嵌入式C语言优化小技巧
不同的数据类型所生成的机器代码长度相差很多,变量类型选取的范围越小运行速度越快,占用的内存越少.能够使用字符型(char)定义的变量,就不要使用整型(int)变量来定义;能够使用整型变量定义的变量就不要用长整型(long int),能不使用浮点型(float)变量就不要使用浮点型变量.相同类型的数据类型,有无符号对机器代码长度也有影响.因此我们应按照实际需要合理的选用数据类型.当然,在定义变量后不要超过变量的作用范围,如果超过变量的范围赋值,C编译器并不报错,但程序运行结果却错了,而且这样的错误很难发现.
在 C程序中使用宏代码可以提高程序的执行效率.宏代码本身不是函数.但使用起来像函数.函数调用要使用系统的栈来保存数据,同时 CPU 在函数调用时需要保存和恢复当前的现场,进行进栈和出栈操作,所以函数调用也需要 CPU时间.而宏定义就没有这个问题:宏定义仅仅作为预先写好的代码嵌入到当前程序中,不产生函数调用,所占用的仅仅是一些空间,省去了参数压栈,生成汇编语言的 call 调用,返回参数,执行 return等过程,从而提高了程序的执行速度.虽然宏破坏了程序的可读性,使排错更加麻烦,但对于嵌入式系统,为了达到要求的性能,嵌入代码常常是必须的做法.
此外,我们还要避免不必要的函数调用,请看下面的代码:
void str_print( char *str )
{
int i;
for ( i = 0; i < strlen ( str ); i++ )
{
printf("%c",str[ i ] );
}
}
void str_print1 ( char *str )
{
int len;
len = strlen ( str );
for ( i = 0; i < len; i++ )
{
printf("%c",str[ i ] );
}
} (1)在多重循环中,应将最长的循环放在最内层,最短的循环放在最外层.这样可以减少 CPU跨切循环的次数.如例 1-1 的效率比 1-2 的效率要低:
for (j = 0; j < 30; j++)
{
for (i = 0; i < 10; i++)
{
... ...
}
} // 例子 1-1
for (i = 0; i < 10; i++)
{
for (j = 0; j < 30; j++)
{
... ...
}
} // 例子 1-2 例 1-1长循环在外层,效率低;例 1-2长循环在内层,效率高. (2) 如果循环体内有逻辑判断,并且循环次数大,应把循环判断移到循环体外.如例 2-1比例 2-2 多执行了 K-1 次判断,而且由于前者频繁进行判断,打断了循环"流水线"作业,使得编译器不能对循环进行优化处理,降低了效率.
for (i = 0; i < 10000; i++)
{
if (条件)
语句;
else
语句;
} // 例子 2-1 程序简洁但效率低
if (条件)
{
for (i = 0; i < 10000; i++)
语句;
}
else
{
for (i = 0; i < 10000; i++)
语句;
} // 例子 2-2 程序部简洁但效率高 的(default)内层 switch 语句中.
switch (表达式)
{
case 值1:
语句1: break;
case 值2：
语句2：break;
... ...
/*把发生频率低的放在内层的switch语句中*/
default:
switch (表达式)
{
case 值n:
语句n: break;
case 值m:
语句m: break;
... ...
}
} 例子3 使用嵌套switch语句提高程序执行效率.sum = 100*(100+1)/2; 数学公式. (a1 + an)*n/2
使用C语言的位操作可以减少除法和取模的运算.在计算机程序中数据的位是可以操作的最小数据单位,理论上可以用“位运算”来完成所有的运算和操作.因而,灵活的位操作可以有效地提高程序运行的效率.比如用用位操作区代替除法:比如:128 / 8 ->> 128 >> 3;
优化算法和数据结构对提高代码的效率有很大的帮助.当然有时候时间效率和空间效率是对立的,此时应分析哪个更重要, 做出适当的折中.另外,在进行优化的时候不要片面的追求紧凑的代码,因为紧凑的代码并不能产生高效率的机器码.由于成本限制,嵌入式系统存储器容量有限.程序中所有的变量,包含的库函数以及堆栈等都使用有限的内存:全局变量在整个程序范围内都有效.程序执行完后才会释放;静态变量的作用范围也是整个程序,只有局部变量中的动态变量在函数执行完后会释放.因此, 在程序中应尽量使用局部变量,提高内存使用效率.程序中堆的大小受限于所有全局数据和栈空间都分配后的剩余量,如果堆太小,程序不能够在需要的时候分配内存.因此在使用 malloc 函数申请内存之后一定要用 free 函数进行释放, 防止内存泄露.
显然，for (;;)指令少,不占用寄存器,而且没有判断,跳转,比while (1)好.
考虑Fibonacci(斐波那契)问题,Fibonacci问题是可以通过简单的递归方法来解决:
int fib ( n )
{
if ( n == 0 || n == 1 )
{
return 1;
}
else
{
return fib( n - 2 ) + fib ( n - 1 );
}
} 注:在这里,我们考虑Fibonacci 系列从1开始,因此,该系列看起来:1，1，2，3，5，8，…
注意:从递归树,我们计算fib(3)函数2次,fib(2)函数3次.这是相同函数的重复计算.如果n非常大,fib函数的效率会比较低.Memoization是一个简单的技术,可以被用在递归,加强计算速度.fibonacci 函数Memoization的代码如下:
int calc_fib ( int n )
{
int val[ n ] , i;
for ( i = 0; i <=n; i++ )
{
val[ i ] = -1; // Value of the first n + 1 terms of the fibonacci terms set to -1
}
val[ 0 ] = 1; // Value of fib ( 0 ) is set to 1
val[ 1 ] = 1; // Value of fib ( 1 ) is set to 1
return fib( n , val );
}
int fib( int n , int* value )
{
if ( value[ n ] != -1 )
{
return value[ n ]; // Using memoization
}
else
{
value[ n ] = fib( n - 2 , value ) + fib ( n - 1 , value ); // Computing the fibonacci term
}
return value[ n ]; // Returning the value
} 除了编程上的技巧外,为提高系统的运行效率,我们通常也需要最大可能地利用各种硬件设备自身的特点来减小其运转开销,例如减小中断次数,利用DMA传输方式等.对于嵌入式系统,Ｃ语言在开发速度,软件可靠性以及软件质量等方面都有着明显的优势.本文就嵌入式Ｃ语言在系统开发中,如何更好的利用系统资源,对代码进行优化进行了讨论.当然代码优化的方法还有很多,这里只是写出了一部分,希望能为开发人员提供一些帮助,也欢迎大家留言交流.
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