关于单片机的程序优化技巧

   由于单片机的性能同电脑的性能是天渊之别的，无论从空间资源上、内存资源、工作频率，都是无法 与之比较的。PC 机编程基本上不用考虑空间的占用、内存的占用的问题，最终目的就是实现功能就可以了。 对于单片机来说就截然不同了，一般的单片机的Flash 和Ram 的资源是以KB 来衡量的，可想而知，单片 机的资源是少得可怜，为此我们必须想法设法榨尽其所有资源，将它的性能发挥到最佳，程序设计时必须 遵循以下几点进行优化： 1. 使用尽量小的数据类型 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。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。 2. 使用自加、自减指令 通常使用自加、自减指令和复合赋值表达式(如a-=1 及a+=1 等)都能够生成高质量的 程序代码，编译器通常都能够生成inc 和dec 之类的指令，而使用a=a+1 或a=a-1 之类 的指令，有很多C 编译器都会生成二到三个字节的指令。 3. 减少运算的强度 可以使用运算量小但功能相同的表达式替换原来复杂的的表达式。 （1） 求余运算 N= N %8 可以改为N = N &7 说明：位操作只需一个指令周期即可完成，而大部分的C 编译器的“%”运算均是调用子程序来 完成，代码长、执行速度慢。通常，只要求是求2n 方的余数，均可使用位操作的方法来代替。 （2） 平方运算 N=Pow(3,2) 可以改为N=3*3 说明：在有内置硬件乘法器的单片机中(如51 系列)，乘法运算比求平方运算快得多, 因为浮点数 的求平方是通过调用子程序来实现的，乘法运算的子程序比平方运算的子程序代码短，执行速度快。 （3） 用位移代替乘法除法 N=M*8 可以改为N=M<>3 说明：通常如果需要乘以或除以2n，都可以用移位的方法代替。如果乘以2n，都可以生成左移的代码，而乘以其它的整数或除以任何数，均调用乘除法子程序。用移位的方法得到代码比调用乘除法子程序生成的代码效率高。实际上，只要是乘以或除以一个整数，均可以用移位的方法得到结果。如N=M*9 可以改为N=(M<<3)+M； （4） 自加自减的区别 例如我们平时使用的延时函数都是通过采用自加的方式来实现。 void DelayNms(UINT16 t) { UINT16 i,j; for(i=0;i<t;i++) for(j=0;i<1000;j++) } 可以改为 void DelayNms(UINT16 t) { UINT16 i,j; for(i=t;i>=0;i--) for(j=1000;i>=0;j--) } 说明：两个函数的延时效果相似，但几乎所有的C 编译对后一种函数生成的代码均比前一种代码少1~3 个字节，因为几乎所有的MCU 均有为0 转移的指令，采用后一种方式能够生成这类指令。 4. while 与do...while 的区别 void DelayNus(UINT16 t) { while(t--) { NOP(); } } 可以改为 void DelayNus(UINT16 t) { do { NOP(); }while(--t) } 说明：使用do…while 循环编译后生成的代码的长度短于while 循环。 5. register 关键字 void UARTPrintfString(INT8 *str) { while(*str && str) { UARTSendByte(*str++) } } 可以改为 void UARTPrintfString(INT8 *str) { register INT8 *pstr=str; while(*pstr && pstr) { UARTSendByte(*pstr++) } } 说明：在声明局部变量的时候可以使用register 关键字。这就使得编译器把变量放入一个多用途的寄存 器中，而不是在堆栈中，合理使用这种方法可以提高执行速度。函数调用越是频繁，越是可能提高代码的 速度，注意register 关键字只是建议编译器而已。 6. volatile 关键字 volatile 总是与优化有关，编译器有一种技术叫做数据流分析，分析程序中的变量在哪里赋值、在 哪里使用、在哪里失效，分析结果可以用于常量合并，常量传播等优化，进一步可以死代码消除。一般来 说,volatile 关键字只用在以下三种情况: a) 中断服务函数中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile(参考本书高级实验程序) b) 多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile c) 存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile 说明，因为每次对它的读写都可能由不同意义 总之，volatile 关键字是一种类型修饰符，用它声明的类型变量表示可以被某些编译器未知的因素 更改，比如：操作系统、硬件或者其它线程等。遇到这个关键字声明的变量，编译器对访问该变量的代码 就不再进行优化，从而可以提供对特殊地址的稳定访问。 7. 以空间换时间 在数据校验实战当中，CRC16 循环冗余校验其实还有一种方法是查表法，通过查表可以更加快获得 校验值，效率更高，当校验数据量大的时候，使用查表法优势更加明显，不过唯一的缺点是占用大量的空 间。 //查表法： code UINT16 szCRC16Tbl[256] = { 0x0000, 0x1021, 0x2042, 0x3063, 0x4084, 0x50a5, 0x60c6, 0x70e7, 0x8108, 0x9129, 0xa14a, 0xb16b, 0xc18c, 0xd1ad, 0xe1ce, 0xf1ef, 0x1231, 0x0210, 0x3273, 0x2252, 0x52b5, 0x4294, 0x72f7, 0x62d6, 0x9339, 0x8318, 0xb37b, 0xa35a, 0xd3bd, 0xc39c, 0xf3ff, 0xe3de, 0x2462, 0x3443, 0x0420, 0x1401, 0x64e6, 0x74c7, 0x44a4, 0x5485, 0xa56a, 0xb54b, 0x8528, 0x9509, 0xe5ee, 0xf5cf, 0xc5ac, 0xd58d, 0x3653, 0x2672, 0x1611, 0x0630, 0x76d7, 0x66f6, 0x5695, 0x46b4, 0xb75b, 0xa77a, 0x9719, 0x8738, 0xf7df, 0xe7fe, 0xd79d, 0xc7bc, 0x48c4, 0x58e5, 0x6886, 0x78a7, 0x0840, 0x1861, 0x2802, 0x3823, 0xc9cc, 0xd9ed, 0xe98e, 0xf9af, 0x8948, 0x9969, 0xa90a, 0xb92b, 0x5af5, 0x4ad4, 0x7ab7, 0x6a96, 0x1a71, 0x0a50, 0x3a33, 0x2a12, 0xdbfd, 0xcbdc, 0xfbbf, 0xeb9e, 0x9b79, 0x8b58, 0xbb3b, 0xab1a, 0x6ca6, 0x7c87, 0x4ce4, 0x5cc5, 0x2c22, 0x3c03, 0x0c60, 0x1c41, 0xedae, 0xfd8f, 0xcdec, 0xddcd, 0xad2a, 0xbd0b, 0x8d68, 0x9d49, 0x7e97, 0x6eb6, 0x5ed5, 0x4ef4, 0x3e13, 0x2e32, 0x1e51, 0x0e70, 0xff9f, 0xefbe, 0xdfdd, 0xcffc, 0xbf1b, 0xaf3a, 0x9f59, 0x8f78, 0x9188, 0x81a9, 0xb1ca, 0xa1eb, 0xd10c, 0xc12d, 0xf14e, 0xe16f, 0x1080, 0x00a1, 0x30c2, 0x20e3, 0x5004, 0x4025, 0x7046, 0x6067, 0x83b9, 0x9398, 0xa3fb, 0xb3da, 0xc33d, 0xd31c, 0xe37f, 0xf35e, 0x02b1, 0x1290, 0x22f3, 0x32d2, 0x4235, 0x5214, 0x6277, 0x7256, 0xb5ea, 0xa5cb, 0x95a8, 0x8589, 0xf56e, 0xe54f, 0xd52c, 0xc50d, 0x34e2, 0x24c3, 0x14a0, 0x0481, 0x7466, 0x6447, 0x5424, 0x4405, 0xa7db, 0xb7fa, 0x8799, 0x97b8, 0xe75f, 0xf77e, 0xc71d, 0xd73c, 0x26d3, 0x36f2, 0x0691, 0x16b0, 0x6657, 0x7676, 0x4615, 0x5634, 0xd94c, 0xc96d, 0xf90e, 0xe92f, 0x99c8, 0x89e9, 0xb98a, 0xa9ab, 0x5844, 0x4865, 0x7806, 0x6827, 0x18c0, 0x08e1, 0x3882, 0x28a3, 0xcb7d, 0xdb5c, 0xeb3f, 0xfb1e, 0x8bf9, 0x9bd8, 0xabbb, 0xbb9a, 0x4a75, 0x5a54, 0x6a37, 0x7a16, 0x0af1, 0x1ad0, 0x2ab3, 0x3a92, 0xfd2e, 0xed0f, 0xdd6c, 0xcd4d, 0xbdaa, 0xad8b, 0x9de8, 0x8dc9, 0x7c26, 0x6c07, 0x5c64, 0x4c45, 0x3ca2, 0x2c83, 0x1ce0, 0x0cc1, 0xef1f, 0xff3e, 0xcf5d, 0xdf7c, 0xaf9b, 0xbfba, 0x8fd9, 0x9ff8, 0x6e17, 0x7e36, 0x4e55, 0x5e74, 0x2e93, 0x3eb2, 0x0ed1, 0x1ef0 }; UINT16 CRC16CheckFromTbl(UINT8 *buf,UINT8 len) { UINT16 i; UINT16 uncrcReg = 0, uncrcConst = 0xffff; for(i = 0;i < len;i ++) { uncrcReg = (uncrcReg << 8) ^ szCRC16Tbl[(((uncrcConst ^ uncrcReg) >> 8) ^ *buf++) & 0xFF]; uncrcConst <<= 8; } return uncrcReg; } 如果系统要求实时性比较强，在CRC16 循环冗余校验当中，推荐使用查表法，以空间换时间。 8. 宏函数取代函数 首先不推荐所有函数改为宏函数，以免出现不必要的错误。但是一些基本功能的函数很有必要使用宏 函数来代替。 UINT8 Max(UINT8 A,UINT8 B) { return (A>B?A:B) } 可以改为 #define MAX（A，B） {(A)>(B)?(A):(B)} 说明：函数和宏函数的区别就在于，宏函数占用了大量的空间，而函数占用了时间。大家要知道的是，函 数调用是要使用系统的栈来保存数据的，如果编译器里有栈检查选项，一般在函数的头会嵌入一些汇编语 句对当前栈进行检查；同时，cpu 也要在函数调用时保存和恢复当前的现场，进行压栈和弹栈操作，所以， 函数调用需要一些cpu 时间。而宏函数不存在这个问题。宏函数仅仅作为预先写好的代码嵌入到当前程序， 不会产生函数调用，所以仅仅是占用了空间，在频繁调用同一个宏函数的时候，该现象尤其突出。 9. 适当地使用算法 假如有一道算术题，求1~100 的和。 作为程序员的我们会毫不犹豫地点击键盘写出以下的计算方法： UINT16 Sum(void) { UINT8 i,s; for(i=1;i<=100;i++) { s+=i; } return s; } 很明显大家都会想到这种方法，但是效率方面并不如意，我们需要动脑筋，就是采用数学算法解决问题， 使计算效率提升一个级别。 UINT16 Sum(void) { UINT16 s; s=(100 *(100+1))>>1; return s; } 结果很明显，同样的结果不同的计算方法，运行效率会有大大不同，所以我们需要最大限度地通过数 学的方法提高程序的执行效率。 10. 用指针代替数组 在许多种情况下，可以用指针运算代替数组索引，这样做常常能产生又快又短的代码。与数组索引相 比，指针一般能使代码速度更快，占用空间更少。使用多维数组时差异更明显。下面的代码作用是相同的， 但是效率不一样。 UINT8 szArrayA[64]; UINT8 szArrayB[64]; UINT8 i; UINT8 *p=szArray; for(i=0;i<64;i++)szArrayB[i]=szArrayA[i]; for(i=0;i<64;i++)szArrayB[i]=*p++; 指针方法的优点是，szArrayA 的地址装入指针p 后，在每次循环中只需对p 增量操作。在数组索引 方法中，每次循环中都必须进行基于i 值求数组下标的复杂运算。 11. 强制转换 C 语言精髓第一精髓就是指针的使用，第二精髓就是强制转换的使用，恰当地利用指针和强制转换不但 可以提供程序效率，而且使程序更加之简洁，由于强制转换在C 语言编程中占有重要的地位，下面将已五 个比较典型的例子作为讲解。 例子1：将带符号字节整型转换为无符号字节整型 UINT8 a=0； INT8 b=-3； a=(UINT8)b; 例子2：在大端模式下(8051 系列单片机是大端模式)，将数组a[2]转化为无符号16 位整型值。 方法1：采用位移方法。 UINT8 a[2]={0x12,0x34}; UINT16 b=0; b=(a[0]<<8)|a[1]; 结果：b=0x1234 方法2：强制类型转换。 UINT8 a[2]={0x12,0x34}; UINT16 b=0; b= *(UINT16 *)a; /制转换 结果：b=0x1234 例子3：保存结构体数据内容。 方法1：逐个保存。 typedef struct _ST { UINT8 a; UINT8 b; UINT8 c; UINT8 d; UINT8 e; }ST; ST s; UINT8 a[5]={0}; s.a=1; s.b=2; s.c=3; s.d=4; s.e=5; a[0]=s.a; a[1]=s.b; a[2]=s.c; a[3]=s.d; a[4]=s.e; 结果：数组a 存储的内容是1、2、3、4、5。 方法2：强制类型转换。 typedef struct _ST { UINT8 a; UINT8 b; UINT8 c; UINT8 d; UINT8 e; }ST; ST s; UINT8 a[5]={0}; UINT8 *p=(UINT8 *)&s;/制转换 UINT8 i=0; s.a=1; s.b=2; s.c=3; s.d=4; s.e=5; for(i=0;i<sizeof(s);i++) { a[i]=*p++; } 结果：数组a 存储的内容是1、2、3、4、5。 例子4：在大端模式下(8051 系列单片机是大端模式)将含有位域的结构体赋给无符号字节整型值 方法1：逐位赋值。 typedef struct __BYTE2BITS { UINT8 _bit7:1; UINT8 _bit6:1; UINT8 _bit5:1; UINT8 _bit4:1; UINT8 _bit3:1; UINT8 _bit2:1; UINT8 _bit1:1; UINT8 _bit0:1; }BYTE2BITS; BYTE2BITS Byte2Bits; Byte2Bits._bit7=0; Byte2Bits._bit6=0; Byte2Bits._bit5=1; Byte2Bits._bit4=1; Byte2Bits._bit3=1; Byte2Bits._bit2=1; Byte2Bits._bit1=0; Byte2Bits._bit0=0; UINT8 a=0; a|= Byte2Bits._bit7<<7; a|= Byte2Bits._bit6<<6; a|= Byte2Bits._bit5<<5; a|= Byte2Bits._bit4<<4; a|= Byte2Bits._bit3<<3; a|= Byte2Bits._bit2<<2; a|= Byte2Bits._bit1<<1; a|= Byte2Bits._bit0<<0; 结果：a=0x3C 方法2：强制转换。 typedef struct __BYTE2BITS { UINT8 _bit7:1; UINT8 _bit6:1; UINT8 _bit5:1; UINT8 _bit4:1; UINT8 _bit3:1; UINT8 _bit2:1; UINT8 _bit1:1; UINT8 _bit0:1; }BYTE2BITS; BYTE2BITS Byte2Bits; Byte2Bits._bit7=0; Byte2Bits._bit6=0; Byte2Bits._bit5=1; Byte2Bits._bit4=1; Byte2Bits._bit3=1; Byte2Bits._bit2=1; Byte2Bits._bit1=0; Byte2Bits._bit0=0; UINT8 a=0; a = *(UINT8 *)&Byte2Bits 结果：a=0x3C 例子5：在大端模式下(8051 系列单片机是大端模式)将无符号字节整型值赋给含有位域的结构体。 方法1：逐位赋值。 typedef struct __BYTE2BITS { UINT8 _bit7:1; UINT8 _bit6:1; UINT8 _bit5:1; UINT8 _bit4:1; UINT8 _bit3:1; UINT8 _bit2:1; UINT8 _bit1:1; UINT8 _bit0:1; }BYTE2BITS; BYTE2BITS Byte2Bits; UINT8 a=0x3C; Byte2Bits._bit7=a&0x80; Byte2Bits._bit6=a&0x40; Byte2Bits._bit5=a&0x20; Byte2Bits._bit4=a&0x10; Byte2Bits._bit3=a&0x08; Byte2Bits._bit2=a&0x04; Byte2Bits._bit1=a&0x02; Byte2Bits._bit0=a&0x01; 方法2：强制转换。 typedef struct __BYTE2BITS { UINT8 _bit7:1; UINT8 _bit6:1; UINT8 _bit5:1; UINT8 _bit4:1; UINT8 _bit3:1; UINT8 _bit2:1; UINT8 _bit1:1; UINT8 _bit0:1; }BYTE2BITS; BYTE2BITS Byte2Bits; UINT8 a=0x3C; Byte2Bits= *(BYTE2BITS *)&a; 12. 减少函数调用参数 使用全局变量比函数传递参数更加有效率。这样做去除了函数调用参数入栈和函数完成后参数出栈所 需要的时间。然而决定使用全局变量会影响程序的模块化和重入，故要慎重使用。 13. switch 语句中根据发生频率来进行case 排序 switch 语句是一个普通的编程技术，编译器会产生if-else-if 的嵌套代码，并按照顺序进行比较， 发现匹配时，就跳转到满足条件的语句执行。使用时需要注意。每一个由机器语言实现的测试和跳转仅仅 是为了决定下一步要做什么，就把宝贵的处理器时间耗尽。为了提高速度，没法把具体的情况按照它们发 生的相对频率排序。换句话说，把最可能发生的情况放在第一位，最不可能的情况放在最后。 14. 将大的switch 语句转为嵌套switch 语句 当switch 语句中的case 标号很多时，为了减少比较的次数，明智的做法是把大switch 语句转为嵌套switch 语句。把发生频率高的case 标号放在一个switch 语句中，并且是嵌套switch 语句的最外 层，发生相对频率相对低的case 标号放在另一个switch 语句中。比如，下面的程序段把相对发生频率低的情况放在缺省的case 标号内。 UINT8 ucCurTask=1; void Task1(void); void Task2(void); void Task3(void); void Task4(void); …………… void Task16(void); switch(ucCurTask) { case 1: Task1();break; case 2: Task2();break; case 3: Task3();break; case 4: Task4();break; ……………………… case 16: Task16();break; default:break; } 可以改为 UINT8 ucCurTask=1; void Task1(void); void Task2(void); void Task3(void); void Task4(void); …………… void Task16(void); switch(ucCurTask) { case 1: Task1();break; case 2: Task2();break; default: switch(ucCurTask) { case 3: Task3();break; case 4: Task4();break; ……………………… case 16: Task16();break; default:break; } Break; } 由于switch 语句等同于if-else-if 的嵌套代码，如果大的if 语句同样要转换为嵌套的if 语句。 UINT8 ucCurTask=1; void Task1(void); void Task2(void); void Task3(void); void Task4(void); …………… void Task16(void); if (ucCurTask==1) Task1(); else if(ucCurTask==2) Task2(); else { if (ucCurTask==3) Task3(); else if(ucCurTask==4) Task4(); ……………… else Task16(); } 15. 函数指针妙用 当switch 语句中的case 标号很多时，或者if 语句的比较次数过多时，为了提高程序执行速度， 可以运用函数指针来取代switch 或if 语句的用法,这些用法可以参考电子菜单实验代码、USB 实验代码 和网络实验代码。 UINT8 ucCurTask=1; void Task1(void); void Task2(void); void Task3(void); void Task4(void); …………… void Task16(void); switch(ucCurTask) { case 1: Task1();break; case 2: Task2();break; case 3: Task3();break; case 4: Task4();break; ……………………… case 16: Task16();break; default:break; } 可以改为 UINT8 ucCurTask=1; void Task1(void); void Task2(void); void Task3(void); void Task4(void); …………… void Task16(void); void (*szTaskTbl)[16])(void)={Task1,Task2,Task3,Task4,…,Task16}; 调用方法1：(*szTaskTbl[ucCurTask])(); 调用方法2： szTaskTbl[ucCurTask](); 16. 循环嵌套 循环在编程中经常用到的，往往会出现循环嵌套。现在就已for 循环为例。 UINT8 i,j; for(i=0;i<255;i++) { for(j=0;j<25;j++) { ……………… } } 较大的循环嵌套较小的循环编译器会浪费更加多的时间，推荐的做法就是较小的循环嵌套较大的循环。 UINT8 i,j; for(j=0;j<25;j++) { for(i=0;i<255;i++) { ……………… } } 17. 内联函数 在C++中，关键字inline 可以被加入到任何函数的声明中。这个关键字请求编译器用函数内部的代 码替换所有对于指出的函数的调用。这样做在两个方面快于函数调用。这样做在两个方面快于函数调用： 第一，省去了调用指令需要的执行时间；第二，省去了传递变元和传递过程需要的时间。但是使用这种方 法在优化程序速度的同时，程序长度变大了，因此需要更多的ROM。使用这种优化在inline 函数频繁调 用并且只包含几行代码的时候是最有效的。 如果编译器允许在C 语言编程中能够支持inline 关键字，注意不是C++语言编程，而且单片机的ROM 足够大，就可以考虑加上inline 关键字。支持inline 关键字的编译器如ADS1.2，RealView MDK 等。 18. 从编译器着手 很多编译器都具有偏向于代码执行速度上的优化、代码占用空闲太小的优化。例如Keil 开发环境编 译时可以选择偏向于代码执行速度上的优化（Favor Speed）还是代码占用空间太小的优化（Favor Size）。还有其他基于GCC 的开发环境一般都会提供-O0、-O1、-O2、—O3、-Os 的优化选项，而使用 -O2 的优化代码执行速度上最理想，使用-Os 优化代码占用空间大小最小。 19. 嵌入汇编汇编语言是效率最高的计算机语言，在一般项目开发当中一般都采用C 语言来开发的，因为嵌入汇编 之后会影响平台的移植性和可读性，不同平台的汇编指令是不兼容的。但是对于一些执着的程序员要求程 序获得极致的运行的效率，他们都在C 语言中嵌入汇编，即“混合编程”。 注意：如果想嵌入汇编，一定要对汇编有深刻的了解。不到万不得已的情况，不要使用嵌入汇编。