引言
ARM處理器以其高性能、低功耗、低成本等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于各種成功的32位嵌入式系統(tǒng)中。提高執(zhí)行速度和減小代碼尺寸是嵌入式軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵需求。盡管大多數(shù)的ARM編譯器和調(diào)試器都帶有性能優(yōu)化工具，但是為了保證其正確性，編譯器必須是穩(wěn)妥和安全的，而且它還受到處理器自身結(jié)構(gòu)的限制。因此，編程人員必須在理解編譯器工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)代碼優(yōu)化。代碼的優(yōu)化方法較多，本文針對函數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行闡述。
1 函數(shù)局部變量的數(shù)據(jù)類型
局部變量包括函數(shù)內(nèi)局部變量、函數(shù)參數(shù)、函數(shù)返回值。由于ARM數(shù)據(jù)操作都是32位，即使數(shù)據(jù)本身只需要8位或16位，對于這三類局部變量也應(yīng)盡可能使用32位的數(shù)據(jù)類型int或lONg，以提高代碼執(zhí)行效率。下面以簡單求和函數(shù)為例進(jìn)行分析。
函數(shù)add1計(jì)算包含10個(gè)字的數(shù)組array的累加和，add2與add1功能相同，只是將函數(shù)add1的參數(shù)array類型改為16位的short，函數(shù)內(nèi)局部變量i類型改為8位的char，sum改為16位的short。add1、add2的C源代碼如下：
int add1(int *array){
unsigned int i;
int sum=0;
for(i=0;i<10;i++)
sum=sum+array[i];
return sum;
}
short add2(short *array){
char i;
short sum=0;
for(i=0;i<10;i++)
sum= sum+array[i];
return sum;
}
add1經(jīng)編譯產(chǎn)生的匯編代碼：
add1
mov r2,r0
mov r0,#0
mov r1,#0
add1_loop
ldr r3,[r2,r1,lsl #2]
add r1,r1,#1
cmp r1,#0x0a
add r0,r3,r0
bcc add1_loop
mov pc,r14
add2經(jīng)編譯產(chǎn)生的匯編代碼：
add2
mov r2,r0
mov r0,#0
mov r1,#0
add2_loop
add r3,[r2,r1,lsl #1];增加語句①
ldrh r3,[r3,#0]
add r1,r1,#1
and r1,r1,0xff;增加語句②
cmp r1,#0x0a
add r0,r3,r0
bcc add2_loop
mov r0,r0,lsl #16;增加語句③
mov r0,r0,asr #16;增加語句④
mov pc,r14
比較add1和add2兩個(gè)函數(shù)的匯編代碼，可以發(fā)現(xiàn)add2_loop循環(huán)比add1_loop循環(huán)增加了4條語句。
語句①：函數(shù)add2中變量sum為16位short類型，ARM指令中l(wèi)drh指令不支持移位地址偏移，因此增加add指令計(jì)算數(shù)組下標(biāo)地址。
語句②：由于函數(shù)add2中循環(huán)變量i為8位的char類型，而ARM處理器的寄存器為32位，此語句用于處理循環(huán)變量累加過程中引起的溢出問題。即：當(dāng)i累加到255時(shí)，再加1應(yīng)該為0,而不是256。
語句③、④：函數(shù)add2中返回結(jié)果sum為short類型，在返回前需將32位寄存器的前16位用符號(hào)位填充，即轉(zhuǎn)換為16位short類型。
2 函數(shù)局部變量的個(gè)數(shù)
為了加快程序的執(zhí)行速度，函數(shù)編譯時(shí)應(yīng)盡可能將局部變量都分配在寄存器中。*部變量多于可用的寄存器時(shí)，編譯器會(huì)將多余的變量壓入堆棧(即存入存儲(chǔ)器中)，因此必須控制局部變量的個(gè)數(shù)。
ARM處理器采用RISC結(jié)構(gòu)，帶有豐富的內(nèi)部寄存器。在編譯器使用apcs開關(guān)選項(xiàng)，即支持ATPCS(ARMThumb Procedure Call STandard)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，理論上有14個(gè)寄存器(R0～R12，R14)可以用來存放局部變量。但是實(shí)際上有些寄存器有自身特殊的用途，例如R9在與讀寫位置無關(guān)（RWPI）的編譯情況下作為靜態(tài)基址寄存器使用，R12作為子程序內(nèi)部調(diào)用的臨時(shí)過渡寄存器使用。ATPCS規(guī)則中的寄存器名稱及說明如表1所列。
表1 ATPCS規(guī)則中寄存器說明
因此，應(yīng)盡量限制局部變量的數(shù)目：①對于函數(shù)的參數(shù)個(gè)數(shù)應(yīng)控制在4個(gè)以內(nèi)，只有R0～R3可用來保存參數(shù)，當(dāng)參數(shù)多于4個(gè)時(shí)將被壓入堆棧。如果由于實(shí)際應(yīng)用的需要，參數(shù)多于4個(gè)，也可以采用結(jié)構(gòu)體來組織參數(shù)，傳遞結(jié)構(gòu)體指針來實(shí)現(xiàn)。②函數(shù)內(nèi)部局部變量的個(gè)數(shù)應(yīng)控制在12個(gè)以內(nèi)（R0～R11），R12～R15都有特定用途。
3 函數(shù)內(nèi)代碼的編寫
3.1 循環(huán)代碼的編寫
循環(huán)的控制條件設(shè)為遞減到零的形式，可以減少指令條數(shù)。以求10個(gè)數(shù)的累加和為例進(jìn)行分析。
代碼1：
int sum=0;
for(int i=0;i<10;i++)
sum=sum+i;
代碼2：
int sum=0;
for(int i=10;i!=0;i--)
sum=sum+i;
匯編代碼1：
mov r0,#0
mov r1,#0
add1
add r1,r1,#1
cmp r1,#0x0a
add r0,r1,r0
bcc add1
匯編代碼2：
mov r0,#0
mov r1,#0x0a
add2
subs r1,r1,#1
add r0,r1,r0
bne add2
比較代碼1和代碼2，兩者的功能是相同的，但是代碼2在循環(huán)中少了1條指令。該循環(huán)的執(zhí)行次數(shù)為10次，即在執(zhí)行時(shí)共減少了10條指令。
3.2 內(nèi)聯(lián)函數(shù)的使用
當(dāng)函數(shù)體代碼較少（通常只有一兩條語句），且又被經(jīng)常調(diào)用時(shí)，可將它設(shè)為內(nèi)聯(lián)函數(shù)（inline）。對內(nèi)聯(lián)函數(shù)的調(diào)用類似于宏定義的展開，因此沒有函數(shù)調(diào)用的開銷（即參數(shù)的傳遞和函數(shù)值的返回），只是增加了被調(diào)用函數(shù)的代碼量。
例如在嵌入式系統(tǒng)中，經(jīng)常訪問的外設(shè)端口的讀寫代碼就可以設(shè)成內(nèi)聯(lián)函數(shù)，以提高執(zhí)行效率。外設(shè)寄存器的讀寫函數(shù)如下：
inline unsigned short reg_read(unsigned short reg){
return (unsigned short)*(volatile unsigned short *)( reg);//外設(shè)寄存器的讀函數(shù)
}
inline void reg_write(unsigned short reg, unsigned short val){
*(volatile unsigned short *)(reg)=val;//外設(shè)寄存器的寫函數(shù)
}
這兩個(gè)函數(shù)的共同特點(diǎn)是：函數(shù)體的代碼很少，只有1個(gè)語句；使用的局部變量很少，只有1～2個(gè)參數(shù)。由于定義為內(nèi)聯(lián)函數(shù)，程序的可讀性較好；在執(zhí)行時(shí)由于沒有調(diào)用開銷，執(zhí)行效率較高；函數(shù)體很小，在被展開時(shí)空間開銷不大。
結(jié)語
由于嵌入式系統(tǒng)對存儲(chǔ)空間的限制和實(shí)時(shí)性的需求，在編寫代碼時(shí)必須采用相應(yīng)的方法和原則以減少代碼的空間開銷和時(shí)間開銷。代碼優(yōu)化需要花費(fèi)時(shí)間，并且代碼優(yōu)化后將降低源代碼的可讀性。因此，只有對經(jīng)常被調(diào)用且對性能影響較大的函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，才能最有效地優(yōu)化系統(tǒng)。