【第28期】查表法（Look-Up Table, LUT）与空间换时间

原创已于 2025-12-28 12:17:37 修改 · 431 阅读

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#stm32 #物联网 #c语言 #单片机

于 2025-12-28 12:15:28 首次发布

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在嵌入式领域，我们经常面临一个资源不对等的矛盾：Flash 空间很大（通常几百 KB），但 CPU 算力很弱（几十 MHz）。

如果你在单片机里写了 y = sin(x) 或者 temp = log(r), 编译器会生成几百行汇编代码来做泰勒级数展开。你的主循环周期瞬间就会被拉长。

查表法 (Look-Up Table, LUT) 就是解决这个问题的终极武器。

核心思想：“与其现场算，不如提前抄答案。” 利用廉价的存储空间（Flash）来存储预先计算好的结果，换取 CPU 的极速响应。

1. 场景一：三角函数与波形生成

假设你要做一个 SPWM 逆变器或者步进电机 S 型加减速，需要频繁计算 sin(x)。

笨办法：实时计算

#include <math.h> // 引入了庞大的数学库
float val = sin(angle * 3.14 / 180.0); // 浮点运算，耗时几十微秒，且需要 FPU 支持

查表法： 我们把 0~90 度的正弦值放大 1024 倍（定点化，避免浮点运算），提前算好存入数组。

// 放在 Flash (.rodata) 中，不占 RAM
const int16_t SinTable[91] = {
0, 17, 35, 53, ... 1024 // 对应 sin(0) ~ sin(90) * 1024
};

int16_t Fast_Sin(uint8_t angle) {
// 利用对称性，只需存 0-90 度，涵盖 0-360 度
if (angle <= 90) return SinTable[angle];
if (angle <= 180) return SinTable[180 - angle];
if (angle <= 270) return -SinTable[angle - 180];
return -SinTable[360 - angle];
}

收益：运算时间从 ~50us 降到 ~0.1us (几次内存读取)。

2. 场景二：NTC 热敏传感器 (非线性映射)

NTC 电阻随温度变化的曲线是非线性的，对应的 Steinhart-Hart 方程包含自然对数 ln，单片机算起来非常吃力。

查表策略： ADC 读到的电压值（0~4095）与温度是一一对应的。我们可以生成一张 “ADC值 -> 温度” 的映射表。

问题：如果做一个 int TempTable[4096] 的全表，太占空间了（4096 * 2 = 8KB）。如果 Flash 只有 32KB，这就很奢侈。

优化策略：分段查表 + 线性插值 (Linear Interpolation)

我们不需要存每一个 ADC 值，我们每隔 64 个点存一个温度数据。

// 假设 ADC 步长为 64
// Table[0] 对应 ADC=0 的温度
// Table[1] 对应 ADC=64 的温度...
const int16_t NTC_Table[] = { -40, -10, 25, 60, ... };

int16_t Get_Temp(uint16_t adc_val) {
uint8_t index = adc_val / 64; // 算出在哪两个点之间 (整数部分)
uint8_t remainder = adc_val % 64; // 算出偏移量 (小数部分)

int16_t y0 = NTC_Table[index]; // 左边的温度
int16_t y1 = NTC_Table[index + 1]; // 右边的温度

// 核心算法：线性插值 (y = y0 + slope * dx)
// 假设两点之间是直线，算出中间值
return y0 + (y1 - y0) * remainder / 64;
}

收益：

空间：表的大小缩小了 64 倍（仅需 100 多字节）。
精度：虽然略有误差，但对于测温来说通常足够（误差 < 0.5度）。
速度：依然只有简单的加减乘除，没有 log。

3. 场景三：状态压缩与位操作

查表法不仅能查数值，还能查“逻辑”。

案例：流水灯花样。你需要控制 8 个 LED 亮灭，有很多种花样模式。与其写一堆 if (mode == 1) LED = 0x55;，不如直接查表：

const uint8_t LED_Patterns[] = {
0x01, 0x02, 0x04, 0x08, // 流水左移
0x10, 0x20, 0x40, 0x80,
0x81, 0x42, 0x24, 0x18, // 两边向中间聚合
0xFF, 0x00, 0xFF, 0x00 // 闪烁
};

void LED_Task() {
static int i = 0;
PORTA = LED_Patterns[i]; // 直接输出，毫无逻辑负担
i = (i + 1) % sizeof(LED_Patterns);
}

这其实就是一种极简的微指令 (Microcode) 思想。

4. 查表法的工程原则

数据必须 const：一定要加 const 关键字，确保数组存放在 Flash (.rodata) 中。如果不加，启动代码会把它们搬运到 RAM (.data)，瞬间撑爆你本来就不富裕的 RAM。
越界保护：查表意味着用输入作为索引。如果输入是外部传来的（比如串口数据），必须先检查是否超过了数组下标，否则会读取到随机乱码甚至引发 HardFault。
生成工具：对于大的表格（如 CRC 表、正弦表），不要手写。用 Python 脚本或 Excel 生成 CSV，然后复制进 C 代码中。

本章关键知识点

本质：用预处理（编译时计算）代替运行时计算。
权衡：如果计算太复杂（三角、对数、除法），或者逻辑太繁琐（花样控制），请优先考虑查表。
插值：是平衡表格大小和精度的关键技巧。

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