嵌入式編程中的常見操作

嵌入式代碼優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜的過程，它不僅取決于代碼本身，還取決于目標(biāo)硬件平臺(tái)、編譯器以及優(yōu)化的目標(biāo)（例如速度、內(nèi)存使用、功耗等）。

不過，有一些通用的技巧可以在編寫嵌入式代碼時(shí)考慮到：

使用查表法

在內(nèi)存空間較為充足的情況下，有時(shí)候可以犧牲一些空間來?yè)Q取程序的運(yùn)行速度。查表法就是 以空間換取時(shí)間 的典型例子。

比如：編寫程序統(tǒng)計(jì)一個(gè)4bit（0x0~0xF）數(shù)據(jù)中1的個(gè)數(shù)。

使用查表法：

static?int?table[16]?=?{0,?1,?1,?2,?1,?2,?2,?3,?1,?2,?2,?3,?2,?3,?3,?4};
int?get_digits_1_num(unsigned?char?data)
{
?int?cnt?=?0;
?unsigned?char?temp?=?data?&?0xf;??
?
?cnt?=?table[temp];
?
?return?cnt;
}

優(yōu)于：

int?get_digits_1_num(unsigned?char?data)
{
?int?cnt?=?0;
?unsigned?char?temp?=?data?&?0xf;??
?
?for?(int?i?=?0;?i?>=?1;
?}
?
?return?cnt;
}

查表法把0x0~0xF中的所有數(shù)據(jù)中每個(gè)數(shù)據(jù)的1的個(gè)數(shù)都記錄下來，存放到一個(gè)表中。這樣一來，數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)中1的個(gè)數(shù)就建立起了一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以通過數(shù)組索引來獲取得到結(jié)果。常規(guī)法使用for循環(huán)的方式來實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是占用了不少處理器的時(shí)間。

特別地，對(duì)于越復(fù)雜地運(yùn)算，查表法較常規(guī)法更有優(yōu)勢(shì)。另一方面，查表法的代碼往往比常規(guī)法要簡(jiǎn)潔些。

使用柔性數(shù)組

C99中，結(jié)構(gòu)體中的最后一個(gè)元素允許是未知大小的數(shù)組，這就叫作 柔性數(shù)組 。

柔性數(shù)組的特點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)體中柔性數(shù)組成員前面必須至少有一個(gè)其他成員。

sizeof返回的這種結(jié)構(gòu)大小不包括柔性數(shù)組的內(nèi)存。

包含柔性數(shù)組成員的結(jié)構(gòu)用malloc()函數(shù)進(jìn)行內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配。

在C99標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中，使用柔性數(shù)組：

typedef?struct?_protocol_format
{
????uint16_t?head;????
????uint8_t?id;
????uint8_t?type;
????uint8_t?length;
????uint8_t?value[];
}protocol_format_t;

優(yōu)于使用指針：

typedef?struct?_protocol_format
{
????uint16_t?head;????
????uint8_t?id;
????uint8_t?type;
????uint8_t?length;
????uint8_t?*value;
}protocol_format_t;

柔性數(shù)組的方式結(jié)構(gòu)體占用較指針的方式少。

柔性數(shù)組的方式相對(duì)與指針的方式更為簡(jiǎn)潔，給結(jié)構(gòu)體申請(qǐng)空間的同時(shí)也給柔性數(shù)組申請(qǐng)空間，柔性數(shù)組的方式只需要申請(qǐng)一次空間，是一塊連續(xù)內(nèi)存，連續(xù)的內(nèi)存有益于提高訪問速度；而指針的方式，除了給結(jié)構(gòu)體申請(qǐng)空間之外，還得給結(jié)構(gòu)體里的指針成員申請(qǐng)空間。

使用指針的方式寫代碼會(huì)比柔性數(shù)組的方式會(huì)繁瑣一些，特別地，如果在釋放內(nèi)存的時(shí)候把順序弄反了，則結(jié)構(gòu)體里的指針成員所指向的內(nèi)存就釋放不掉，會(huì)造成內(nèi)存泄露。

使用位操作

1、使用位域

有些數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)時(shí)并不需要占用一個(gè)完整的字節(jié)，只需要占用一個(gè)或幾個(gè)二進(jìn)制位即可。

比如：管理一些標(biāo)志位。

使用位域：

struct?{
????unsigned?char?flag1：1;
????unsigned?char?flag2：1;
????unsigned?char?flag3：1;
????unsigned?char?flag4：1;
????unsigned?char?flag5：1;
????unsigned?char?flag6：1;
????unsigned?char?flag7：1;
????unsigned?char?flag8：1;
}?flags;

優(yōu)于：

struct?{
????unsigned?char?flag1;
????unsigned?char?flag2;
????unsigned?char?flag3;
????unsigned?char?flag4;
????unsigned?char?flag5;
????unsigned?char?flag6;
????unsigned?char?flag7;
????unsigned?char?flag8;
}?flags;

2、使用位操作代替除法和乘法

使用位操作：

uint32_t?val?=?1024;
uint32_t?doubled?=?val?<>?1;?

優(yōu)于：

uint32_t?val?=?1024;
uint32_t?doubled?=?val?*?2
uint32_t?halved?=?val?/?2

循環(huán)展開

有時(shí)候，可以犧牲一點(diǎn)代碼的簡(jiǎn)潔度、減少循環(huán)控制語(yǔ)句的執(zhí)行頻率以提高性能。

無(wú)依賴的循環(huán)展開：

process(array[0]);
process(array[1]);
process(array[2]);
process(array[3]);

優(yōu)于：

for?(int?i?=?0;?i?

	有依賴的循環(huán)展開：
long?calc_sum(int?*a,?int?*b)
{
?long?sum0?=?0;
?long?sum1?=?0;
?long?sum2?=?0;
?long?sum3?=?0;
?
?for?(int?i?=?0;?i?

	優(yōu)于：
long?calc_sum(int?*a,?int?*b)
{
?long?sum?=?0;
?
?for?(int?i?=?0;?i?

	盡可能把長(zhǎng)的有依賴的代碼鏈分解成幾個(gè)可以在流水線執(zhí)行單元中并行執(zhí)行的沒有依賴的代碼鏈，提高流水線的連續(xù)性。通常4次展開為最佳方式。

	使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)

	使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)替換重復(fù)的短代碼，一方面，可以避免函數(shù)的回調(diào)，加速了程序的執(zhí)行，利用指令緩存，增強(qiáng)局部訪問性；另一方面，可以方便代碼管理。

	如：翻轉(zhuǎn)led的操作。
static?inline?void?toggle_led(uint8_t?pin)
{
????PORT?^=?1?<

	使用合適的數(shù)據(jù)類型

	首先使用合適的數(shù)據(jù)類型。

	比如幾種數(shù)據(jù)類型都滿足需求的情況下，更小的可能并不是最合適的。

	比如：素組索引的變量類型。

	數(shù)組索引應(yīng)盡量采用int類型。
int?i;
for?(i?=?0;?i?

	優(yōu)于：
char?i;
for?(i?=?0;?i?

	定義為char類型，一般會(huì)有溢出的風(fēng)險(xiǎn)，因此編譯器需要使用多余的指令判斷是否溢出；而使用int類型，一般編譯器默認(rèn)不會(huì)超過這么大的循環(huán)次數(shù)，從而減少了不必要的指令。

	其它情況下，在滿足數(shù)據(jù)范圍的情況下，能夠使用字符型(char)定義的變量，就不要使用整型(int)變量來定義；能夠使用整型變量定義的變量就不要用長(zhǎng)整型(long int)，能不使用浮點(diǎn)型(float)變量就不要使用浮點(diǎn)型變量。

	多重循環(huán)優(yōu)化

	長(zhǎng)循環(huán)在最內(nèi)層：
for?(col?=?0;?col?

	優(yōu)于長(zhǎng)循環(huán)在最外層：
for?(row?=?0;?row?

	在多重循環(huán)中，應(yīng)當(dāng)將最長(zhǎng)的循環(huán)放在最內(nèi)層， 最短的循環(huán)放在最外層，以減少 CPU 跨切循環(huán)層的次數(shù)。

	盡早退出循環(huán)

	通常，循環(huán)并不需要全部都執(zhí)行。

	例如，如果我們?cè)趶臄?shù)組中查找一個(gè)特殊的值，一經(jīng)找到，我們應(yīng)該盡可能早的斷開循環(huán)。例如：如下循環(huán)從10000個(gè)整數(shù)中查找是否存在-99。
char?found?=?FALSE;
for(i?=?0;?i?

	這段代碼無(wú)論我們是否查找得到，循環(huán)都會(huì)全部執(zhí)行完。更好的方法是一旦找到我們查找的數(shù)字就終止繼續(xù)查詢。把程序修改為：
found?=?FALSE;
for?(i?=?0;?i?

	假如待查數(shù)據(jù)位于第23個(gè)位置上，程序便會(huì)執(zhí)行23次，從而節(jié)省9977次循環(huán)。

	結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊

	必要時(shí)，手動(dòng)對(duì)齊結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存排列。

	比如：
typedef?struct?test_struct
{
?char?a;??
?short?b;?????
?char?c;?????
?int?d;
?char?e;
}test_struct;


	該結(jié)構(gòu)體在32bit環(huán)境中，該結(jié)構(gòu)體所占的字節(jié)數(shù)為16。

	可以手動(dòng)調(diào)整各成員的位置來進(jìn)行空白字節(jié)填充以達(dá)到對(duì)齊的效果。如：
typedef?struct?test_struct
{
?char?a;??
?char?c;?
?short?b;?????????
?int?d;
?char?e;
}test_struct;


	則結(jié)構(gòu)體變量test_s所占的字節(jié)數(shù)變?yōu)?2字節(jié)，比原來的16字節(jié)省下了4個(gè)字節(jié)。

	優(yōu)化中斷處理

	確保中斷處理快速且盡可能短。
//?中斷例程應(yīng)該盡量簡(jiǎn)短
void?ISR()?
{
????flag?=?true;
}


	利用硬件特性

	使用硬件模塊或特有指令來減輕CPU負(fù)擔(dān)。
//?比如，直接使用DMA傳輸而不經(jīng)由CPU
DMA_Config(&src,?&dest,?length);
DMA_Start();

	以上就是本次的分享。一些優(yōu)化可能會(huì)增加代碼的復(fù)雜性或降低可讀性或其它方面的影響，因此在決定應(yīng)用優(yōu)化時(shí)，需權(quán)衡不同方面的影響。

	審核編輯：黃飛

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