V5UI\AppData\Local\Temp\ksohtml10476\wps36.png 方法 I是最常見的方法，使用了 1024次循環；方法J則根據平臺不同做了區分，在 ARM 平臺下，用嵌入匯編僅用 128次循環就完成了同樣的操作。這里有朋友會說，為什么不用標準的內存拷貝函數呢？這是因為在源數據里可能含有數據為0 的字節，這樣的話，標準庫函數會提前結束而不會完成我們要求的操作。這個例程典型應用于 LCD數據的拷貝過程根據不同的 CPU，熟練使用相應的嵌入匯編，可以大大提高程序執行的效率。 雖然是必殺技，但是如果輕易使用會付出慘重的代價。這是因為，使用了嵌入匯編，便限制了程序的可移植性，使程序在不同平臺移植的過程中，臥虎藏龍、險象環生！同時該招數也與現代軟件工程的思想相違背，只有在迫不得已的情況下才可以采用，切記。 這么說教太枯燥了，我們來看一個例子。以一個LED 閃爍的程序為例。 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ＃include 這是指示燈LED 閃爍的C 源碼，這個源碼在Keil uVision4 生成的程序代碼是67 個字節。下面就采用幾個方法來提高這個程序的效率。 1、盡量定義局部變量 單片機程序的全局變量一般是放在通用數據存儲器（RAM）中，而局部變量一般是放在特殊功能寄存器當中。處理寄存器數據的速度比處理RAM 數據要快，如果在一個局部函數里調用一個全局變量將會多生成好幾個代碼出來。所以，少定義全局變量，多定義局部變量。如上例中，如果把延時函數里的i 和j 定義為全局變量，編譯后程序代碼會增加到79 個字節，多了12 個字節。 2、省略函數定義 在一個單片機程序里我們習慣在main 函數的前面先定義被調用函數，然后在mian 函數的下面再實現被調用函數。這樣的寫法固然是一個好習慣，但每定義一個函數會增加幾個代碼，而且函數形參數據類型越大、形參越多增加的代碼就越多，顯然這不是什么好事。如果不定義編譯器又報錯，怎么辦？C 編譯器的編譯順序是從上往下編譯，只要被調用的函數在主調函數調用之前實現就沒有問題了。所以，筆者的習慣寫法是不用定義函數，但要按先后順序（被調用函數一定要在主調函數之前寫好）來寫函數實現，到最后再寫main 函數。這樣做編譯器不但不會報錯，而且代碼得到精簡了。如上例中，把延時函數的定義刪除了，然后把延時函數的實現搬到main 函數的上面，編譯后程序代碼減少到63 個字節，減少了4 個字節。 3、省略函數形參 函數帶形參，是為了在函數調用時傳遞實參，不但可以避免重復代碼出現，還可以通過傳遞不同的實參值多次調用函數且實現不同的函數功能，總體代碼也會得到精簡。在實際編程的時候，我們只要注意，還可以進一步精簡代碼。對于不是多次調用或者多次調用但實參值不變的函數我們可以省略函數形參。如上例中的延時函數，我們把它改成不帶形參的函數： · · · · · · void Delayms()//延時函數{unsigned int i,j;for(i=0;i<500;i++)for(j=0;j<120;j++);//大約延時1 毫秒} 編譯后，程序代碼變成了56 個字節，精簡了11 個字節。 4、改換運算符 也許您可能沒有注意到C 運算符的運用也會影響程序代碼的數量。如上例中，把延時函數里的自加運算符改成自減運算符后，如： · · · · · · void Delayms(unsigned int t)//延時函數{unsigned int i,j;for(i=t;i>0;i--)for(j=120;j>0;j--);//#p#分頁標題#e#大約延時1 毫秒} 編譯后，程序代碼變成了65 個字節，精簡了2 個字節。 通過改換運算符能達到精簡代碼的例子還有： ⑵ ⑷把求余運算表達式改為位與運算表達式。如：b=a%8 可以改為：b=a&7。 ⑵ 把乘法運算表達式改為左移運算表達式。如：b=a*8 可以改為：b=a<<3。 ⑶ 把除法運算表達式改為右移運算表達式。如：b=a/8 可以改為：b=a>>3。 5、選擇合適的數據類型 C 語言里選擇變量的數據類型很講究，變量的數據類型過小滿足不了程序的要求，變量的數據類型過大會占用太多的RAM 資源。您可能還沒有注意到數據類型定義也影響程序代碼的大小，而且這個影響還不小。如上例中，延時函數里的局部變量j 定義的數據類型明顯偏大，如果把它由unsigned int 改成unsigned char 。編譯后，程序代碼變成了59 個字節，精簡了8 個字節。 6、直接嵌入代碼 在您的程序里如果某個函數只調用一次，而您又要求代碼提高執行速度，建議您不要采用調用函數的形式，而應該將該函數里的代碼直接嵌入主調函數里，代碼執行效率會大大提高。 7、使用效率高的C 語句 C 語言里有一個三目運算符“？”，俗稱“問號表達式”。很多程序員都很喜歡使用，因為它邏輯清晰表達簡潔。 看這個問號表達式：c=(a>b) ? a+1 : b+1;實際上等效于以下的if…else 結構： · · if (a>b) c=a+1;else c=b+1; 可以看到，使用問號表達式，語句相當簡潔，但它的執行效率卻很低，遠沒有if…else 語句效率高。所以，當您的程序要求提高執行速度的話，建議您不要使用問號表達式了。 另外，do…while 語句也比while 語句的效率高。 代碼的效率問題，不是我們編程中的主要問題，除了程序要求較高的執行速度或者單片機的ROM 和RAM 不夠用的時候才會考慮。一般情況下，我們不用在乎。如果您一味追求高效率的代碼，可能會影響代碼的可讀性和可維護性。 |
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