ARM下高效C编程

 

通过一定的风格来编写 C 程序，可以帮助 C 编译器生成执行速度更快的 ARM 代码。下面就是一些与性能相关的关键点：

       1 、对局部变量、函数参数和返回值要使用 signed 和 unsigned int 类型。这样可以避免类型转换，而且可高效地使用 ARM 的 32 位数据操作指令。

       2 、最高效的循环体形式是减计数到零（ counts down to zero ）的 do-while 循环。

       3 、展开重要的循环来减少循环的开销。

       4 、不要依赖编译器来优化掉重复的存储器访问。指针别名会阻止编译器的这种优化。

       5 、尽可能把函数参数的个数限制在 4 个以内。如果函数参数都存放在寄存器内，那么函数调用就会快得多。

       6 、按元素尺寸从小到大排列的方法来安排结构体，特别是在 thumb 模式下编译。

       7 、不要使用位域，可以用掩码和逻辑操作来替代。

       8 、避免除法，可以用倒数的乘法来替代。

       9 、避免边界不对齐的数据。如果数据有可能边界不对齐，那么就要使用 char * 指针类型来访问。

       10 、在 C 编译器中使用内嵌汇编可以利用到 C 编译器本来不支持的指令或优化。

      

一、        数据类型使用上的优化

1 、局部变量

一个 char 类型的数据比 int 类型的数据占用更小的寄存器空间或者更小的 ARM 堆栈空间。这两种设想对于 ARM 来说，都是错误的。所有的 ARM 寄存器都是 32 位的，所有的堆栈入口至少是 32 位的。当我们执行 i++ ，要利用当 i=255 后， i++=0 这个条件时，可以把它定义为 char 类型。

       2 、函数参数

              尽管宽和窄的函数调用规则各有其优点，但 char 或 short 类型的函数参数和返回值都会产生额外的开销，导致性能的下降，并增加了代码尺寸。所以，即使是传输一个 8 位的数据，函数参数和返回值使用 int 类型也会更有效。      

       3 、总结

              1 ）对于存放在寄存器中的局部变量，除了 8 位或 16 位的算术模运算外，尽量不要使用 char 和 short 类型，而要使用有符号或无符号 int 类型。除法运算时使用无符号数执行速度更快。

              2 ）对于存放在主存储器中的数组和全局变量，在满足数据大小的前提下，应尽可能使用小尺寸的数据类型，这样可以节省存储空间。 ARMv4 体系结构可以有效地装载和存储所有宽度的数据，并可以使用递增数组指针来有效地访问数组。对于 short 类型数组，要避免使用数组基地址的偏移量，因为 LDRH 指令不支持偏移寻址。

              3 ）通过读取数组或全局变量并赋给不同类型的局部变量时，或者把局部变量写入不同类型的数组或者全局变量时，要进行显式数据类型转换。这种转换使编译器可以明确、快速地处理，把存储器中数据宽度比较窄的数据类型扩展，并赋给寄存器中较宽的类型。

              4 ）由于隐式或者显式的数据类型转换通常会有额外的指令周期开销，所以在表达式中应尽量避免使用。 Load 和 store 指令一般不会产生额外的转换开销，因为 load 和 store 指令是自动完成数据类型转换的。

              5 ）对于函数参数和返回值应尽量避免使用 char 和 short 类型。即使参数范围比较小，也应该使用 int 类型，以防止编译器做不必要的类型转换。

二、 C 循环结构

在 ARM 上，一个循环其实只要 2 条指令就足够了：

一条减法指令，进行循环减法计数，同时设置结果的条件标志；

一条条件分支指令。

这里的关键是，循环的终止条件应为减计数到零，而不是计数增加到某个特定的限制值。由于减计数结构已存储在条件标志里，与零比较的指令就可以省略了。由于不用 i 作为数组的下标索引，采用减计数就没有任何问题了。

总而言之，无论对于有符号的循环计数值，都应使用 i ！ =0 作为循环的结束条件。 对有符号数 i ，这比使用条件 i>0 少了一条指令。

总结：

1 ）  使用减计数到零的循环结构，这样编译器就不需要分配一个寄存器来保存循环终止值，而且与 0 比较的指令也可以省略。

2 ）  使用无符号的循环计数值，循环继续的条件为 i!=0 而不是 i>0 ，这样可以保证循环开销只有两条指令。

3 ）  如果事先知道循环体至少会执行一次，那么使用 do-while 循环要比 for 循环要好，这样可以使编译器省去检查循环计数值是否为零的步骤。

4 ）  展开重要的循环体可降低循环开销，但不要过度展开，如果循环的开销对整个程序来说占的比例很小，那么循环展开反而会增加代码量并降低 cache 的性能。

5 ）  尽量使数组的大小是 4 或 8 的倍数，这样可以容易的以 2 ， 4 ， 8 次等多种选择展开循环，而不需要担心剩余数组元素的问题。

三、          寄存器分配

高效的寄存器分配

应该尽量限制函数内部循环所用局部变量的数目，最多不超过 12 个，这样，编译器就可以把这些变量都分配给 ARM 寄存器。

四、          函数调用

4 寄存器规则

带有 4 个或者更少参数的函数，要比多于 4 个参数的函数执行效率高得多。对带有少于 4 个参数的函数来说，编译器可以用寄存器传递所有的参数；而对于多于 4 个参数的函数，函数调用者和被调用者必须通过访问堆栈来传递一些参数。

如果函数体积很小，只用到很少的寄存器，那么还有一些其他的方法来减少函数调用的开销。可以把调用函数和被调用函数放在同一个 C 文件中，这样编译器就知道了被调用函数生成的代码，并以此对调用函数进行一些优化。

总结：

1 ）  尽量限制函数的参数，不要超过 4 个，这样函数调用的效率会更高。也可以将几个相关的参数组织在一个结构体中，用传递结构体指针来代替多个参数。

2 ）  把比较小的被调用函数和调用函数放在同一个源文件中，并且要先定义，后调用，编译器就可以优化函数调用或者内联较小的函数。

3 ）  对性能影响较大的重要函数可使用关键字 _inline 进行内联。

五、          指针别名

定义：当 2 个指针指向同一个地址对象时，这 2 个指针被称作该对象的别名（ alias ）。如果对其中一个指针进行写入，就会影响从另一个指针的读出。在一个函数中，编译器通常不知道哪一个指针是别名，哪一个不是；或哪一个指针有别名，哪一个没有。

避免指针别名：

1 ）  不要依赖编译器来消除包含存储器访问的公共子表达式，而应建立一个新的局部变量来保存这个表达式的值，这样可以保证只对这个表达式求一次值；

2 ）  避免使用局部变量的地址，否则对这个变量的访问效率会比较低。

六、        结构体安排

在 ARM 上使用结构体有 2 个问题需要考虑：结构体地址边界对齐和结构体总的大小。

获得高效结构体的原则：

1 ）  把所有 8 位大小的元素安排在结构体的前面；

2 ）  以此安排 16 位、 32 位和 64 位的元素；

3 ）  把所有数组和比较大的元素安排在结构体最后。

4 ）  对于一条指令，如果结构体太大而不能访问所有的元素，那么把元素组织到一个子结构体中。编译器可以维持单独的子结构体的指针。

小结：

结构体元素要按照元素的大小来排列，以最小的元素放在开始，最大的元素安排在最后；避免使用很大的结构体，可以用层次化的小结构体来代替；为了提高可移植性，人工对 API 的结构体增加填充位，这样，结构体的安排将不会依赖与编译器；在 API 的结构体中要谨慎使用枚举类型。一个枚举类型的大小是编译器相关的。

七、        位域

注意事项：

1 ）  应避免使用位域，而使用 #define 或者 enum 来定义屏蔽位；

2 ）  使用整型逻辑运算 AND 、 OR 、 “ 异或 ” 操作和屏蔽对位域进行测试、取反和设置操作。这些操作编译效率高，还可以同时对多个位域进行测试、取反和设置。

八、            边界不对齐数据和字节排列方式（大 / 小端）

边界不对齐数据和字节排列方式这 2 个问题，可使内存访问和移植问题复杂化。须考虑数组指针是否边界对齐， ARM 配置是大端（ big-endian ），还是小端（ little-endian ）的存储器系统。

总结：

1 ）  尽量避免使用边界不对齐的数据；

2 ）  使用类型 char * 可指向任意字节边界的数据。 通过读字节来访问数据，使用逻辑操作来组合数据，这样代码就不会依赖于边界是否对齐或者 ARM 的字节排列方式的配置；

3 ）  为了快速访问边界不对齐的结构体，可以根据指针边界和处理器的字节排序方式写出不同的程序变体。

九、 除法

ARM 硬件上不支持除法指令，当代码中出现除法运算时， ARM 编译器会调用 C 库函数（有符号的除法调用 _rt_sdiv ，无符号的调用 _rt_udiv ），来实现除法操作。有许多不同类型的除法程序来适应不同的除数和被除数。

总结：

1 ）  尽可能避免使用除法。对环形缓冲区的处理可以不用除法。

2 ）  如果不能避免除法运算，那么尽可能考虑使用除法程序同时产生商 n/d 和余数 n%d 的好处。

3 ）  对于重复对同一除数 d 的除法，预先计算好 s=(2k-1)/d 。可用乘以 s 的 2k 位乘法来代替除以 d 的 k 位无符号整数除法。

4 ）使用 2 的整数次幂作除数。当 2 的整数次幂做除数时，编译器会自动将除法运算转换成移位运算。所以在编写程序算法时，尽量使用 2 的整数次幂做除数。

5 ）求余运算。可以将一些典型的求余运算进行转换，以避免在程序中使用除法运算。如：

uint counter1(uint count)

{

        return (++count%60);

}

转换成：

uint counter2(uint count)

{

        if (++count >=60)

        count=0;

        return (count);

}

十、        浮点运算

大多数 ARM 处理器硬件上并不支持浮点运算。这样在一个对价格敏感的嵌入式应用系统中，可节省空间和降低功耗。除了硬件向量浮点累加器 VFP 和 ARM7500FE 上的浮点累加器 FPA 外， C 编译器必须在软件上提供浮点支持。

十一、内联函数和内嵌汇编

高效地调用函数，使用内联函数可以完全去除函数调用的开销，另外许多编译器允许在 C 源程序中使用内嵌汇编。使用包含汇编的内嵌函数，可以使编译器支持通常不能有效使用的 ARM 指令和优化方法。

       内联函数和内嵌汇编最大的好处是，可以实现一些在 C 语言部分中通常难以完成的操作。使用内联函数要比使用 #define 宏定义更好，因为后者不检查函数参数和返回值的类型。