原创 arm嵌入式系统开发高效程序的技巧

开发高效率的程序涉及很多方面，包括编程风格、算法实现、针对目标的特 殊优化等等。这部分主要从 ARM 的体系结构特点出发，介绍几个程序开发中的注意点。如何根据目标硬件的存储器配置，对运行程序的映像文件进行优化布局 的方法，在前面的专题中已经有过介绍。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

Tag：嵌入式系统 嵌入式程序开发 arm

1． 变量定义 变量定义虽然很简单，但是也有很多值得注意的地方。

第二个问题是局部变量的类型定义。一般情况下人们总是设法使用 short 或 char 来定义变量以节省存储器空间；但是，当一个函数的局部变量数目有限的情 况下，编译器会把局部变量分配给内部寄存器，每个变量占用一个寄存器。这样， 使用 short 和 char 型变量不但起不到节省空间的作用，还会带来其他的副作用，请看图 2。假定 a1 是任意可能的寄存器，存储函数的局部变量。同样完成加一 的操作，32 位的 int 型变量最快，只用一条加法指令。而 8 位和 16 位变量，完 成加法操作后，还需要在 32 位的寄存器中进行符号扩展，其中带符号的变量， 要用逻辑左移（LSL）接算术右移（ASR）两条指令才能完成符号扩展；无符号 的变量，要使用一条逻辑与（AND）指令对符号位进行清零。所以，使用 32 位 的 int 或 unsigned int 局部变量最有效率。某些情况下，函数从外部存储器读入局 部变量进行计算，这时候，往往值得先把不是 32 位的变量转换成 32 位（至于把8 位或 16 位变量扩展成 32 位后，隐藏了原来可能的溢出异常这个问题，需要进

一步的仔细考虑）。

变量定义中还有一个与习惯思维相悖的地方是冗于局部变量的使用。一般情况下程序员总是竭力避免使用冗余变量，以精简程序。通常情况下这是正确的， 但是也有例外，请看下面一个例子：

void test1(void)

{   errs += f();

errs += g();

}

void test2(void)

{   int localerrs = errs;           // 定义冗余的局部变量

localerrs += f();

localerrs += g();

errs = localerrs;

}

在第一种情况 test1（）里，每次访问全局变量 errs 时都要先从相应的存储器 load 到寄存器里，经 f（）或 g（）函数调用后再 store 回原来的存储器里面，在 这个例子里一共要进行两次这样的 load/store 操作。而在第二种情况 test2（）里， 局部变量 localerrs 被分配以寄存器，这样一来，整个函数就只需要一次 load/store 全局变量存储器了；能够节省存储器访问的次数对于系统性能的提高是非常有好处的。

这个例子说明了增加局部变量可以减少存储器的访问。

2． 参数传递

在 ARM 的工具链里，定义了统一的函数过程调用标准 ATPCS（ARM-Thumb Procedure Call Standard）。ATPCS 定义了寄存器组中的{R0 – R3}作为参数传递和 结果返回寄存器，如果参数数目超过四个，则使用堆栈进行传递。我们知道内部 寄存器的访问速度是远远大于存储器的，所以要尽量使参数传递在寄存器里面进行，即应尽量控制函数的参数在四个以下。这是理解 ATPCS 后应该实现的一种 编程风格。但是，利用 ATPCS 我们还可以得到更多，我们可以用它来实现 C 与 汇编之间直接的函数调用。见图 3 中的例子：

从 C 中直接调用汇编函数

extern void strcopy(char *d, const char *s);

int main(void)

{

const   char *src = “Source”;

char       dest[10];

...

strcopy(dest, src);

...

}

AREA StrCopy, CODE, READONLY EXPORT strcopy

strcopy

LDRB            R2, [R1], #1

STRB             R2, [R0], #1

CMP              R2, #0

BNE               strcopy

MOV             PC, LR

END

这个例子中的函数 strcopy（dest, src）用汇编来实现，根据 ATPCS 的定义， 函数参数从左到右由寄存器进行传递，所以在汇编中可以直接由 R0 和 R1 进行 引用。有了这条途径，在 C 和汇编之间进行相互调用就容易实现了。

3． 循环条件

记数循环是程序中十分常用的流程控制结构。在 C 中，类似下面的 for 循环 比比皆是：

for (loop = 1; loop <= limit; loop++)

这种累加计数的方法符合一般的自然思维习惯，所以比下面的递减计数方法使用 更多：

for (loop = limit; loop != 0; loop--)

这两者在逻辑上并没有效率差异，但是映射到具体的体系结构中，就产生了

因此，在 ARM 的体系结构下编程，最好采用递减至零的方法来设置循环条 件。

4． 条件执行

上面已经提及了 ARM 指令的条件执行，充分利用这个特性，可以有助于缩短代码长度，优化流程控制。

5． 混合编程

汇编和 C/C++语言的混合编程，在一个追求效率的程序中是比较常见的。前 面已经讲到过在汇编和 C/C++之间进行函数调用时，要遵循 ATPCS 的定义。这 里介绍在 C/C++里加入汇编程序的两种方法：内联汇编（Inline Assemble）和嵌 入式汇编（Embedded Assemble）。

内联汇编是指在 C/C++函数定义中插入汇编语句的方法，如下面的例子：

void enable_IRQ(void)

{

int tmp;

<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /><?xml:namespace prefix = w ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:word" />asm                                                          //  内联汇编定义

{

MRS tmp, CPSR                                     //  可以引用外部的 C 变量定义

BIC tmp, tmp, #0x80

MSR CPSR_c, tmp

}

}

内联汇编的用法跟真实汇编之间有很大的区别，并且不支持 Thumb，在内联

汇编之中不能直接访问物理寄存器（CPSR 除外），即使使用寄存器名进行编程， 也会被编译器进行重新分配。

与内联汇编不同，嵌入式汇编具有真实汇编的所有特性，同时支持 ARM 和 Thumb，但是不能直接引用 C/C++的变量定义，数据交换必须通过 ATPCS 进行。 嵌入式汇编在形式上表现为独立定义的函数体，如下所示：

asm int add(int i, int j)                                  // 定义嵌入式汇编

{

ADD R0, R0, R1                                     // Value of i in R0 and j in R1, result in R0

MOV PC, LR

}

void main()

{

printf("12345 + 67890 = %d\n", add(12345, 67890));

}

灵活使用内联汇编和嵌入式汇编，可以帮助提高程序效率。

6． 性能分析 很多时候需要对程序的执行效率和性能进行分析，直接测试当然是最真实的

途径，但是这种方法除了在运行时间上进行定量外，很难得到确切的数据信息。 而指令集仿真这种方法（ARMulator  或 ISS），恰恰为程序执行过程中处理器的 行为提供了一个参数统计方法。

通过在感兴趣的代码段两端设置参考点，把执行过程中处理器的各种状态周 期精确地统计出来，作为性能分析最直接的分析数据。图 6 中所示是一段例程在 ARM7TDMI 上面运行的状态统计，可以计算出平均每条指令花费的处理器时钟 为 1.9 左右，进行代码优化时，目标就是减少非顺序访问周期和内部等待周期数。

7． 小结 代码优化是个很大的题目，这里只是抛砖引玉，索引几个要点进行讨论。更

多这方面的知识，可以参阅这方面的众多论述和著作。

至此，关于在 ARM 体系结构下进行嵌入式系统编程的 6 个专题已经全部结 束。对此感兴趣的读者可以访问 http://www.armodm.com 进一步了解更多有关 ARM 的技术资料。