嵌入式计算原理
程序的优化方法
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背景
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并 且软硬件可裁剪，适用于应用系统，对功能、可靠性、成本 、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。随着数字信息 技术和网络技术高速发展,嵌入式系统已经广泛渗透到科学研 究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人
寄存器变量属于动态存储方式，因此凡需要采用静态存储方式的变量 都不能定义为寄存器变量。寄存器变量的说明符是register。
用register storage specifier声明函数形参将会建议编译器把实参存
入寄存器中而不是堆栈中。例如：void function(register int i, register long j)。
以充分利用硬件资源来生成高质量的代码。在嵌入式软件开发过程中应选
择一种优化能力强的编译器，充分利用其代码优化功能，生成高效的代码 ，提高程序的运行效率。
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代码优化
代码优化，就是采用汇编语言或更精简的程序代码来代 替原有的代码，使编译后的程序运行效率更高。编译器可以自 动完成程序段和代码块范围内的优化，但很难获取程序语义信 息、算法流程和程序运行状态信息，因而需要编程人员进行手
定义了全局变量，MCU(Microcontroller Unit)就少了一个可以利用的
数据存储器空间，太多的全局变量，会导致编译器无足够的内存分配 ；而局部变量则大多定位于MCU内部的寄存器中。在绝大多数的
MCU中，使用寄存器的操作速度比数据存储器快，指令也更灵活，有
利于生成质量更高的代码，而且局部变量所占用的寄存器和数据存储 器在不同的模块中可以重复利用。
，使得编译器不能对循环进行优化
处理，降低了效率。
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代码优化

函数调用
高效的调用函数，尽量限制使用函数的参数个数，不要超过4个。ARM
调用时，4个以下的形参通过寄存器传递，第5个以上的形参通过存储器栈
传递。如果有更多的参数调用，则可将相关的参数组织在一个结构体内， 用传递结构体指针来代替参数。
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字符型(char)>整型(im)>长整型(long int)>浮点型(float)。
对除法来说，使用无符号数比有符号数会有更高的效率。在实际调用中 ，尽量减少数据类型的强制转换；少用浮点运算，如果运算的结果能够 控制在误差之内，则可用长整型代替浮点型。
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代码优化

全局变量与局部变量
少用全局变量，多用局部变量。全局变量是放在数据存储器中的，
代码优化

内联函数和内嵌汇编
对性能影响大的重要函数可以使用关键字 inline内联,那么在调用它的地
方将会用函数体来替代函数调用语句，第一，省去了调用指令需要的执行
时间；第二，省去了传递变元和传递过程需要的时间。但是使用这种方法 在优化程序速度的同时，增加了代码尺寸，因此需要更多的 ROM。使用
这种优化在inline 函数频繁调用并且只包含几行代码的时候是最有效的。
switch 语句中，发生相对频率相对低的 case 标号放在另外的 switch 语句中。
如例 3 中，把发生率高的case 标号放
在外层的 switch 语句中，把发生频率 低的放在缺省的(default)内层 switch 语
句中。
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代码优化

提高循环语句的效率
循环体是程序设计和优化的重点，对于一些不需要循环变量参加运算的
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谢 谢 各 位
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优化后if(a>(b*c))和a=a>>2
②减少乘方运算。例如：
优化前a=pow(a，3．0) 优化后a=a*a*a
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代码优化
③使用白加、自减指令。例如：
优化前a=a+1、a=a-1 优化后a++、a--或inc、dec ④尽量使用小的数据类型。在所定义的变量满足使用要求的条件下，优 先使用顺序为：
们的日常生活等方方面面中。嵌入式系统由于受功耗、成本
和体积等因素的制约，嵌入式微处理器的处理能力与桌面系 统处理器相比也存在较大差距，故嵌入式系统对程序运行的 空间和时间要求极为苛刻。
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嵌入式程序优化定义
嵌入式应用程序优化，指在不改变程序功能的情况下，通过修改原来程 序的算法、结构，并利用软件开发工具对程序进行改进，使修改后的程序运
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代码优化

使用寄存器变量
当一个变量被频繁读／写时，需要反复访问内存，花费大量的存取
时间。为了提高访问效率，可以使用CPU寄存器变量，不需要访问内
存，直接进行读／写。循环次数较多的循环控制变量及循环体内反复 使用的变量均可定义为寄存器变量，而循环计数是应用寄存器变量的
最佳选择。只有局部自动变量和形参才可以定义为寄存器变量。因为
行速度更高或代码尺寸更小。
按照优化的侧重点不同，程序优化可分为运行速度优化和代码尺寸优化 。运行速度优化是指在充分掌握软硬件特性的基础上，通过应用程序结构调 整等手段来缩短完成指定任务所需的运行时间；代码尺寸优化则是指应用程 序在能够正确实现所需功能的前提下，尽可能减小程序的代码量。实际应用 中，这两者往往是相互矛盾的，为了提高程序运行速度，就要以增加代码量 为代价；而为了减小程序代码尺寸，可能又要以降低程序运行速度为代价。 因此，在对程序进行优化之前，应根据实际需要来制定具体的优化策略。
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算法和数据结构优化
算法和数据结构是程序设计的核心所在，算法的好坏在很大程度上决 定了程序的优劣。为了实现某种功能，通常可以采用多种算法，不同算法 的复杂度和效率差别很大。选择一种高效的算法或对算法进行优化，可以 使应用程序获得更高的优化性能。例如：在数据搜索时，二分查找法要比 顺序查找法快。递归程序需要大量的过程调用，并在堆栈中保存所有返回 过程的局部变量，时间效率和空间效率都非常低；若根据实际情况对递归 程序采用迭代、堆栈等方法进行非递归转换，则可大幅度提高程序的性能 。 数据结构在程序的设计中也占有重要的地位。例如：如果在一些无序
模块，可以把它放到循环的外面。对于次数固定的循环体， for 循环比
while循环效率更高，减计数循环比增计数循环速度快。 实际运行时，每次循环需要在循环体外加两条指令：一条减法指令(减少 循环计数值)和一条条件分支指令。这些指令称为“循环开销”。在ARM 处理器上，减法指令需要1个周期，条件分支指令需要3个周期，这样每个 循环另加了4个周期的开销。可以采用循环展开的方法来提高循环运行的 速度，即：重复循环主题多次，并按同样的比例减少循环次数来减小循环 的开销，以增加代码尺寸。来换取程序的运行速度。
工优化。以下是一些常用的优化技术和技巧。
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代码优化

代码替换
使用周期短的指令代替周期长的指令，以降低运算的强度。
①减少除法运算。用关系运算符两边乘除数避免除法操作，还有一些除法
和取模的运算可以用位操作来代替。因为位操作指令只需一个指令周期 ，而“／”运算则需要调用子程序，代码长，执行慢。例如：
优化前if((a／b)>c)和a=a／4
种：一种是采用内存映射化

提高switch语句的效率
当 switch 语句中的 case 标号很多时
，为了减少比较的次数，可以把发生频
率相对高的条件放到第一位或者把整个 switch 语句转化嵌套 switch 语句。把
发生频率高的 case 标号放在最外层的
的数据中多次进行插入、删除数据项操作，那么采用链表结构就会比较快
。算法和数据结构优化是首选的优化技术。
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编译优化
现在，很多的编译器都具有一定的代码优化功能。在编译时，借用并 行程序设计技术，进行相关性分析；获得源程序的语义信息，采用软件流 水线、数据规划、循环重构等技术，自动进行一些与处理器体系无关的优 化，生成高质量的代码。许多编译器有不同级别的优化选项，可以选用一 种合适的优化方式。通常情况下，如果选用了最高级别的优化方式，那么 编译器将片面追求代码的优化，有时会导致错误。 另外，还有一些专用的编译器针对某些体系结构进行了优化设计，可
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嵌入式程序优化原则
等效原则。所谓等效原则就是优化前后，程序实现的功能要一致。 有效原则。所谓有效原则。优化后要比优化前运行速度快或占用的
储存空间要小，或两者兼而有之。
经济原则。所谓经济原则就是程序有较小的代价，取得较理想的效
果。

嵌入式程序优化主要方面
嵌入式程序的优化分为3个方面：算法和数据结构优化、编译优化以 及代码优化。
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代码优化

减少或避免执行耗时的操作
应用程序的大量运行时问通常花费在关键程序模块，关键模块往往
包含循环或嵌套循环。减少循环中耗时的操作，可以提高程序的执行
速度。常见的耗时操作有：输入/输出操作、文件访问、图形界面操作 和系统调用等。其中，如果无法避免文件的读／写，那么对文件的访
问将是影响程序运行速度的一大因素。提高文件访问速度的方法有两
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结论
嵌入式程序的性能优化与软件的开发周期、开发成本、软 件的可读性之闻通常存在矛盾。要权衡利弊，作出折中的选择
。将算法和数据结构优化作为首选优化技术；然后根据功能、
性能差异和投资预算等因素选择高效的编译器、系统运行库和 图形库；使用性能监测工具侦测占主要运行时间的程序热点， 采用代码优化手段对其进行优化；最后使用高效的编译器进行 编译优化，从而得到高质量的代码。
程序中对时间要求苛刻的部分可以内嵌汇编来编写，适当的使用内嵌汇编 指令可以有效的提高整个系统运行的效率。
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代码优化

利用硬件特性
为了提高程序的运行效率，要充分利用硬件特性来减小其运行开销，例
如减少中断次数、利用DMA(Direct Memory Access)传输方式等。