嵌入式系統(tǒng)中程序的優(yōu)化策略

[摘要]嵌入式系統(tǒng)中的程序往往是運(yùn)行在有限的硬件資源環(huán)境中，而且大多具有實(shí)時(shí)性的要求，因此要對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，盡量提高程序的執(zhí)行效率，減少程序的存儲(chǔ)空間。討論對(duì)嵌入式系統(tǒng)中的程序進(jìn)行優(yōu)化的方法和策略。

[關(guān)鍵詞]嵌入式系統(tǒng) 優(yōu)化 程序代碼 面向?qū)ο?/p>

中圖分類號(hào)：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0220063－01

一、引言

嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，完全封裝在其所控制的設(shè)備內(nèi)。與通用計(jì)算機(jī)不同，嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行非常明確的預(yù)定義任務(wù)。而且，嵌入式系統(tǒng)的外形尺寸、功耗、外部適配器等各種特征必須滿足應(yīng)用的要求和限制；另外，一些嵌入式系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)性的要求。為了滿足嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和有限存儲(chǔ)空間的要求，嵌入式程序要盡量提高運(yùn)行速度，減少存儲(chǔ)空間。因此，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要進(jìn)行程序的優(yōu)化以提高系統(tǒng)的性能，縮減產(chǎn)品的尺寸和成本。

對(duì)嵌入式程序進(jìn)行優(yōu)化主要從兩個(gè)方面入手：1.設(shè)計(jì)優(yōu)化；2.代碼優(yōu)化。

二、設(shè)計(jì)優(yōu)化

（一）面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)

現(xiàn)代的程序設(shè)計(jì)普遍采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)于20世紀(jì)60年代提出，以后逐漸發(fā)展和完善，出現(xiàn)了java、C++等面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的出現(xiàn)是計(jì)算機(jī)編程技術(shù)的重大進(jìn)步。它以對(duì)象為中心觀察、描述和處理問(wèn)題，按照對(duì)象及對(duì)象之間的聯(lián)系來(lái)構(gòu)造軟件實(shí)體。

面向?qū)ο笫且环N自下而上的程序設(shè)計(jì)方法，它以數(shù)據(jù)為中心，類作為表現(xiàn)數(shù)據(jù)的工具，是劃分程序的基本單位。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的基本方法就是把數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)的處理函數(shù)封裝在一起，形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的類模塊，類實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)與函數(shù)功能的有機(jī)結(jié)合。

（二）面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的優(yōu)化

類是面型對(duì)象程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通過(guò)類繼承可以最大限度地實(shí)現(xiàn)功能代碼的重用，減少程序的存儲(chǔ)空間。

調(diào)整繼承關(guān)系是優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，繼承關(guān)系能夠?yàn)橐粋€(gè)類族定義一個(gè)協(xié)議，并能在類之間實(shí)現(xiàn)代碼共享以減少冗余。在面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)中，建立良好的繼承關(guān)系對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)是非常重要的。

在設(shè)計(jì)類繼承時(shí)，使用自頂向下和自底向上相結(jié)合的方法。先創(chuàng)建一些功能類型，然后進(jìn)行歸納。如果在一組相似的類中存在公共的屬性和公共的行為，則可以把這些公共的屬性和行為抽取出來(lái)重新定義一個(gè)類作為基類。

三、代碼優(yōu)化

代碼優(yōu)化，就是采用更精簡(jiǎn)的程序代碼來(lái)代替原有的代碼，使編譯后的程序運(yùn)行效率更高。以下是一些常用的優(yōu)化技術(shù)和技巧。

（一）盡量定義輕量級(jí)的構(gòu)造方法

在進(jìn)行類的設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量設(shè)計(jì)輕量級(jí)的構(gòu)造方法。在程序運(yùn)行過(guò)程中，除了創(chuàng)建顯示定義的對(duì)象外，還要?jiǎng)?chuàng)建很多臨時(shí)的對(duì)象，在創(chuàng)建類型的每個(gè)對(duì)象時(shí)都要調(diào)用類型的構(gòu)造方法。如果構(gòu)造方法過(guò)于復(fù)雜，就會(huì)降低程序運(yùn)行的效率。

（二）盡量定義局部變量，減少類成員變量的個(gè)數(shù)

少用全局變量，多用局部變量。全局變量是放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的，太多的全局變量，會(huì)導(dǎo)致編譯器無(wú)足夠的內(nèi)存分配；而局部變量則大多定位于內(nèi)部的寄存器中。使用寄存器的操作速度比數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器快，指令也更靈活，有利于生成質(zhì)量更高的代碼。

（三）代碼替換

使用周期短的指令代替周期長(zhǎng)的指令，以降低運(yùn)算的強(qiáng)度。

1．減少除法運(yùn)算。用關(guān)系運(yùn)算符兩邊乘除數(shù)避免除法操作，還有一些除法和取模的運(yùn)算可以用位操作來(lái)代替。因?yàn)槲徊僮髦噶钪恍枰粋€(gè)指令周期，而“／”運(yùn)算則需要調(diào)用子程序，代碼長(zhǎng)，執(zhí)行慢。例如：

優(yōu)化前if（（a／b）>c）和a=a／4

優(yōu)化后if（a>（b*c））和a=a>>2

2．減少乘方運(yùn)算。例如：

優(yōu)化前a=pow（a，3．0）

優(yōu)化后a=a*a*a

3．使用自加、自減指令。例如：

優(yōu)化前a=a+1、a=a-l

優(yōu)化后a++、a--

對(duì)除法來(lái)說(shuō)，使用無(wú)符號(hào)數(shù)比有符號(hào)數(shù)會(huì)有更高的效率。在實(shí)際調(diào)用中，盡量減少數(shù)據(jù)類型的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換；少用浮點(diǎn)運(yùn)算，如果運(yùn)算的結(jié)果能夠控制在誤差之內(nèi)，則可用長(zhǎng)整型代替浮點(diǎn)型。

（四）switch語(yǔ)句和循環(huán)語(yǔ)句的優(yōu)化

編程時(shí)，對(duì)case值按照可能性排序，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switch語(yǔ)句塊的執(zhí)行速度。

循環(huán)體是程序優(yōu)化的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，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。

（五）查表代替計(jì)算

在程序中盡量不進(jìn)行非常復(fù)雜的運(yùn)算，如浮點(diǎn)數(shù)的開(kāi)方。對(duì)于這些消耗時(shí)間和資源的運(yùn)算，可以采用空間換取時(shí)間的方法。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，減小了程序執(zhí)行過(guò)程中重復(fù)計(jì)算的工作量。

四、結(jié)論

嵌入式系統(tǒng)中的程序往往需要滿足實(shí)時(shí)性的要求，而且受到存儲(chǔ)空間的限制，因此對(duì)嵌入式系統(tǒng)中的程序需要進(jìn)行反復(fù)的優(yōu)化。進(jìn)行程序的優(yōu)化可以從設(shè)計(jì)和編碼兩個(gè)方面入手。在設(shè)計(jì)階段，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，對(duì)類型反復(fù)地進(jìn)行歸納，盡量提高繼承程度。和在編碼階段，要在數(shù)據(jù)定義、功能代碼的編寫(xiě)等多個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，提高代碼的執(zhí)行效率。

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作者簡(jiǎn)介：

王月青，河北清河人，邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系講師，工學(xué)碩士，從事信息技術(shù)的教學(xué)和研究。