基于TI公司的CCSV3.3集成開發(fā)環(huán)境下軟件優(yōu)化配置的研究

王銳

【摘 ?要】介紹了德州儀器公司（TI）Code Composer Studio V3.3（CCS V3.3）環(huán)境下軟件優(yōu)化配置的方法，在相同環(huán)境下，通過比較燒注了調(diào)試版（Debug）和發(fā)布版（Release）目標(biāo)碼的設(shè)備運行時在正確性、信號輸出和執(zhí)行速度等指標(biāo)方面的差別，提出發(fā)布版使用中的一些建議。

【關(guān)鍵詞】調(diào)試版;發(fā)布版;程序優(yōu)化;執(zhí)行速度

中圖分類號：文獻標(biāo)識碼：A

TI公司的數(shù)字信號處理器集成開發(fā)環(huán)境CCS V3.3具有生成調(diào)試版（Debug）和發(fā)布版（Release）目標(biāo)碼的功能，在多數(shù)情況下嵌入式產(chǎn)品燒注的目標(biāo)碼均為調(diào)試版，該版本目標(biāo)碼保留有調(diào)試信息且未經(jīng)過編譯器優(yōu)化，會影響程序執(zhí)行效率和存儲空間利用率。發(fā)布版可以刪除調(diào)試信息并使用不同的優(yōu)化層級來對代碼進行優(yōu)化，使軟件執(zhí)行效率和存儲空間利用率得到一定的提升。

本文從開發(fā)環(huán)境優(yōu)化工具介紹入手，一步步展開論述，引入了優(yōu)化效果判定指標(biāo)，設(shè)計了多種優(yōu)化配置方案，并依據(jù)判定指標(biāo)對不同方案的優(yōu)化效果進行了測試，得到了完整的測試數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的比較和分析，得出最優(yōu)配置方案，并給出了不同類型工程下的優(yōu)化配置建議。

1 軟件優(yōu)化工具介紹

軟件開發(fā)環(huán)境為TI公司的CCS3.3集成開發(fā)環(huán)境，該環(huán)境適用于TMS320F2812 數(shù)字信號處理器。針對該DSP的硬件初始化配置略。

軟件優(yōu)化工具為CCS 3.3 中內(nèi)嵌的C Compiler優(yōu)化器，該工具支持使用ANSI 標(biāo)準(zhǔn)的C語言編寫的軟件代碼。

C Compiler優(yōu)化器包含一個可提高代碼執(zhí)行速度和減少程序占用空間的優(yōu)化程序，該優(yōu)化程序通過使用簡化路徑、開啟軟件流水線、調(diào)整聲明和表達式位置和將變量分配進寄存器等的操作來實現(xiàn)對代碼的優(yōu)化。

1.1 編譯流程

編譯過程分為三步：

a）分析器對代碼進行分析，完成對源文件的預(yù)處理和語法檢查，生成編譯器內(nèi)部識別的.if后綴的文件;

b）優(yōu)化器作為一個可選的路徑運行在解析器和代碼生成器之間，優(yōu)化器的輸入為.if文件，當(dāng)啟用優(yōu)化器并完成優(yōu)化配置后，優(yōu)化器會對.if文件進行優(yōu)化并生成與.if文件格式相同但更高效的的文件，稱為.opt文件;

c）代碼生成器將輸入的.if文件或.opt文件轉(zhuǎn)化為匯編語言源文件（.asm）。

1.2 優(yōu)化選項介紹

對于TEST.pjt工程，未使用嵌入式實時操作系統(tǒng)RTS/BIOS，使用的編程語言僅為C語言，因此影響程序優(yōu)化的選項為Basic選項，其它后續(xù)選項設(shè)置為默認值即可。Basic選項詳細內(nèi)容見表1。

2 示例工程介紹

作為示例工程的TEST.pjt，為嵌入式軟件，燒注于TI公司的TMS320F2812型數(shù)字信號處理器（DSP）硬件平臺。軟件主要實現(xiàn)大氣壓力采集及大氣參數(shù)解算。

3 優(yōu)化效果判定指標(biāo)

在工程實際應(yīng)用中，設(shè)備功能的正確實現(xiàn)是根本，然后再兼顧程序運行效率和空間占有率等指標(biāo)，做到“正確優(yōu)先，兼顧效率”。

為了對優(yōu)化的效果作出合理判定，在程序運行正確性、運行時間和生成的目標(biāo)文件大小等方面進行分析，確定了TEST.pjt工程中以下4個方面的指標(biāo)作為優(yōu)化效果判定依據(jù)。

3.1 壓力數(shù)據(jù)解算正確性及壓力有效性

3.1.1壓力數(shù)據(jù)解算正確性

壓力數(shù)據(jù)的解算是具有代表性的程序運行過程，它包含了對硬件及外設(shè)的操作、邏輯和數(shù)值運算等方面內(nèi)容，可以作為軟件執(zhí)行正確性的判定標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.2壓力有效性

壓力有效性的判定原理是通過對與壓力數(shù)據(jù)解算有關(guān)數(shù)據(jù)的判斷，以確定計算出的壓力數(shù)據(jù)是否有效可用。可作為壓力數(shù)據(jù)解算正確性判定的有效補充。

3.2 延時函數(shù)耗時

延時函數(shù)在工程中起到延時的作用，對延時函數(shù)耗時的測量可以直觀看出在不同優(yōu)化環(huán)境下單位行數(shù)的代碼的執(zhí)行速度。

3.3 定時中斷服務(wù)函數(shù)耗時

定時中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的主要功能，通過對不同優(yōu)化配置項下該程序運行時間的比較，可反映出軟件執(zhí)行速度的差異。

3.4 可執(zhí)行目標(biāo)文件大小

可執(zhí)行目標(biāo)文件是指燒寫進硬件平臺的嵌入式軟件最終格式，其大小可體現(xiàn)出在空間上的優(yōu)化的差異。

4 優(yōu)化配置方案介紹及驗證

根據(jù)工作中不同情況下軟件工作的特點，確立了兩種優(yōu)化配置方案，并依據(jù)第3章的判定指標(biāo)對不同方案進行測試和分析，兩種方案如下：

a）不改變軟件，配置優(yōu)化器;

b）調(diào)整軟件結(jié)構(gòu)，配置優(yōu)化器。

4.1 不改變軟件，配置優(yōu)化器

4.1.1配置原則

不對工程中代碼做出調(diào)整，在項目級對編譯器進行優(yōu)化配置。

4.1.2優(yōu)化效果判定及比較

選取三種優(yōu)化配置方法進行比較分析，三種優(yōu)化配置方法為：

a）禁止使用調(diào)試信息且未使能優(yōu)化（NoDebug+None）;

b）禁止使用調(diào)試信息且使能了寄存器級優(yōu)化（NoDebug+o0）;

c）禁止使用調(diào)試信息且使能了本地級優(yōu)化（NoDebug+o1）。

將已通過功能測試且工作正常的配置方法作為參照組。參照組的配置方法為使用調(diào)試信息且未使能優(yōu)化（Debug+None）。

依據(jù)優(yōu)化判定指標(biāo)，對上述所列每種優(yōu)化配置方法進行多次測量并取平均值后得到測試結(jié)果，見表2。

4.1.3小結(jié)

在保證程序正確運行的前提下，本優(yōu)化配置方案至多可實現(xiàn)寄存器級的優(yōu)化。優(yōu)化后程序的運行效率提高，生成的可執(zhí)行目標(biāo)文件所占空間減小。

因方法二中延時函數(shù)耗時減少較多，會造成延時時長少于設(shè)計值，在不對程序作出調(diào)整的前提下，與延時相關(guān)的數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)異常。因此，確定方法一為本方案最優(yōu)配置方法。

4.2 調(diào)整軟件結(jié)構(gòu)，配置優(yōu)化器

4.2.1軟件結(jié)構(gòu)調(diào)整原則

對軟件工程的結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，調(diào)整依據(jù)以下原則進行。

a）對工程中的函數(shù)按照功能進行劃分，形成不同的功能模塊文件，力求做到工程結(jié)構(gòu)合理，層次清晰;

b）隨著優(yōu)化層級的加深，工程中存在對硬件操作的函數(shù)、對外設(shè)操作的函數(shù)、中斷函數(shù)以及包含內(nèi)聯(lián)匯編的函數(shù)在運行時會出現(xiàn)代碼執(zhí)行速度與硬件不匹配的錯誤。為了避免此類錯誤發(fā)生，將上述類型函數(shù)與工程中其它函數(shù)分離開來，以便后續(xù)單獨對其實施優(yōu)化配置。

4.2.2軟件結(jié)構(gòu)調(diào)整及優(yōu)化器配置

TEST.pjt工程的源文件（僅含C、匯編和CMD文件）結(jié)構(gòu)樹如圖1所示。

依據(jù)4.3.1節(jié)要求對TEST工程進行結(jié)構(gòu)調(diào)整，將原工程中的TEST.c文件按照功能分解為多個C文件，在TEST.c文件中僅保留4.3.1節(jié)b）條所述函數(shù)，調(diào)整后的工程源文件結(jié)構(gòu)樹如圖2所示。

工程結(jié)構(gòu)調(diào)整完成后，對工程中每個源文件進行單獨優(yōu)化配置成為可能。

除TEST.c外的其它c文件主要用于數(shù)據(jù)解算和邏輯判斷，不涉及對硬件的操作、內(nèi)聯(lián)匯編及中斷，可將此類C文件的優(yōu)化等級直接配置為文件級（-o3），對TEST.c文件，將該文件配置為不產(chǎn)生調(diào)試信息模式（NoDebug），具體優(yōu)化器配置見4.3.3節(jié)。

4.2.3優(yōu)化效果判定及比較

選取四種優(yōu)化配置方法進行比較分析，具體方法及配置如下：

a）TEST.C未使能優(yōu)化（None），剩余C文件使能文件級優(yōu)化（o3）;

b）TEST.C使能寄存器級優(yōu)化（o0），剩余C文件使能文件級優(yōu)化（o3）;

c）TEST.C使能本地級優(yōu)化（o1），剩余C文件使能文件級優(yōu)化（o3）。

將所有文件配置為使用調(diào)試信息且未使能優(yōu)化（Debug+None）作為參照組，參照組已通過功能測試且工作正常。

測試結(jié)果見表4。

4.2.4小結(jié)

本方案雖然可以保證方法三的正確性，但由于延時函數(shù)耗時測試中方法二和方法三表現(xiàn)異常（優(yōu)化層級加深延時函數(shù)耗時反而變長），因此，確定方法一為本方案最優(yōu)配置方法。

5 優(yōu)化配置總結(jié)

通過第4章的測試及分析得出了每種優(yōu)化配置方案下的最優(yōu)配置方法，為了在最優(yōu)配置方法之間進行比較，需要對測試項設(shè)置權(quán)重，通過加權(quán)計算出最優(yōu)配置方法，各測試項目的權(quán)重設(shè)置如下：

a）各方法均通過了3.1節(jié)測試，不對該項測試設(shè)置權(quán)重;

b）延時函數(shù)耗時除了在方案一方法一中增大外，在剩下兩種方法中均有減小，說明優(yōu)化會加快代碼執(zhí)行速度，該項權(quán)重應(yīng)適當(dāng)分配，分配為0.20;

c）各方法下定時中斷服務(wù)程序耗時均有不同程度減少，軟件的主要功能在定時中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)，定時中斷服務(wù)程序耗時長短可以直觀反映出程序運行效率的優(yōu)劣，權(quán)重值應(yīng)較大，分配為0.55;

d）各方法下生成的目標(biāo)文件大小均有較大程度減小，體現(xiàn)出優(yōu)化在空間上的作用明顯，該項的權(quán)重應(yīng)給予適當(dāng)分配，分配為0.25。

將兩種最優(yōu)配置方法的測試結(jié)果列表，依據(jù)權(quán)重計算出加權(quán)平均值，形成配置方法對比表，詳見表5。

通過表5可以得出如下結(jié)論：

方案二方法一的加權(quán)平均值最高，特別是定時終端服務(wù)程序耗時一項，較參照組減少了9.13%，為最優(yōu)配置方法，但其對原有代碼結(jié)構(gòu)改動較大，適用于新研項目。

方案一方法一的加權(quán)平均值最低，優(yōu)化效果雖然不及之前兩種方法，但該方法不修改代碼，適用于產(chǎn)品已定型或已完成軟件定型測評的項目。

參考文獻：

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[4]顧衛(wèi)鋼.手把手教你學(xué)DSP——基于TMS320X281x.北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2011.4

（作者單位：太原航空儀表有限公司）