基于ARM的高效C语言编程

引言

ARM处理器以其高性能、低功耗、低成本等优势被广泛应用于各种成功的32位嵌入式系统中。提高执行速度和减小代码尺寸是嵌入式软件设计的关键需求。尽管大多数的ARM编译器和调试器都带有性能优化工具，但是为了保证其正确性，编译器必须是稳妥和安全的，而且它还受到处理器自身结构的限制。因此，编程人员必须在理解编译器工作特点的基础上来实现代码优化。代码的优化方法较多，本文针对函数优化方法进行阐述。

1 函数局部变量的数据类型

局部变量包括函数内局部变量、函数参数、函数返回值。由于ARM数据操作都是32位，即使数据本身只需要8位或16位，对于这三类局部变量也应尽可能使用32位的数据类型int或lONg，以提高代码执行效率。下面以简单求和函数为例进行分析。

函数add1计算包含10个字的数组array的累加和，add2与add1功能相同，只是将函数add1的参数array类型改为16位的short，函数内局部变量i类型改为8位的char，sum改为16位的short。add1、add2的C源代码如下：

int add1(int *array){

unsigned int i;

int sum=0;

for(i=0;i10;i++)

sum=sum+array[i];

return sum;

}

short add2(short *array){

char i;

short sum=0;

for(i=0;i10;i++)

sum= sum+array[i];

return sum;

}

add1经编译产生的汇编代码：

add1

mov r2,r0

mov r0,#0

mov r1,#0

add1_loop

ldr r3,[r2,r1,lsl #2]

add r1,r1,#1

cmp r1,#0x0a

add r0,r3,r0

bcc add1_loop

mov pc,r14

add2经编译产生的汇编代码：

add2

mov r2,r0

mov r0,#0

mov r1,#0

add2_loop

add r3,[r2,r1,lsl #1];增加语句①

ldrh r3,[r3,#0]

add r1,r1,#1

and r1,r1,0xff;增加语句②

cmp r1,#0x0a

add r0,r3,r0

bcc add2_loop

mov r0,r0,lsl #16;增加语句③

mov r0,r0,asr #16;增加语句④

mov pc,r14

比较add1和add2两个函数的汇编代码，可以发现add2_loop循环比add1_loop循环增加了4条语句。

语句①：函数add2中变量sum为16位short类型，ARM指令中ldrh指令不支持移位地址偏移，因此增加add指令计算数组下标地址。

语句②：由于函数add2中循环变量i为8位的char类型，而ARM处理器的寄存器为32位，此语句用于处理循环变量累加过程中引起的溢出问题。即：当i累加到255时，再加1应该为0,而不是256。

语句③、④：函数add2中返回结果sum为short类型，在返回前需将32位寄存器的前16位用符号位填充，即转换为16位short类型。

2 函数局部变量的个数

为了加快程序的执行速度，函数编译时应尽可能将局部变量都分配在寄存器中。*部变量多于可用的寄存器时，编译器会将多余的变量压入堆栈(即存入存储器中)，因此必须控制局部变量的个数。

ARM处理器采用RISC结构，带有丰富的内部寄存器。在编译器使用apcs开关选项，即支持ATPCS(ARMThumb Procedure Call STandard)标准时，理论上有14个寄存器(R0～R12，R14)可以用来存放局部变量。但是实际上有些寄存器有自身特殊的用途，例如R9在与读写位置无关（RWPI）的编译情况下作为静态基址寄存器使用，R12作为子程序内部调用的临时过渡寄存器使用。ATPCS规则中的寄存器名称及说明如表1所列。

表1 ATPCS规则中寄存器说明

　　因此，应尽量限制局部变量的数目：①对于函数的参数个数应控制在4个以内，只有R0～R3可用来保存参数，当参数多于4个时将被压入堆栈。如果由于实际应用的需要，参数多于4个，也可以采用结构体来组织参数，传递结构体指针来实现。②函数内部局部变量的个数应控制在12个以内（R0～R11），R12～R15都有特定用途。

3 函数内代码的编写

3.1 循环代码的编写

循环的控制条件设为递减到零的形式，可以减少指令条数。以求10个数的累加和为例进行分析。

代码1：

int sum=0;

for(int i=0;i10;i++)

sum=sum+i;

代码2：

int sum=0;

for(int i=10;i!=0;i--)

sum=sum+i;

汇编代码1：

mov r0,#0

mov r1,#0

add1

add r1,r1,#1

cmp r1,#0x0a

add r0,r1,r0

bcc add1

汇编代码2：

mov r0,#0

mov r1,#0x0a

add2

subs r1,r1,#1

add r0,r1,r0

bne add2

比较代码1和代码2，两者的功能是相同的，但是代码2在循环中少了1条指令。该循环的执行次数为10次，即在执行时共减少了10条指令。

3.2 内联函数的使用

当函数体代码较少（通常只有一两条语句），且又被经常调用时，可将它设为内联函数（inline）。对内联函数的调用类似于宏定义的展开，因此没有函数调用的开销（即参数的传递和函数值的返回），只是增加了被调用函数的代码量。

例如在嵌入式系统中，经常访问的外设端口的读写代码就可以设成内联函数，以提高执行效率。外设寄存器的读写函数如下：

inline unsigned short reg_read(unsigne