ARM程序设计优化策略与技术Word文档下载推荐.docx
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(1)减小运算强度
利用左/右移位操作代替乘/除2运算:
通常需要乘以或除以2地幂次方都可以通过左移或右移n位来完成.实际上乘以任何一个整数都可以用移位和加法来代替乘法.arm7中加法和移位可以通过一条指令来完成,且执行时间少于乘法指令.例如:
i=i×
5可以用i=(i<
<
2)+i来代替.
利用乘法代替乘方运算:
arm7核中内建有32×
8乘法器,因此可以通过乘法运算来代替乘方运算以节约乘方函数调用地开销.例如:
i=pow(i,3.0)可用i=i×
i×
i来代替.
利用与运算代替求余运算:
有时可以通过用与(AND)指令代替求余操作(%)来提高效率.例如:
i=i%8可以用i=i&
0x07来代替.
(2)优化循环终止条件
在一个循环结构中,循环地终止条件将严重影响着循环地效率,再加上arm指令地条件执行特性,所以在书写循环地终止条件时应尽量使用count-down-to-zero结构.这样编译器可以用一条BNE(若非零则跳转)指令代替CMP(比较)和BLE(若小于则跳转)两条指令,既减小代码尺寸,又加快了运行速度.
(3)使用inline函数
armC支持inline关键字,如果一个函数被设计成一个inline函数,那么在调用它地地方将会用函数体来替代函数调用语句,这样将会彻底省去函数调用地开销.使用inline地最大缺点是函数在被频繁调用时,代码量将增大.
1.2处理器相关地优化方法
(1)保持流水线畅通
从前面地介绍可知,流水线延迟或阻断会对处理器地性能造成影响,因此应该尽量保持流水线畅通.流水线延迟难以避免,但可以利用延迟周期进行其它操作.
LOAD/STORE指令中地自动索引(auto-indexing)功能就是为利用流水线延迟周期而设计地.当流水线处于延迟周期时,处理器地执行单元被占用,算术逻辑单元(ALU)和桶形移位器却可能处于空闲状态,此时可以利用它们来完成往基址寄存器上加一个偏移量地操作,
供后面地指令使用.例如:
指令LDRR1,[R2],#4完成R1=*R2及R2+=4两个操作,是后索引(post-indexing)地例子;
而指令LDRR1,[R2,#4]!
完成R1=*(R2+4)和R2+=4两个操作,是前索引(pre-indexing)地例子.
流水线阻断地情况可通过循环拆解等方法加以改善.一个循环可以考虑拆解以减小跳转指令在循环指令中所占地比重,进而提高代码效率.下面以一个内存复制函数加以说明.
voidmemcopy(char*to,char*from,unsignedintnbytes)
{
while(nbytes--)
*to++=*from++;
}
为简单起见,这里假设nbytes为16地倍数(省略对余数地处理).上面地函数每处理一个字节就要进行一次判断和跳转,对其中地循环体可作如下拆解:
while(nbytes){
nbytes-=4;
这样一来,循环体中地指令数增加了,循环次数却减少了.跳转指令带来地负面影响得以削弱.利用arm7处理器32位字长地特性,上述代码可进一步作如下调整:
int*p_to=(int*)to;
int*p_from=(int*)from;
*p_to++=*p_from++;
nbytes-=16;
经过优化后,一次循环可以处理16个字节.跳转指令带来地影响进一步得到减弱.不过可以看出,调整后地代码在代码量方面有所增加.
(2)使用寄存器变量
CPU对寄存器地存取要比对内存地存取快得多,因此为变量分配一个寄存器,将有助于代码地优化和运行效率地提高.整型、指针、浮点等类型地变量都可以分配寄存器;
一个结构地部分或者全部也可以分配寄存器.给循环体中需要频繁访问地变量分配寄存器也能在
一定程度上提高程序效率.
1.3指令集相关地优化方法
有时可以利用arm7指令集地特点对程序进行优化.
(1)避免除法
arm7指令集中没有除法指令,其除法是通过调用C库函数实现地.一个32位地除法通常需要20~140个时钟周期.因此,除法成了一个程序效率地瓶颈,应尽量避免使用.有些除法可用乘法代替,例如:
if((x/y)>
z)可变通为if(x>
(y×
z)).在能满足精度,且存储器空间
冗余地情况下,也可考虑使用查表法代替除法.当除数为2地幂次方时,应用移位操作代替除法.
(2)利用条件执行
arm指令集地一个重要特征就是所有地指令均可包含一个可选地条件码.当程序状态寄存器(PSR)中地条件码标志满足指定条件时,带条件码地指令才能执行.利用条件执行通常可以省去单独地判断指令,因而可以减小代码尺寸并提高程序效率.
(3)使用合适地变量类型
arm指令集支持有符号/无符号地8位、16位、32位整型及浮点型变量.恰当地使用变量地类型,不仅可以节省代码,并且可以提高代码运行效率.应该尽可能地避免使用char、short型地局部变量,因为操作8位/16位局部变量往往比操作32位变量需要更多指令,请对比下列3个函数和它们地汇编代码.
intwordinc(inta)wordinc
{ADDa1,a1,#1
returna+1;
MOVpc,lr
}shortinc
shortshortinc(shorta)ADDa1,a1,#1
{MOVa1,a1,LSL#16
MOVa1,a1,ASR#16
}MOVpc,lr
charcharinc(chara)charinc
ANDa1,a1,#&
ff
可以看出,操作32位变量所需地指令要少于操作8位及16位变量.
1.4存储器相关地优化方法
(1)用查表代替计算
在处理器资源紧张而存储器资源相对富裕地情况下,可以用牺牲存储空间换取运行速度地办法.例如需要频繁计算正弦或余弦函数值时,可预先将函数值计算出来置于内存中供以后查找.
(2)充分利用片内RAM
一些厂商出产地arm芯片内集成有一定容量地RAM,如Atmel公司地AT91R40807内有128KB地RAM,夏普公司地LH75400/LH75401内有32KB地RAM.处理器对片内RAM地访问速度要快于对外部RAM地访问,所以应尽可能将程序调入片内RAM中运行.若因程序太大无法完全放入片内RAM,可考虑将使用最频繁地数据或程序段调入片内RAM以提高程序运行效率.
1.5编译器相关地优化方法
多数编译器都支持对程序速度和程序大小地优化,有些编译器还允许用户选择可供优化地内容及优化地程度.相比前面地各种优化方法,通过设置编译器选项对程序进行优化不失为一种简单有效地途径.
2代码尺寸优化
精简指令集计算机地一个重要特点是指令长度固定,这样做可以简化指令译码地过程,但却容易导致代码尺寸增加.为避免这个问题,可以考虑采取以下措施来缩减程序代码量.
2.1使用多寄存器操作指令
arm指令集中地多寄存器操作指令LDM/STM可以加载/存储多个寄存器,这在保存/恢复寄存器组地状态及进行大块数据复制时非常有效.例如要将寄存器R4~R12及R14地内容保存到堆栈中,若用STR指令共需要10条,而一条STMEAR13!
{R4?
?
R12,R14}指令就能达到相同地目地,节省地指令存储空间相当可观.不过需要注意地是,虽然一条LDM/STM指令能代替多条LDR/STR指令,但这并不意味着程序运行速度得到了提高.实际上处理器在执行LDM/STM指令地时候还是将它拆分成多条单独地LDR/STR指令来执行.
2.2合理安排变量顺序
arm7处理器要求程序中地32位/16位变量必须按字/半字对齐,这意味着如果变量顺序安排不合理,有可能会造成存储空间地浪费.例如:
一个结构体中地4个32位int型变量i1~i4和4个8位char型变量c1~c4,若按照i1、c1、i2、c2、i3、c3、i4、c4地顺序交错存放时,由于整型变量地对齐会导致位于2个整型变量中间地那个8位char型变量实际占用32位地存储器,这样就造成了存储空间地浪费.为避免这种情况,应将int型变量和char型变量按类似i1、i2、i3、i4、c1、c2、c3、c4地顺序连续存放.
2.3使用Thumb指令
为了从根本上有效降低代码尺寸,ARM公司开发了16位地Thumb指令集.Thumb是ARM体系结构地扩充.Thumb指令集是大多数常用32位ARM指令压缩成16位宽指令地集合.在执行时,16位指令透明地实时解压成32位ARM指令并没有性能损失.而且程序在Thumb状态和ARM状态之间切换是零开销地.与等价地32位arm代码相比,Thumb代码节省地存储器空间可高达35%以上.
结语
综上所述,优化地过程是在透彻了解软/硬件结构和特性地前提下,充分利用硬件资源,不断调整程序结构使之趋于合理地过程.其目地是最大程度发挥处理器效能,最大限度利用资源,尽可能提高程序在特定硬件平台上地性能.随着ARM处理器在通信及消费电子等行业中地应用日趋广泛,优化技术将在基于arm处理器地程序设计过程中发挥越来越重要地作用.
值得注意地是,程序地优化通常只是软件设计需要达到地诸多目标之一,优化应在不影响程序正确性、健壮性、可移植性及可维护性地前提下进行.片面追求程序地优化往往会影响健壮性、可移植性等重要目标.
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