單片機程序該如何優(yōu)化？一文為你指明道路！
[導(dǎo)讀]對程序進行優(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)化速度實際上是一個予盾的統(tǒng)一。一般是優(yōu)化了代碼的尺寸，就會帶來執(zhí)行時間的增加；如果優(yōu)化了程序的執(zhí)行速度，通常會帶來代碼增加的副作用。很難魚與熊掌兼得，只能在設(shè)計時掌握一個平衡點
01
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影響生成的代碼質(zhì)量，但是在實際編寫程序時還是應(yīng)該尊循一定的書寫規(guī)則，一個書寫清晰、明了的程序，有利于以后的維護。在書寫程序時，特別是對于While、for、do…while、if…else、switch…case 等語句或這些語句嵌套組合時，應(yīng)采用“縮格”的書寫形式。
2、標識符
程序中使用的用戶標識符除要遵循標識符的命名規(guī)則以外，一般不要用代數(shù)符號(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)或漢語拼音作為標識符，以增加程序的可讀性，如：count、number1、red、work 等。
3、程序結(jié)構(gòu)
C 語言是一種高級程序設(shè)計語言，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)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)程序時，首先要注意盡可能采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法，這樣可使整個應(yīng)用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和維護。
對于一個較大的應(yīng)用程序，通常將整個程序按功能分成若干個模塊，不同模塊完成不同的功能。各個模塊可以分別編寫，甚至還可以由不同的程序員編寫，一般單個模塊完成的功能較為簡單，設(shè)計和調(diào)試也相對容易一些。在C 語言中，一個函數(shù)就可以認為是一個模塊。
4、定義常數(shù)
在程序化設(shè)計過程中，對于經(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，就必須逐個找出程序中所有的常數(shù)，并逐一進行修改，這樣必然會降低程序的可維護性。因此，應(yīng)盡量當采用預(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、表達式
7、函數(shù)
對于程序中的函數(shù)，在使用之前，應(yīng)對函數(shù)的類型進行說明，對函數(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)。如果需要縮短程序的執(zhí)行時間，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，因為大多數(shù)編譯系統(tǒng)在宏展開之后才會報錯，這樣會增加排錯的難度。
8、盡量少用全局變量，多用局部變量
因為全局變量是放在數(shù)據(jù)存儲器中，定義一個全局變量，MCU 就少一個可以利用的數(shù)據(jù)存儲器空間，如果定義了太多的全局變量，會導(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
許多編譯程序有幾種不同的優(yōu)化選項，在使用前應(yīng)理解各優(yōu)化選項的含義，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優(yōu)化，編譯程序會近乎病態(tài)地追求代碼優(yōu)化，可能會影響程序的正確性，導(dǎo)致程序運行出錯。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)化時會受到影響，哪些參數(shù)不會受到影響。
02
代碼的優(yōu)化
1、選擇合適的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
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)，能不使用浮點型(float)變量就不要使用浮點型變量。當然，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 編譯器并不報錯，但程序運行結(jié)果卻錯了，而且這樣的錯誤很難發(fā)現(xiàn)。
通常使用自加、自減指令和復(fù)合賦值表達式(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 編譯器都會生成2~3個字節(jié)的指令。
4、減少運算的強度
可以使用運算量小但功能相同的表達式替換原來復(fù)雜的的表達式。如下：
(1)求余運算
a=a%8;
可以改為：
a=a&7;
說明：位操作只需一個指令周期即可完成，而大部分的C 編譯器的“%”運算均是調(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)平方運算
可以改為：
a=a*a;
說明：在有內(nèi)置硬件乘法器的單片機中(如51 系列)，乘法運算比求平方運算快得多，因為浮點數(shù)的求平方是通過調(diào)用子程序來實現(xiàn)的，在自帶硬件乘法器的AVR 單片機中，如ATMega163 中，乘法運算只需2 個時鐘周期就可以完成。既使是在沒有內(nèi)置硬件乘法器的AVR單片機中，乘法運算的子程序比平方運算的子程序代碼短，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)用移位實現(xiàn)乘除法運算
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。實際上，只要是乘以或除以一個整數(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
對于一些不需要循環(huán)變量參加運算的任務(wù)可以把它們放到循環(huán)外面，這里的任務(wù)包括表達式、函數(shù)的調(diào)用、指針運算、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init 的初始化程序中進行。
(2)延時函數(shù)
通常使用的延時函數(shù)均采用自加的形式：
void delay (void){unsigned int i;for (i=0;i<1000;i++); }將其改為自減延時函數(shù)：void delay (void){unsigned int i;for (i=1000;i>0;i--); }
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，使用預(yù)減循環(huán)時有可能使數(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
在程序中一般不進行非常復(fù)雜的運算，如浮點數(shù)的乘除及開方等，以及一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型的插補運算，對這些即消耗時間又消費資源的運算，應(yīng)盡量使用查表的方式，并且將數(shù)據(jù)表置于程序存儲區(qū)。如果直接生成所需的表比較困難，也盡量在啟動時先計算，然后在數(shù)據(jù)存儲器中生成所需的表，后以在程序運行直接查表就可以了，減少了程序執(zhí)行過程中重復(fù)計算的工作量。
7、其它
比如使用在線匯編及將字符串和一些常量保存在程序存儲器中，均有利于優(yōu)化。
03
乘除法優(yōu)化
單片機中的乘法是二進制的乘法，也就是把乘數(shù)的各個位與被乘數(shù)相乘，然后再相加得出，因為乘數(shù)和被乘數(shù)都是二進制，所以實際編程時每一步的乘法可以用移位實現(xiàn)。
1、清空乘積R1R0；
以上例子運算結(jié)果：
R1R0 = R3 * R4= (R4<<6)+(R4<<5)+(R4<<3)+(R4<<2)+R4 = 101001111100001
實際運算流程圖見圖1.1。
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匯編語言最接近機器語言的。在匯編語言中可以直接操作寄存器，調(diào)整指令執(zhí)行順序。由于匯編語言直接面對硬件平臺，而不同的硬件平臺的指令集及指令周期均有較大差異，這樣會對程序的移植和維護造成一定的不便，所以我們針對精簡指令集做了乘法運算的例程，便于大家的移植和理解。
單片機中的除法也是二進制的除法，和現(xiàn)實中數(shù)學(xué)的除法類似，是從被除數(shù)的高位開始，按位對除數(shù)進行相處取余的運算，得出的余數(shù)再和之后的被除數(shù)一起再進行新的相除取余的運算，直到除不盡為止，因為單片機中的除法是二進制的，每個步驟除出來的商最大只有1，所以我們實際編程時可以把每一步的除法看作減法運算。
以上例子運算結(jié)果 R1R0 = R3R4 / R5 = 100001001
實際運算流程圖見圖2.1。
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