對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化,通常是指優(yōu)化程序代碼或程序執(zhí)行速度。優(yōu)化代碼和優(yōu)化速度實(shí)際上是一個(gè)予盾的統(tǒng)一,一般是優(yōu)化了代碼的尺寸,就會(huì)帶來執(zhí)行時(shí)間的增加,如果優(yōu)化了程序的執(zhí)行速度,通常會(huì)帶來代碼增加的副作用,很難魚與熊掌兼得,只能在設(shè)計(jì)時(shí)掌握一個(gè)平衡點(diǎn)。
一、程序結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
1、程序的書寫結(jié)構(gòu)
雖然書寫格式并不會(huì)影響生成的代碼質(zhì)量,但是在實(shí)際編寫程序時(shí)還是應(yīng)該尊循一定的書寫規(guī)則,一個(gè)書寫清晰、明了的程序,有利于以后的維護(hù)。在書寫程序時(shí),特別是對(duì)于While、for、do…while、if…elst、switch…case等語句或這些語句嵌套組合時(shí),應(yīng)采用“縮格”的書寫形式,

2、標(biāo)識(shí)符
程序中使用的用戶標(biāo)識(shí)符除要遵循標(biāo)識(shí)符的命名規(guī)則以外,一般不要用代數(shù)符號(hào)(如a、b、x1、y1)作為變量名,應(yīng)選取具有相關(guān)含義的英文單詞(或縮寫)或漢語拼音作為標(biāo)識(shí)符,以增加程序的可讀性,如：count、number1、red、work等。

3、程序結(jié)構(gòu)
C語言是一種高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言,提供了十分完備的規(guī)范化流程控制結(jié)構(gòu)。因此在采用C語言設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序時(shí),首先要注意盡可能采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法,這樣可使整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)清晰,便于調(diào)試和維護(hù)。于一個(gè)較大的應(yīng)用程序,通常將整個(gè)程序按功能分成若干個(gè)模塊,不同模塊完成不同的功能。各個(gè)模塊可以分別編寫,甚至還可以由不同的程序員編寫,一般單個(gè)模塊完成的功能較為簡單,設(shè)計(jì)和調(diào)試也相對(duì)容易一些。在C語言中,一個(gè)函數(shù)就可以認(rèn)為是一個(gè)模塊。所謂程序模塊化,不僅是要將整個(gè)程序劃分成若干個(gè)功能模塊,更重要的是,還應(yīng)該注意保持各個(gè)模塊之間變量的相對(duì)獨(dú)立性,即保持模塊的獨(dú)立性,盡量少使用全局變量等。對(duì)于一些常用的功能模塊,還可以封裝為一個(gè)應(yīng)用程序庫,以便需要時(shí)可以直接調(diào)用。但是在使用模塊化時(shí),如果將模塊分成太細(xì)太小,又會(huì)導(dǎo)致程序的執(zhí)行效率變低(進(jìn)入和退出一個(gè)函數(shù)時(shí)保護(hù)和恢復(fù)寄存器占用了一些時(shí)間)。

4、定義常數(shù)
在程序化設(shè)計(jì)過程中,對(duì)于經(jīng)常使用的一些常數(shù),如果將它直接寫到程序中去,一旦常數(shù)的數(shù)值發(fā)生變化,就必須逐個(gè)找出程序中所有的常數(shù),并逐一進(jìn)行修改,這樣必然會(huì)降低程序的可維護(hù)性。因此,應(yīng)盡量當(dāng)采用預(yù)處理命令方式來定義常數(shù),而且還可以避免輸入錯(cuò)誤。

5、減少判斷語句
能夠使用條件編譯(ifdef)的地方就使用條件編譯而不使用if語句,有利于減少編譯生成的代碼的長度。

6、表達(dá)式
對(duì)于一個(gè)表達(dá)式中各種運(yùn)算執(zhí)行的優(yōu)先順序不太明確或容易混淆的地方,應(yīng)當(dāng)采用圓括號(hào)明確指定它們的優(yōu)先順序。一個(gè)表達(dá)式通常不能寫得太復(fù)雜,如果表達(dá)式太復(fù)雜,時(shí)間久了以后,自己也不容易看得懂,不利于以后的維護(hù)。

7、函數(shù)
對(duì)于程序中的函數(shù),在使用之前,應(yīng)對(duì)函數(shù)的類型進(jìn)行說明,對(duì)函數(shù)類型的說明必須保證它與原來定義的函數(shù)類型一致,對(duì)于沒有參數(shù)和沒有返回值類型的函數(shù)應(yīng)加上“void”說明。如果果需要縮短代碼的長度,可以將程序中一些公共的程序段定義為函數(shù),在Keil中的高級(jí)別優(yōu)化就是這樣的。如果需要縮短程序的執(zhí)行時(shí)間,在程序調(diào)試結(jié)束后,將部分函數(shù)用宏定義來代替。注意,應(yīng)該在程序調(diào)試結(jié)束后再定義宏,因?yàn)榇蠖鄶?shù)編譯系統(tǒng)在宏展開之后才會(huì)報(bào)錯(cuò),這樣會(huì)增加排錯(cuò)的難度。

8、盡量少用全局變量,多用局部變量。因?yàn)槿肿兞渴欠旁跀?shù)據(jù)存儲(chǔ)器中,定義一個(gè)全局變量,MCU就少一個(gè)可以利用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間,如果定義了太多的全局變量,會(huì)導(dǎo)致編譯器無足夠的內(nèi)存可以分配。而局部變量大多定位于MCU內(nèi)部的寄存器中,在絕大多數(shù)MCU中,使用寄存器操作速度比數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器快,指令也更多更靈活,有利于生成質(zhì)量更高的代碼,而且局部變量所的占用的寄存器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在不同的模塊中可以重復(fù)利用。

9、設(shè)定合適的編譯程序選項(xiàng)
許多編譯程序有幾種不同的優(yōu)化選項(xiàng),在使用前應(yīng)理解各優(yōu)化選項(xiàng)的含義,然后選用最合適的一種優(yōu)化方式。通常情況下一旦選用最高級(jí)優(yōu)化,編譯程序會(huì)近乎病態(tài)地追求代碼優(yōu)化,可能會(huì)影響程序的正確性,導(dǎo)致程序運(yùn)行出錯(cuò)。因此應(yīng)熟悉所使用的編譯器,應(yīng)知道哪些參數(shù)在優(yōu)化時(shí)會(huì)受到影響,哪些參數(shù)不會(huì)受到影響。
在ICCAVR中,有“Default”和“Enable Code Compression”兩個(gè)優(yōu)化選項(xiàng)。
在CodeVisionAVR中,“Tiny”和“small”兩種內(nèi)存模式。
在IAR中,共有7種不同的內(nèi)存模式選項(xiàng)。
在GCCAVR中優(yōu)化選項(xiàng)更多,一不小心更容易選到不恰當(dāng)?shù)倪x項(xiàng)。

二、代碼的優(yōu)化

1、選擇合適的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
應(yīng)該熟悉算法語言,知道各種算法的優(yōu)缺點(diǎn),具體資料請(qǐng)參見相應(yīng)的參考資料,有很多計(jì)算機(jī)書籍上都有介紹。將比較慢的順序查找法用較快的二分查找或亂序查找法代替,插入排序或冒泡排序法用快速排序、合并排序或根排序代替,都可以大大提高程序執(zhí)行的效率。.選擇一種合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也很重要,比如你在一堆隨機(jī)存放的數(shù)中使用了大量的插入和刪除指令,那使用鏈表要快得多。
數(shù)組與指針具有十分密碼的關(guān)系,一般來說,指針比較靈活簡潔,而數(shù)組則比較直觀,容易理解。對(duì)于大部分的編譯器,使用指針比使用數(shù)組生成的代碼更短,執(zhí)行效率更高。但是在Keil中則相反,使用數(shù)組比使用的指針生成的代碼更短。

2、使用盡量小的數(shù)據(jù)類型
能夠使用字符型(char)定義的變量,就不要使用整型(int)變量來定義;能夠使用整型變量定義的變量就不要用長整型(long int),能不使用浮點(diǎn)型(float)變量就不要使用浮點(diǎn)型變量。當(dāng)然,在定義變量后不要超過變量的作用范圍,如果超過變量的范圍賦值,C編譯器并不報(bào)錯(cuò),但程序運(yùn)行結(jié)果卻錯(cuò)了,而且這樣的錯(cuò)誤很難發(fā)現(xiàn)。
在ICCAVR中,可以在Options中設(shè)定使用printf參數(shù),盡量使用基本型參數(shù)(%c、%d、%x、%X、%u和%s格式說明符),少用長整型參數(shù)(%ld、%lu、%lx和%lX格式說明符),至于浮點(diǎn)型的參數(shù)(%f)則盡量不要使用,其它C編譯器也一樣。在其它條件不變的情況下,使用%f參數(shù),會(huì)使生成的代碼的數(shù)量增加很多,執(zhí)行速度降低。

3、使用自加、自減指令
通常使用自加、自減指令和復(fù)合賦值表達(dá)式(如a-=1及a+=1等)都能夠生成高質(zhì)量的程序代碼,編譯器通常都能夠生成inc和dec之類的指令,而使用a=a+1或a=a-1之類的指令,有很多C編譯器都會(huì)生成二到三個(gè)字節(jié)的指令。在AVR單片適用的ICCAVR、GCCAVR、IAR等C編譯器以上幾種書寫方式生成的代碼是一樣的,也能夠生成高質(zhì)量的inc和dec之類的的代碼。

4、減少運(yùn)算的強(qiáng)度
可以使用運(yùn)算量小但功能相同的表達(dá)式替換原來復(fù)雜的的表達(dá)式。如下：
(1)、求余運(yùn)算。
a=a%8;
可以改為：
a=a&7;
說明：位操作只需一個(gè)指令周期即可完成,而大部分的C編譯器的“%”運(yùn)算均是調(diào)用子程序來完成,代碼長、執(zhí)行速度慢。通常,只要求是求2n方的余數(shù),均可使用位操作的方法來代替。

(2)、平方運(yùn)算
a=pow(a,2.0);
可以改為：
a=a*a;
說明：在有內(nèi)置硬件乘法器的單片機(jī)中(如51系列),乘法運(yùn)算比求平方運(yùn)算快得多,因?yàn)楦↑c(diǎn)數(shù)的求平方是通過調(diào)用子程序來實(shí)現(xiàn)的,在自帶硬件乘法器的AVR單片機(jī)中,如ATMega163中,乘法運(yùn)算只需2個(gè)時(shí)鐘周期就可以完成。既使是在沒有內(nèi)置硬件乘法器的AVR單片機(jī)中,乘法運(yùn)算的子程序比平方運(yùn)算的子程序代碼短,執(zhí)行速度快。
如果是求3次方,如：
a=pow(a,3.0);
更改為：
a=a*a*a;
則效率的改善更明顯。

(3)、用移位實(shí)現(xiàn)乘除法運(yùn)算
a=a*4;
b=b/4;
可以改為：
a=a<<2;
b=b>>2;
說明：通常如果需要乘以或除以2n,都可以用移位的方法代替。在ICCAVR中,如果乘以2n,都可以生成左移的代碼,而乘以其它的整數(shù)或除以任何數(shù),均調(diào)用乘除法子程序。用移位的方法得到代碼比調(diào)用乘除法子程序生成的代碼效率高。實(shí)際上,只要是乘以或除以一個(gè)整數(shù),均可以用移位的方法得到結(jié)果,如：
a=a*9
可以改為：
a=(a<<3)+a

5、循環(huán)
(1)、循環(huán)語
對(duì)于一些不需要循環(huán)變量參加運(yùn)算的任務(wù)可以把它們放到循環(huán)外面,這里的任務(wù)包括表達(dá)式、函數(shù)的調(diào)用、指針運(yùn)算、數(shù)組訪問等,應(yīng)該將沒有必要執(zhí)行多次的操作全部集合在一起,放到一個(gè)init的初始化程序中進(jìn)行。

(2)、延時(shí)函數(shù)：
通常使用的延時(shí)函數(shù)均采用自加的形式：
void delay (void)
{
unsigned int i;
for (i=0;i<1000;i++)
;
}
將其改為自減延時(shí)函數(shù)：
void delay (void)
{
unsigned int i;
for (i=1000;--i;)
;
}
兩個(gè)函數(shù)的延時(shí)效果相似,但幾乎所有的C編譯對(duì)后一種函數(shù)生成的代碼均比前一種代碼少1~3個(gè)字節(jié),因?yàn)閹缀跛械腗CU均有為0轉(zhuǎn)移的指令,采用后一種方式能夠生成這類指令。
在使用while循環(huán)時(shí)也一樣,使用自減指令控制循環(huán)會(huì)比使用自加指令控制循環(huán)生成的代碼更少1~3個(gè)字母。
但是在循環(huán)中有通過循環(huán)變量“i”讀寫數(shù)組的指令時(shí),使用預(yù)減循環(huán)時(shí)有可能使數(shù)組超界,要引起注意。

(3)while循環(huán)和do…while循環(huán)
用while循環(huán)時(shí)有以下兩種循環(huán)形式：
unsigned int i;
i=0;
while (i<1000)
{
i++;
//用戶程序
}
或：
unsigned int i;
i=1000;
do
i--;
//用戶程序
while (i>0);
在這兩種循環(huán)中,使用do…while循環(huán)編譯后生成的代碼的長度短于while循環(huán)。

6、查表
在程序中一般不進(jìn)行非常復(fù)雜的運(yùn)算,如浮點(diǎn)數(shù)的乘除及開方等,以及一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型的插補(bǔ)運(yùn)算,對(duì)這些即消耗時(shí)間又消費(fèi)資源的運(yùn)算,應(yīng)盡量使用查表的方式,并且將數(shù)據(jù)表置于程序存儲(chǔ)區(qū)。如果直接生成所需的表比較困難,也盡量在啟動(dòng)時(shí)先計(jì)算,然后在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中生成所需的表,后以在程序運(yùn)行直接查表就可以了,減少了程序執(zhí)行過程中重復(fù)計(jì)算的工作量。