有這10個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，在ARM下高效C編程沒問題！

技術(shù)小白

通過一定的方法來編寫C程序，可以幫助C編譯器生成執(zhí)行速度更快的ARM代碼。下面就是一些與性能相關(guān)的關(guān)鍵點(diǎn)：

1.對局部變量、函數(shù)參數(shù)和返回值要使用signed和unsigned int類型。這樣可以避免類型轉(zhuǎn)換，而且可高效地使用ARM的32位數(shù)據(jù)操作指令。

2.最高效的循環(huán)體形式是減計(jì)數(shù)到零（counts down to zero）的do-while循環(huán)。

3.展開重要的循環(huán)來減少循環(huán)的開銷。

4.不要依賴編譯器來優(yōu)化掉重復(fù)的存儲(chǔ)器訪問。指針別名會(huì)阻止編譯器的這種優(yōu)化。

5.盡可能把函數(shù)參數(shù)的個(gè)數(shù)限制在4個(gè)以內(nèi)。如果函數(shù)參數(shù)都存放在寄存器內(nèi)，那么函數(shù)調(diào)用就會(huì)快得多。

6.按元素尺寸從小到大排列的方法來安排結(jié)構(gòu)體，特別是在thumb模式下編譯。

7.不要使用位域，可以用掩碼和邏輯操作來替代。

8.避免除法，可以用倒數(shù)的乘法來替代。

9.避免邊界不對齊的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)有可能邊界不對齊，那么就要使用char *指針類型來訪問。

10.在C編譯器中使用內(nèi)嵌匯編可以利用到C編譯器本來不支持的指令或優(yōu)化。

一、 數(shù)據(jù)類型使用上的優(yōu)化

1.局部變量
一個(gè)char類型的數(shù)據(jù)比int類型的數(shù)據(jù)占用更小的寄存器空間或者更小的ARM堆棧空間。這兩種設(shè)想對于ARM來說，都是錯(cuò)誤的。所有的ARM寄存器都是32位的，所有的堆棧入口至少是32位的。當(dāng)我們執(zhí)行i++，要利用當(dāng)i=255后，i++=0這個(gè)條件時(shí)，可以把它定義為char類型。

2.函數(shù)參數(shù)
盡管寬和窄的函數(shù)調(diào)用規(guī)則各有其優(yōu)點(diǎn)，但char或short類型的函數(shù)參數(shù)和返回值都會(huì)產(chǎn)生額外的開銷，導(dǎo)致性能的下降，并增加了代碼尺寸。所以，即使是傳輸一個(gè)8位的數(shù)據(jù)，函數(shù)參數(shù)和返回值使用int類型也會(huì)更有效。     

總結(jié):

1）對于存放在寄存器中的局部變量，除了8位或16位的算術(shù)模運(yùn)算外，盡量不要使用char和short類型，而要使用有符號(hào)或無符號(hào)int類型。除法運(yùn)算時(shí)使用無符號(hào)數(shù)執(zhí)行速度更快。

2）對于存放在主存儲(chǔ)器中的數(shù)組和全局變量，在滿足數(shù)據(jù)大小的前提下，應(yīng)盡可能使用小尺寸的數(shù)據(jù)類型，這樣可以節(jié)省存儲(chǔ)空間。ARMv4體系結(jié)構(gòu)可以有效地裝載和存儲(chǔ)所有寬度的數(shù)據(jù)，并可以使用遞增數(shù)組指針來有效地訪問數(shù)組。對于short類型數(shù)組，要避免使用數(shù)組基地址的偏移量，因?yàn)長DRH指令不支持偏移尋址。

3）通過讀取數(shù)組或全局變量并賦給不同類型的局部變量時(shí)，或者把局部變量寫入不同類型的數(shù)組或者全局變量時(shí)，要進(jìn)行顯式數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換使編譯器可以明確、快速地處理，把存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)寬度比較窄的數(shù)據(jù)類型擴(kuò)展，并賦給寄存器中較寬的類型。

4）由于隱式或者顯式的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換通常會(huì)有額外的指令周期開銷，所以在表達(dá)式中應(yīng)盡量避免使用。Load和store指令一般不會(huì)產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)換開銷，因?yàn)閘oad和store指令是自動(dòng)完成數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的。

5）對于函數(shù)參數(shù)和返回值應(yīng)盡量避免使用char和short類型。即使參數(shù)范圍比較小，也應(yīng)該使用int類型，以防止編譯器做不必要的類型轉(zhuǎn)換。

二、C循環(huán)結(jié)構(gòu)

在ARM上，一個(gè)循環(huán)其實(shí)只要2條指令就足夠了：

一條減法指令，進(jìn)行循環(huán)減法計(jì)數(shù)，同時(shí)設(shè)置結(jié)果的條件標(biāo)志；
一條條件分支指令。

這里的關(guān)鍵是，循環(huán)的終止條件應(yīng)為減計(jì)數(shù)到零，而不是計(jì)數(shù)增加到某個(gè)特定的限制值。由于減計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)已存儲(chǔ)在條件標(biāo)志里，與零比較的指令就可以省略了。由于不用i作為數(shù)組的下標(biāo)索引，采用減計(jì)數(shù)就沒有任何問題了。

總而言之，無論對于有符號(hào)的循環(huán)計(jì)數(shù)值，都應(yīng)使用i！=0作為循環(huán)的結(jié)束條件。對有符號(hào)數(shù)i，這比使用條件i>0少了一條指令。

總結(jié)：
1） 使用減計(jì)數(shù)到零的循環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣編譯器就不需要分配一個(gè)寄存器來保存循環(huán)終止值，而且與0比較的指令也可以省略。

2） 使用無符號(hào)的循環(huán)計(jì)數(shù)值，循環(huán)繼續(xù)的條件為i!=0而不是i>0，這樣可以保證循環(huán)開銷只有兩條指令。

3） 如果事先知道循環(huán)體至少會(huì)執(zhí)行一次，那么使用do-while循環(huán)要比for循環(huán)要好，這樣可以使編譯器省去檢查循環(huán)計(jì)數(shù)值是否為零的步驟。

4） 展開重要的循環(huán)體可降低循環(huán)開銷，但不要過度展開，如果循環(huán)的開銷對整個(gè)程序來說占的比例很小，那么循環(huán)展開反而會(huì)增加代碼量并降低cache的性能。

5） 盡量使數(shù)組的大小是4或8的倍數(shù)，這樣可以容易的以2，4，8次等多種選擇展開循環(huán)，而不需要擔(dān)心剩余數(shù)組元素的問題。

三、寄存器分配

高效的寄存器分配:應(yīng)該盡量限制函數(shù)內(nèi)部循環(huán)所用局部變量的數(shù)目，最多不超過12個(gè)，這樣，編譯器就可以把這些變量都分配給ARM寄存器。

四、函數(shù)調(diào)用

4寄存器規(guī)則:帶有4個(gè)或者更少參數(shù)的函數(shù)，要比多于4個(gè)參數(shù)的函數(shù)執(zhí)行效率高得多。對帶有少于4個(gè)參數(shù)的函數(shù)來說，編譯器可以用寄存器傳遞所有的參數(shù)；而對于多于4個(gè)參數(shù)的函數(shù)，函數(shù)調(diào)用者和被調(diào)用者必須通過訪問堆棧來傳遞一些參數(shù)。

如果函數(shù)體積很小，只用到很少的寄存器，那么還有一些其他的方法來減少函數(shù)調(diào)用的開銷。可以把調(diào)用函數(shù)和被調(diào)用函數(shù)放在同一個(gè)C文件中，這樣編譯器就知道了被調(diào)用函數(shù)生成的代碼，并以此對調(diào)用函數(shù)進(jìn)行一些優(yōu)化。

總結(jié)：
1） 盡量限制函數(shù)的參數(shù)，不要超過4個(gè)，這樣函數(shù)調(diào)用的效率會(huì)更高。也可以將幾個(gè)相關(guān)的參數(shù)組織在一個(gè)結(jié)構(gòu)體中，用傳遞結(jié)構(gòu)體指針來代替多個(gè)參數(shù)。
2） 把比較小的被調(diào)用函數(shù)和調(diào)用函數(shù)放在同一個(gè)源文件中，并且要先定義，后調(diào)用，編譯器就可以優(yōu)化函數(shù)調(diào)用或者內(nèi)聯(lián)較小的函數(shù)。
3） 對性能影響較大的重要函數(shù)可使用關(guān)鍵字_inline進(jìn)行內(nèi)聯(lián)。

五、指針別名

定義：當(dāng)2個(gè)指針指向同一個(gè)地址對象時(shí)，這2個(gè)指針被稱作該對象的別名（alias）。如果對其中一個(gè)指針進(jìn)行寫入，就會(huì)影響從另一個(gè)指針的讀出。在一個(gè)函數(shù)中，編譯器通常不知道哪一個(gè)指針是別名，哪一個(gè)不是；或哪一個(gè)指針有別名，哪一個(gè)沒有。

避免指針別名：
1） 不要依賴編譯器來消除包含存儲(chǔ)器訪問的公共子表達(dá)式，而應(yīng)建立一個(gè)新的局部變量來保存這個(gè)表達(dá)式的值，這樣可以保證只對這個(gè)表達(dá)式求一次值；
2） 避免使用局部變量的地址，否則對這個(gè)變量的訪問效率會(huì)比較低。

六、結(jié)構(gòu)體安排

在ARM上使用結(jié)構(gòu)體有2個(gè)問題需要考慮：結(jié)構(gòu)體地址邊界對齊和結(jié)構(gòu)體總的大小。

獲得高效結(jié)構(gòu)體的原則：
1） 把所有8位大小的元素安排在結(jié)構(gòu)體的前面；
2） 以此安排16位、32位和64位的元素；
3） 把所有數(shù)組和比較大的元素安排在結(jié)構(gòu)體最后；
4） 對于一條指令，如果結(jié)構(gòu)體太大而不能訪問所有的元素，那么把元素組織到一個(gè)子結(jié)構(gòu)體中。編譯器可以維持單獨(dú)的子結(jié)構(gòu)體的指針。

總結(jié)：
結(jié)構(gòu)體元素要按照元素的大小來排列，以最小的元素放在開始，最大的元素安排在最后；避免使用很大的結(jié)構(gòu)體，可以用層次化的小結(jié)構(gòu)體來代替；為了提高可移植性，人工對API的結(jié)構(gòu)體增加填充位，這樣，結(jié)構(gòu)體的安排將不會(huì)依賴與編譯器；在API的結(jié)構(gòu)體中要謹(jǐn)慎使用枚舉類型。一個(gè)枚舉類型的大小是編譯器相關(guān)的。

七、位域

注意事項(xiàng)：
1） 應(yīng)避免使用位域，而使用#define或者enum來定義屏蔽位；
2） 使用整型邏輯運(yùn)算AND、OR、“異或”操作和屏蔽對位域進(jìn)行測試、取反和設(shè)置操作。這些操作編譯效率高，還可以同時(shí)對多個(gè)位域進(jìn)行測試、取反和設(shè)置。

八、邊界不對齊數(shù)據(jù)和字節(jié)排列方式（大/小端）

邊界不對齊數(shù)據(jù)和字節(jié)排列方式這2個(gè)問題，可使內(nèi)存訪問和移植問題復(fù)雜化。須考慮數(shù)組指針是否邊界對齊，ARM配置是大端（big-endian），還是小端（little-endian）的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。

總結(jié)：
1） 盡量避免使用邊界不對齊的數(shù)據(jù)；
2） 使用類型char *可指向任意字節(jié)邊界的數(shù)據(jù)。通過讀字節(jié)來訪問數(shù)據(jù)，使用邏輯操作來組合數(shù)據(jù)，這樣代碼就不會(huì)依賴于邊界是否對齊或者ARM的字節(jié)排列方式的配置；
3） 為了快速訪問邊界不對齊的結(jié)構(gòu)體，可以根據(jù)指針邊界和處理器的字節(jié)排序方式寫出不同的程序變體。

九、除法

ARM硬件上不支持除法指令，當(dāng)代碼中出現(xiàn)除法運(yùn)算時(shí)，ARM編譯器會(huì)調(diào)用C庫函數(shù)（有符號(hào)的除法調(diào)用_rt_sdiv，無符號(hào)的調(diào)用_rt_udiv），來實(shí)現(xiàn)除法操作。有許多不同類型的除法程序來適應(yīng)不同的除數(shù)和被除數(shù)。

總結(jié)：
1） 盡可能避免使用除法。對環(huán)形緩沖區(qū)的處理可以不用除法。

2） 如果不能避免除法運(yùn)算，那么盡可能考慮使用除法程序同時(shí)產(chǎn)生商n/d和余數(shù)n%d的好處。

3） 對于重復(fù)對同一除數(shù)d的除法，預(yù)先計(jì)算好s=(2k-1)/d。可用乘以s的2k位乘法來代替除以d的k位無符號(hào)整數(shù)除法。

4）使用2的整數(shù)次冪作除數(shù)。當(dāng)2的整數(shù)次冪做除數(shù)時(shí)，編譯器會(huì)自動(dòng)將除法運(yùn)算轉(zhuǎn)換成移位運(yùn)算。所以在編寫程序算法時(shí)，盡量使用2的整數(shù)次冪做除數(shù)。

5）求余運(yùn)算。可以將一些典型的求余運(yùn)算進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以避免在程序中使用除法運(yùn)算。

如：
uint counter1(uint count)
{
        return (++count%60);
}
轉(zhuǎn)換成：
uint counter2(uint count)
{
        if (++count >=60)
        count=0;
        return (count);
}

大多數(shù)ARM處理器硬件上并不支持浮點(diǎn)運(yùn)算。這樣在一個(gè)對價(jià)格敏感的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，可節(jié)省空間和降低功耗。除了硬件向量浮點(diǎn)累加器VFP和ARM7500FE上的浮點(diǎn)累加器FPA外，C編譯器必須在軟件上提供浮點(diǎn)支持。

十、內(nèi)聯(lián)函數(shù)和內(nèi)嵌匯編

高效地調(diào)用函數(shù)，使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)可以完全去除函數(shù)調(diào)用的開銷，另外許多編譯器允許在C源程序中使用內(nèi)嵌匯編。使用包含匯編的內(nèi)嵌函數(shù)，可以使編譯器支持通常不能有效使用的ARM指令和優(yōu)化方法。

內(nèi)聯(lián)函數(shù)和內(nèi)嵌匯編最大的好處是，可以實(shí)現(xiàn)一些在C語言部分中通常難以完成的操作。使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)要比使用#define宏定義更好，因?yàn)楹笳卟粰z查函數(shù)參數(shù)和返回值的類型。

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