如何写出高效的单片机C语言程序代码

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(longint)，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
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。
voidDelayNms(UINT16t)
{
UINT16i,j;
for(i=0;ifor(j=0;i<1000;j++)
}
可以改为
voidDelayNms(UINT16t)
{
UINT16i,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
voidDelayNus(UINT16t)
{
while(t--)
{
NOP();
}
}
可以改为
voidDelayNus(UINT16t)
{
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
voidUARTPrintfString(INT8*str)
{
while(*str&&str)
{
UARTSendByte(*str++)
}
}
可以改为
voidUARTPrintfString(INT8*str)
{
registerINT8*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：
codeUINT16szCRC16Tbl[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
};
UINT16CRC16CheckFromTbl(UINT8*buf,UINT8len)
{
UINT16i;
UINT16uncrcReg=0,uncrcConst=0xffff;
for(i=0;ilen;i++)
{
uncrcReg=(uncrcReg8)^szCRC16Tbl[(((uncrcConst^uncrcReg)>>8)
^*buf++)&0xFF];
uncrcConst<=8;
}
returnuncrcReg;
}
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。
UINT8Max(UINT8A,UINT8B)
{
return(A>B?A:B)
}
可以改为
#defineMAX（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：
UINT16Sum(void)
{
UINT8i,s;
for(i=1;i<=100;i++)
{
s+=i;
}
returns;
}
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。
UINT16Sum(void)
{
UINT16s;
s=(100*(100+1))>>1;
returns;
}
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。
UINT8szArrayA[64];
UINT8szArrayB[64];
UINT8i;
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
UINT8a=0；
INT8b=-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。
UINT8a[2]={0x12,0x34};
UINT16b=0;
b=(a[0]<8)|a[1];
结果：b=0x1234
方法2：强制类型转换。
UINT8a[2]={0x12,0x34};
UINT16b=0;
b=*(UINT16*)a;//强制转换
结果：b=0x1234
例子3：保存结构体数据内容。
方法1：逐个保存。
typedefstruct_ST
{
UINT8a;
UINT8b;
UINT8c;
UINT8d;
UINT8e;
}ST;
STs;
UINT8a[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。
typedefstruct_ST
{
UINT8a;
UINT8b;
UINT8c;
UINT8d;
UINT8e;
}ST;
STs;
UINT8a[5]={0};
UINT8*p=(UINT8*)&s;//强制转换
UINT8i=0;
s.a=1;
s.b=2;
s.c=3;
s.d=4;
s.e=5;
for(i=0;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。
typedefstruct__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;
BYTE2BITSByte2Bits;
Byte2Bits._bit7=0;
Byte2Bits._bit6=0;
Byte2Bits._bit5=1;
Byte2Bits._bit4=1;
Byte2Bits._bit3=1;
Byte2Bits._bit2=1;
Byte2Bits._bit1=0;
Byte2Bits._bit0=0;
UINT8a=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。
typedefstruct__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;
BYTE2BITSByte2Bits;
Byte2Bits._bit7=0;
Byte2Bits._bit6=0;
Byte2Bits._bit5=1;
Byte2Bits._bit4=1;
Byte2Bits._bit3=1;
Byte2Bits._bit2=1;
Byte2Bits._bit1=0;
Byte2Bits._bit0=0;
UINT8a=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。
typedefstruct__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;
BYTE2BITSByte2Bits;
UINT8a=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。
typedefstruct__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;
BYTE2BITSByte2Bits;
UINT8a=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。
UINT8ucCurTask=1;
voidTask1(void);
voidTask2(void);
voidTask3(void);
voidTask4(void);
……………
voidTask16(void);
switch(ucCurTask)
{
case1:Task1();break;
case2:Task2();break;
case3:Task3();break;
case4:Task4();break;
………………………
case16:Task16();break;
default:break;
}
可以改为
UINT8ucCurTask=1;
voidTask1(void);
voidTask2(void);
voidTask3(void);
voidTask4(void);
……………
voidTask16(void);
switch(ucCurTask)
{
case1:Task1();break;
case2:Task2();break;
default:
switch(ucCurTask)
{
case3:Task3();break;
case4:Task4();break;
………………………
case16: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。
UINT8ucCurTask=1;
voidTask1(void);
voidTask2(void);
voidTask3(void);
voidTask4(void);
……………
voidTask16(void);
if(ucCurTask==1)Task1();
elseif(ucCurTask==2)Task2();
else
{
if(ucCurTask==3)Task3();
elseif(ucCurTask==4)Task4();
………………
elseTask16();
}

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。
UINT8ucCurTask=1;
voidTask1(void);
voidTask2(void);
voidTask3(void);
voidTask4(void);
……………
voidTask16(void);
switch(ucCurTask)
{
case1:Task1();break;
case2:Task2();break;
case3:Task3();break;
case4:Task4();break;
………………………
case16:Task16();break;
default:break;
}
可以改为
UINT8ucCurTask=1;
voidTask1(void);
voidTask2(void);
voidTask3(void);
voidTask4(void);
……………
voidTask16(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。
UINT8i,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。
UINT8i,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，RealViewMDK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（FavorSpeed）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---杀手锏
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。