深入淺出編譯優(yōu)化選項(xiàng)（上）

在前文《如何為嵌入式軟件開發(fā)選擇編譯器》中講到編譯器對(duì)于嵌入式軟件開發(fā)的重要性，以及如何選擇一款優(yōu)秀的編譯器。 文中也比較了現(xiàn)有主流編譯器的編譯優(yōu)化性能，IAR Embedded Workbench編譯器不論在輸出代碼體積還是性能均處于業(yè)界領(lǐng)先地位。

本文中，我們將以IAR Embedded Workbench編譯器為例，闡述如何配置編譯優(yōu)化選項(xiàng)，以達(dá)到嵌入式軟件代碼性能和體積的最佳平衡。由于篇幅關(guān)系，本主題將會(huì)分成上、下兩篇。

編譯器代碼構(gòu)建過(guò)程

在介紹如何配置編譯器優(yōu)化選項(xiàng)之前，讓我們先來(lái)了解下編譯器構(gòu)建的過(guò)程。 以IAR Embedded Workbench編譯器為例，其代碼構(gòu)建過(guò)程如下圖。

構(gòu)建過(guò)程分為兩部分：前端和后端。

前端主要將C代碼通過(guò)解析器（Parser）生產(chǎn)中間代碼（Intermediate Code），在這個(gè)過(guò)程中會(huì)介入優(yōu)化器（High-Level Optimizer），其優(yōu)化策略包括函數(shù)內(nèi)聯(lián)（Function in lining）, 冗余代碼消除（Dead code elimination）, 循環(huán)展開（Loop unrolling）等。

后端則將中間代碼通過(guò)目標(biāo)代碼生成器（Code Generator）生成目標(biāo)匯編代碼（Target Code），在這個(gè)過(guò)程中也會(huì)介入優(yōu)化器（Low-Level Optimizer），其優(yōu)化策略包括調(diào)度（Scheduling）, 窺視孔（Peephole）, 函數(shù)調(diào)用優(yōu)化（Cross call）等。 然后由匯編器（Assembler）將匯編代碼轉(zhuǎn)換成目標(biāo)機(jī)器碼（Object Code）。 最后，通過(guò)鏈接器（Linker），將所有的目標(biāo)機(jī)器碼鏈接成elf格式的可執(zhí)行二進(jìn)制代碼文件。 在鏈接階段也有相應(yīng)的優(yōu)化器（Linker time optimization）進(jìn)行優(yōu)化。

IAR Embedded Workbench
編譯優(yōu)化選項(xiàng)介紹

在IAR Embedded Workbench（基于EWARM v9.32.2）中通過(guò)菜單欄（Project -> Options）打開項(xiàng)目選項(xiàng)界面，選中“C/C++ Compiler”欄目，并且在右邊選項(xiàng)卡選中“Optimizations”，即可進(jìn)行編譯優(yōu)化選項(xiàng)配置，如下圖所示。

1. 編譯優(yōu)化等級(jí)配置

如下圖所示，IAR Embedded Workbench共分為4個(gè)優(yōu)化等級(jí)（None, Low, Medium, High），其中等級(jí)“High”又分為3個(gè)子優(yōu)化等級(jí)（Balanced, Size, Speed）。 下表是各個(gè)優(yōu)化等級(jí)對(duì)應(yīng)的優(yōu)化策略總覽。

? 選擇“None”，編譯器只會(huì)進(jìn)行無(wú)用代碼消除等基本優(yōu)化，但編譯速度快，并且最適合C/C++源代碼調(diào)試。

? 最高優(yōu)化等級(jí)除了High(Balanced)之外，也可以選擇High(Size)對(duì)于代碼體積進(jìn)行極致優(yōu)化； 或者選擇High(Speed) ，并且勾選 No size constraints，則對(duì)于代碼性能進(jìn)行極致優(yōu)化。

關(guān)于編譯優(yōu)化微調(diào)項(xiàng)（Enabled transformations）配置方法，我們將在《深入淺出編譯優(yōu)化選項(xiàng)（下）》詳細(xì)介紹，敬請(qǐng)關(guān)注。

2. 多文件編譯（Multi-file Compilation）

通常情況下，編譯器逐個(gè)編譯C/C++源文件。 編譯器的單次編譯視野僅限于當(dāng)前C/C++源文件，不能獲知其他源文件的情況，包括全局變量，函數(shù)調(diào)用，指針別名等關(guān)系。 因此編譯器會(huì)采用較為保守和安全的優(yōu)化假設(shè)。

IAR Embedded Workbench則為用戶提供了 **“多文件編譯” **功能，如下圖。 編譯器在工程全局級(jí)別或者文件組級(jí)別，允許一次編譯多個(gè)文件，從而增加了編譯視野，可以進(jìn)行更為深度的編譯優(yōu)化策略實(shí)施，通常能獲得更好的編譯優(yōu)化效果。

3. 靈活配置編譯優(yōu)化選項(xiàng)作用域

IAR Embedded Workbench提供了不同作用域的編譯優(yōu)化選項(xiàng)設(shè)置，使用戶能夠更加靈活的進(jìn)行配置，對(duì)不同編譯優(yōu)化需求的代碼進(jìn)行分別配置。

? 全局設(shè)置：如之前介紹的編譯優(yōu)化選項(xiàng)設(shè)置方法均為全局設(shè)置，作用于整個(gè)工程范圍。

? 每個(gè)文件/每個(gè)組的設(shè)置：當(dāng)文件/組中的所有函數(shù)必須具有與項(xiàng)目不同的編譯優(yōu)化設(shè)置時(shí)，打開文件/組編譯選項(xiàng)界面（在項(xiàng)目管理器選中文件/組，右擊鼠標(biāo)選擇Options），選擇“Override inherited settings”，如下圖。 然后進(jìn)行編譯優(yōu)化設(shè)置。

? 單個(gè)函數(shù)：當(dāng)某些函數(shù)必須具有不同的編譯優(yōu)化設(shè)置時(shí)，可以在源代碼中使用 #pragma 關(guān)鍵字進(jìn)行單獨(dú)配置，如下例。

4. 鏈接階段優(yōu)化選項(xiàng)

IAR Embedded Workbench在鏈接階段也提供了相應(yīng)的代碼優(yōu)化選項(xiàng)，如下圖。

? 鏈接階段默認(rèn)消除未使用的變量和函數(shù)。

? 小函數(shù)內(nèi)聯(lián)（inline small routines）：將對(duì)小函數(shù)的某些調(diào)用替換為函數(shù)的本體。

? 合并重復(fù)段（Merge duplicate sections）：鏈接器可以檢測(cè)具有相同內(nèi)容的只讀段，并僅保留每個(gè)此類段的一個(gè)副本，從而將對(duì)任何重復(fù)段的所有引用重定向到保留的段。

? C++虛擬函數(shù)消除（Perform C++ virtual function elimination）：虛函數(shù)是 C++ 中的一種特殊函數(shù)，它的實(shí)際調(diào)用取決于對(duì)象的實(shí)際類型。 虛函數(shù)的調(diào)用需要運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)解析，因此會(huì)導(dǎo)致一定的運(yùn)行時(shí)開銷。 “C++虛擬函數(shù)消除” 可刪除不需要的虛擬函數(shù)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)類型信息，以減少程序運(yùn)行時(shí)的開銷，提高程序的性能。

嵌入式軟件編譯優(yōu)化選項(xiàng)配置整體思路

嵌入式系統(tǒng)中通常硬件資源有限，特別是存儲(chǔ)器容量，直接與MCU硬件成本掛鉤，影響整個(gè)系統(tǒng)的硬件物料成本； 另一方面，嵌入式軟件又需要對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，比如馬達(dá)控制組件； 除此之外，電池供電的嵌入式設(shè)備需要具備低功耗特性，要求CPU盡可能處于深度睡眠狀態(tài)，以盡可能延長(zhǎng)設(shè)備的單次電池工作時(shí)間。 結(jié)合上述情況，對(duì)于嵌入式軟件進(jìn)行編譯優(yōu)化選項(xiàng)配置需要進(jìn)行差異化考量，具體如下：

? 對(duì)于整個(gè)嵌入式軟件項(xiàng)目作用域，可以考慮極致代碼體積優(yōu)化。 較少的代碼體積可以適配較小flash容量的MCU，從而節(jié)省硬件物料成本。

? 對(duì)于運(yùn)行頻度很高的代碼段，可以考慮極致代碼性能優(yōu)化。 這樣可以使得關(guān)鍵代碼在相同CPU速度的情況下，達(dá)到更高的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度。

? 另外，在電池供電的低功耗應(yīng)用中，CPU一般處在深度睡眠狀態(tài)。 通常是間隔一段時(shí)間或者外部事件到來(lái)，喚醒CPU執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，然后CPU重新回到深度睡眠狀態(tài)。 設(shè)備功耗等于CPU深度睡眠的靜態(tài)功耗和任務(wù)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)功耗之和。 根據(jù)MCU硬件電氣特性，其單位時(shí)間動(dòng)態(tài)功耗（mA級(jí)別）要遠(yuǎn)大于單位時(shí)間靜態(tài)功耗（uA級(jí)別）。

對(duì)于經(jīng)常需要喚醒執(zhí)行的軟件任務(wù)，可以考慮極致代碼性能優(yōu)化。 這樣會(huì)減少動(dòng)態(tài)功耗的時(shí)間，以達(dá)到整體功耗的下降，從而增加設(shè)備的電池使用壽命。

注意事項(xiàng)：

? #pragma optimize 只能降低對(duì)應(yīng)函數(shù)的優(yōu)化等級(jí)，或者選擇另外一種優(yōu)化策略。 如果 pragma optimize的優(yōu)化等級(jí)比編譯器選項(xiàng)的優(yōu)化等級(jí)高，那么 pragma optimize命令會(huì)被忽略。

? 高優(yōu)化等級(jí)會(huì)讓編譯時(shí)間變長(zhǎng)，同時(shí)讓調(diào)試變得困難一些（因?yàn)楦邇?yōu)化等級(jí)會(huì)讓生成的代碼和源代碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系沒(méi)有那么直接）。 如果在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)類似的問(wèn)題，建議降低優(yōu)化等級(jí)進(jìn)行調(diào)試。

總結(jié)

IAR Embedded Workbench是一款業(yè)界領(lǐng)先的編譯工具鏈，除了提供卓越的性能之外，還提供了豐富靈活的編譯優(yōu)化選項(xiàng)配置，以幫助用戶在不同的嵌入式應(yīng)用需求下，都能找到最佳的嵌入式軟件代碼性能和體積的平衡點(diǎn)。

在下一篇《深入淺出編譯優(yōu)化選項(xiàng)（下）》中，我們將介紹編譯過(guò)程中的優(yōu)化策略以及如何在IAR Embedded Workbench配置編譯優(yōu)化微調(diào)項(xiàng)（Enabled transformations），讓用戶可以根據(jù)代碼需求配置出更加精準(zhǔn)的編譯優(yōu)化策略組合。

審核編輯：湯梓紅