使用Ｃ語(yǔ)言編寫(xiě)高效嵌入式軟件的教學(xué)探討

文章編號(hào)：1672-5913(2008)18-0123-02

摘要：“嵌入式應(yīng)用技術(shù)”課程的一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生編寫(xiě)高效嵌入式C語(yǔ)言程序的能力，本文從教學(xué)角度講述了如何讓學(xué)生理解嵌入式軟件時(shí)空要求的苛刻性、編寫(xiě)高質(zhì)量代碼所需的基礎(chǔ)知識(shí)以及C語(yǔ)言代碼的常用優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：嵌入式軟件；C語(yǔ)言；代碼優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

隨著嵌入式系統(tǒng)在汽車(chē)電子、工業(yè)控制、智能家居等領(lǐng)域的廣泛使用，大專(zhuān)院校的計(jì)算機(jī)、電子、通信、自動(dòng)化控制等理工科專(zhuān)業(yè)都開(kāi)設(shè)了“嵌入式應(yīng)用技術(shù)”課程，編寫(xiě)高效的嵌入式C語(yǔ)言程序是嵌入式基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)受其使用的硬件以及運(yùn)行環(huán)境的限制，對(duì)程序運(yùn)行的空間和時(shí)間要求非常嚴(yán)格，需要對(duì)嵌入式應(yīng)用程序進(jìn)行性能優(yōu)化，以滿足嵌入式應(yīng)用的性能需求。本文結(jié)合作者多年實(shí)際嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)及嵌入式應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)體會(huì)，探討如何培養(yǎng)學(xué)生編寫(xiě)高效嵌入式軟件的能力。

1培養(yǎng)學(xué)生編寫(xiě)高效嵌入式軟件的意識(shí)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其核心是嵌入式微處理器。嵌入式系統(tǒng)是一種性價(jià)比很高的應(yīng)用系統(tǒng)，為了提高性價(jià)比，一方面在硬件上要進(jìn)行合理配置，另一方面需要提高軟件的效率，充分發(fā)揮硬件的特性，這兩個(gè)方面是相輔相成的。但是剛剛接觸嵌入式系統(tǒng)的學(xué)生會(huì)缺乏這方面的認(rèn)識(shí)，他們往往習(xí)慣于PC機(jī)的程序設(shè)計(jì)，很少考慮程序的優(yōu)化。嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)算速度、內(nèi)存容量和PC機(jī)相比，差距太大。例如作者在實(shí)現(xiàn)一款方位測(cè)定系統(tǒng)時(shí)，選用Freescale的MC908MR8作為主控芯片，其最高總線速度為8MHZ、內(nèi)存為256字節(jié)、程序存儲(chǔ)空間才8K。面對(duì)這種有限的硬件資源，要實(shí)現(xiàn)高效，一定要區(qū)別于常規(guī)的PC機(jī)編程，要合理使用有限的硬件資源，對(duì)每一個(gè)內(nèi)存空間的分配、每一條程序語(yǔ)句以及每一個(gè)算法都要進(jìn)行仔細(xì)斟酌。

為了提高學(xué)生對(duì)于嵌入式軟件的認(rèn)識(shí)，作者在“嵌入式應(yīng)用技術(shù)”課程教學(xué)中特別設(shè)計(jì)了一些教學(xué)案例。例如，假定16位整型數(shù)值X和Y是直角三角形的兩邊，編程求解Y邊所對(duì)應(yīng)角的度數(shù)(精確到1度，基于MC908MR8芯片)。當(dāng)時(shí)學(xué)生很納悶，這種問(wèn)題太簡(jiǎn)單了，一條C語(yǔ)句就可以實(shí)現(xiàn)了：

JiaoDu=atan(Y/X)*180/PI;

的確，通過(guò)調(diào)用內(nèi)部函數(shù)atan可以實(shí)現(xiàn)上述功能，但這種方法在低端嵌入式軟件中是一種很糟糕的方法。在MT-IDE For Freescale HC08的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，通過(guò)查看list列表文件，這條語(yǔ)句編譯后，需要占用8038~8B04，2764字節(jié)的程序存儲(chǔ)空間。假如將這條語(yǔ)句用在上述的方位測(cè)定系統(tǒng)中，一條語(yǔ)句就要占MR8三分之一的存儲(chǔ)空間，2764/(8*1024)≈0.33，這是一件很可怕的事情。再仔細(xì)查看list文件，內(nèi)部函數(shù)atan在實(shí)現(xiàn)時(shí)使用浮點(diǎn)運(yùn)算，通過(guò)泰勒展開(kāi)式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而通常的8位、16位微處理器沒(méi)有協(xié)處理器，對(duì)于浮點(diǎn)運(yùn)算的處理效率是非常低的。因此，從嵌入式軟件的角度來(lái)審視這條語(yǔ)句，它是一個(gè)不好的選擇。假如采用查表的思想，將atan(χ) *180/PI預(yù)先計(jì)算出來(lái)，建一張表，根據(jù)χ值的不同，查表就可以很快地計(jì)算出角度。通過(guò)這種實(shí)例，學(xué)生體會(huì)到了高質(zhì)量的嵌入式軟件需要區(qū)別于PC機(jī)的程序設(shè)計(jì)。

2深入理解匯編語(yǔ)言是編寫(xiě)高效嵌入式軟件的基礎(chǔ)

匯編語(yǔ)言是學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)，使用匯編程序的優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行效率高，時(shí)序控制精確。在剛開(kāi)始學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，要克服畏懼匯編語(yǔ)言的心理，一定要先使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)一些程序，在這個(gè)過(guò)程中可以深刻理解單片機(jī)的各種概念，特別是指令系統(tǒng)。最近幾年微控制器的發(fā)展很快，其資源有了極大的豐富，但其運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量和PC機(jī)還是有天壤之別，所以在面向低端的嵌入式編程時(shí)，對(duì)資源的利用還需要精打細(xì)算。通過(guò)匯編語(yǔ)言編程，可以更深層次了解微控制器資源的分配情況，養(yǎng)成“節(jié)約”資源的習(xí)慣。同時(shí)，掌握了匯編語(yǔ)言，對(duì)于以后使用C語(yǔ)言程序時(shí)，會(huì)恰當(dāng)?shù)剡x擇C語(yǔ)言語(yǔ)句。另外，C語(yǔ)言對(duì)編譯器的依賴(lài)性較強(qiáng)，不同的編譯器編譯出來(lái)的目標(biāo)代碼差別較大，通過(guò)查看編譯產(chǎn)生的匯編文件，可以提高C語(yǔ)言編程技巧，優(yōu)化C語(yǔ)言程序。

在上述的實(shí)例中，假如需要分解出角度值(JiaoDu)的百位、十位及個(gè)位，通常的編程方法如下：

BaiWei= JiaoDu /100;

ShiWei =(JiaoDu %100)/10;

GeWei= JiaoDu %10;

這種方法是可行的，但通過(guò)閱讀編譯后的list文件，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的不足。

在執(zhí)行除法和求模的運(yùn)算時(shí)，調(diào)用了內(nèi)部子程序“__divmodu_16X16_16”進(jìn)行16進(jìn)制的除法和求模運(yùn)算。通過(guò)閱讀該子程序的匯編代碼，發(fā)現(xiàn)除法運(yùn)算是通過(guò)減法來(lái)實(shí)現(xiàn)的， “JiaoDu /100”是每次將JiaoDu減去100，直到JiaoDu小于100為止，循環(huán)減的次數(shù)是商。假如JiaoDu=299°，則“JiaoDu /100”需要進(jìn)行2次循環(huán)減法，“(JiaoDu %100)/10”需要進(jìn)行2+9=11次循環(huán)減法，“JiaoDu %10” 需要進(jìn)行9循環(huán)減法，每一次減法需要大約80個(gè)指令周期，則上述程序需要(2+11+9)*80=1760個(gè)指令周期，很顯然這是一段效率極低的程序。

假如熟悉Freescale HC08的指令系統(tǒng)，其中有一條除法指令：DIV，7個(gè)指令周期，它是將寄存器H和A組成的16位數(shù)除以寄存器X(8位數(shù))，除法運(yùn)算后，商存儲(chǔ)在A中，余數(shù)存儲(chǔ)在H中，即DIV是16位數(shù)除以8位數(shù)，商必須是8位。而編譯器在編譯時(shí)不知道相除的結(jié)果是否是8位，所以不能使用DIV指令。但在本問(wèn)題中，由于JiaoDu的范圍是0~360，上述除法運(yùn)算完全可以使用DIV指令。采用C語(yǔ)言中嵌入下面的匯編子程序，可以大大提高程序的執(zhí)行效率。

__DivMod16X8_8:

;(1)進(jìn)棧

PSHH

PSHX

PSHA

;(2)百位數(shù)

LDHX_JiaoDu

TXA

LDX#100

DIV

STA_BaiWei

PSHH

;(3)十位數(shù)和個(gè)位數(shù)

PULA;H-->A

CLRH

LDX#10

DIV

STA_ShiWei

PSHH

PULA

STA_GeWei

;(4)出棧

PULA

PULX

PULH

RTS

用這段程序分解出角度值(JiaoDu)的百位、十位及個(gè)位僅僅需要60個(gè)指令周期。

3掌握嵌入式C語(yǔ)言代碼優(yōu)化方法

3.1數(shù)據(jù)類(lèi)型的選用

嵌入式C語(yǔ)言編程不同于一般C語(yǔ)言編程的一個(gè)顯著特點(diǎn)，就是要和程序存儲(chǔ)器資源結(jié)合起來(lái)，雖然其提供的數(shù)據(jù)類(lèi)型十分豐富，但是只有bit和char等數(shù)據(jù)類(lèi)型是機(jī)器語(yǔ)言直接支持的數(shù)據(jù)類(lèi)型，用此類(lèi)數(shù)據(jù)類(lèi)型的語(yǔ)句所生成的代碼較短；而其它的數(shù)據(jù)類(lèi)型如整型、浮點(diǎn)型等數(shù)據(jù)要有一定的內(nèi)部程序或內(nèi)部函數(shù)的支持，相對(duì)來(lái)說(shuō)用該類(lèi)數(shù)據(jù)類(lèi)型的語(yǔ)句生成的代碼要長(zhǎng)。有些C語(yǔ)言程序表面上看起來(lái)十分的簡(jiǎn)單，但在實(shí)際編譯時(shí)，生成的代碼卻相當(dāng)長(zhǎng)。因此要按照實(shí)際需要，盡量選用占用存儲(chǔ)空間少的數(shù)據(jù)類(lèi)型，可以大大的減少所生成的代碼長(zhǎng)度。例如在08C中用不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型定義i時(shí)，語(yǔ)句

for(i=0;i<10;i++);

經(jīng)編譯后生成的代碼長(zhǎng)度如表1所示。

在位操作時(shí)選用表2中的語(yǔ)句，可以達(dá)到和匯編相同的執(zhí)行效率。

3.2使用查表，簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)計(jì)算

在程序中盡量不進(jìn)行非常復(fù)雜的運(yùn)算，特別是避免浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算。對(duì)于這些消耗時(shí)間和資源的運(yùn)算，可以預(yù)先將函數(shù)值計(jì)算出來(lái)，置于程序存儲(chǔ)區(qū)中，以后程序運(yùn)行時(shí)直接查表即可，這樣就減小了程序執(zhí)行過(guò)程中重復(fù)計(jì)算的工作量。

在前面所述的計(jì)算JiaoDu值的計(jì)算公式就可以建立以(250*Y/X)的值為表項(xiàng)，把Y擴(kuò)大250倍，再除以X，再四舍五入，建立整數(shù)值的一維線性表：

const unsigned char TanTable[]={0，4，9，13，17，22，26，31，35，

40，44，49，53，58，62，67，72，76，81，86，

91，96，101，106，111，117，122，127，133，139，144，150，156，162，169，175，182，188，195，202，210，

217，225，233，241，250};

一維線性表的下標(biāo)就是atan(Y/X)*180/PI所對(duì)應(yīng)的角度，假如250*Y/X=12，則角度值為3°。這里的表只有0~45°，其原因在于數(shù)學(xué)函數(shù)tan(Y/X)= 90°-tan(X/Y)。所以在編寫(xiě)程序的時(shí)候，靈活地采用一些數(shù)學(xué)方法會(huì)對(duì)程序帶來(lái)方便。

3.3多分支語(yǔ)句的優(yōu)化

C語(yǔ)言中有“if—else if”和“switch/case”兩種多分支語(yǔ)句，將最可能發(fā)生的情況放在第一個(gè)，最不可能的情況放在最后一個(gè)，可以提高分支語(yǔ)句的執(zhí)行速度。

switch/case語(yǔ)句似乎比if—else if鏈更容易理解，用起來(lái)更方便，但引入switch/case語(yǔ)句的初衷并非為了可讀性和便利，而是處于效率的考慮。如果要檢測(cè)10個(gè)單獨(dú)表達(dá)式的if—else if鏈，所有的情況都互相排斥，并且概率相等，那么程序平均要執(zhí)行5次比較才能碰到值位true的表達(dá)式。在匯編語(yǔ)言中，通過(guò)查找表及間接跳轉(zhuǎn)，可以花費(fèi)固定時(shí)長(zhǎng)將控制轉(zhuǎn)往若干不同位置之一，而與情況的數(shù)目無(wú)關(guān)。這種代碼使用switch/case表達(dá)式的值作為地址表的索引，間接跳轉(zhuǎn)到表項(xiàng)指定的語(yǔ)句處。當(dāng)情況多于4種時(shí)，switch/case比if—else if鏈更快。但是依據(jù)這種方法，switch/case語(yǔ)句有嚴(yán)重缺陷，對(duì)表達(dá)式的最小值到最大值中的每個(gè)可能的值都必須有表項(xiàng)。所以當(dāng)表達(dá)式的值不連續(xù)且間隔較大時(shí)，不適合于使用switch/case，編譯器很難對(duì)這種情況做優(yōu)化處理。

3.4循環(huán)體的優(yōu)化

循環(huán)體是程序設(shè)計(jì)和優(yōu)化的重點(diǎn)，對(duì)于一些不需要循環(huán)變量參加運(yùn)算的模塊，可以把它放到循環(huán)的外面。對(duì)于次數(shù)固定的循環(huán)體，for 循環(huán)比while 循環(huán)效率更高，減計(jì)數(shù)循環(huán)比增計(jì)數(shù)循環(huán)速度快。

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，每次循環(huán)需要在循環(huán)體外加兩條指令:一條減法指令(減少循環(huán)計(jì)數(shù)值) 和一條條件分支指令。這些指令稱(chēng)為“循環(huán)開(kāi)銷(xiāo)”。在Freescale HC08 處理器上，減法指令需要1個(gè)周期，條件分支指令需要3個(gè)周期，這樣每個(gè)循環(huán)另加了4個(gè)周期的開(kāi)銷(xiāo)?？梢圆捎醚h(huán)展開(kāi)的方法來(lái)提高循環(huán)運(yùn)行的速度，即：重復(fù)循環(huán)主題多次，并按同樣的比例減少循環(huán)次數(shù)來(lái)減小循環(huán)的開(kāi)銷(xiāo)，以增加代碼尺寸來(lái)?yè)Q取程序的運(yùn)行速度。

4小結(jié)

C語(yǔ)言作為一種通用的高級(jí)語(yǔ)言，語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、緊湊，運(yùn)算符豐富，程序具有很好的移植性，同時(shí)，C語(yǔ)言在開(kāi)發(fā)速度、軟件可靠性以及軟件質(zhì)量等方面都有著明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，C語(yǔ)言適合于嵌入式系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。但是，如何讓學(xué)生用好C語(yǔ)言，編寫(xiě)高效的嵌入式軟件，還需要教師在課程教學(xué)中滲透高效C語(yǔ)言編程思想，并通過(guò)實(shí)例強(qiáng)化代碼優(yōu)化的方法。只有當(dāng)學(xué)生真正領(lǐng)悟了嵌入式軟件的內(nèi)涵，將代碼優(yōu)化的方法和手段應(yīng)用到實(shí)際的程序設(shè)計(jì)中，才能編寫(xiě)出高質(zhì)量的嵌入式軟件，從而達(dá)到嵌入式基礎(chǔ)課程的培養(yǎng)目標(biāo)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王宜懷，劉曉升. 嵌入式應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)教程[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，2005.

[2] 王軍安. 淺析嵌入式系統(tǒng)的軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004:102-103.

[3] 劉劍鳴. 嵌入式程序設(shè)計(jì)中C/C++代碼的優(yōu)化[J]. 微計(jì)算機(jī)信息(測(cè)控自動(dòng)化)，2003，19(12).

[4] 韓東海 譯. 編程卓越之道(第二卷):運(yùn)用底層語(yǔ)言思想編寫(xiě)高級(jí)語(yǔ)言代碼[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，2006.