淺談51單片機(jī)內(nèi)存優(yōu)化
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對(duì) 51 單片機(jī)內(nèi)存的認(rèn)識(shí)，很多人有誤解，最常見(jiàn)的是以下兩種：
① 超過(guò)變量128后必須使用compact模式編譯
實(shí)際的情況是只要內(nèi)存占用量不超過(guò) 256.0 就可以用 small 模式編譯
② 128以上的某些地址為特殊寄存器使用，不能給程序用
與 PC 機(jī)不同，51 單片機(jī)不使用線性編址，特殊寄存器與 RAM 使用重復(fù)的重復(fù)的地址。但訪問(wèn)時(shí)采用不同的指令，所以并不會(huì)占用 RAM 空間。
由于內(nèi)存比較小，一般要進(jìn)行內(nèi)存優(yōu)化，盡量提高內(nèi)存的使用效率。
以 Keil C 編譯器為例，small 模式下未指存儲(chǔ)類型的變量默認(rèn)為data型，即直接尋址，只能訪問(wèn)低 128 個(gè)字節(jié)，但這 128 個(gè)字節(jié)也不是全為我們的程序所用，寄存器 R0-R7必須映射到低RAM，要占去 8 個(gè)字節(jié)，如果使用寄存組切換，占用的更多。
所以可以使用 data 區(qū)最大為 120 字節(jié)，超出 120 個(gè)字節(jié)則必須用 idata 顯式的指定為間接尋址，另外堆棧至少要占用一個(gè)字節(jié)，所以極限情況下可以定義的變量可占 247 個(gè)字節(jié)。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中堆棧為一個(gè)字節(jié)肯定是不夠用的，但如果嵌套調(diào)用層數(shù)不深，有十幾個(gè)字節(jié)也夠有了。
為了驗(yàn)上面的觀點(diǎn)，寫了個(gè)例子
#define LEN 120
data UCHAR tt1[LEN];
idata UCHAR tt2[127];
void main()
{
UCHAR i,j;
for(i = 0; i < LEN; ++i )
{
j = i;
tt1[j] = 0x55;
}
}
可以計(jì)算 R0-7(8) + tt1(120) + tt2(127) + SP(1) 總共 256 個(gè)字節(jié)
keil 編譯的結(jié)果如下：
Program Size: data=256.0 xdata=0 code=30
creating hex file from "./Debug/Test"...
"./Debug/Test" - 0 Error(s), 0 Warning(s).
(測(cè)試環(huán)境為 XP + Keil C 7.5)
這段代碼已經(jīng)達(dá)到了內(nèi)存分配的極限，再定義任何全局變量或?qū)?shù)組加大，編譯都會(huì)報(bào)錯(cuò) 107
這里要引出一個(gè)問(wèn)題：為什么變量 i、j 不計(jì)算在內(nèi)?
這是因?yàn)?i、j 是局部變量，編譯器會(huì)試著將其優(yōu)化到寄存器 Rx 或棧。問(wèn)題也就在這了，如果局部變量過(guò)多或定義了局部數(shù)組，編譯器無(wú)法將其優(yōu)化，就必須使用 RAM 空間，雖然全局變量的分配經(jīng)過(guò)精心計(jì)算沒(méi)有超出使用范圍，仍會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存溢出的錯(cuò)誤!
而編譯器是否能成功的優(yōu)化變量是根據(jù)代碼來(lái)的
上面的代碼中，循環(huán)是臃腫的，變量 j 完全不必要，那么將代碼改成
UCHAR i;
UCHAR j;
for(i = 0; i < LEN; ++i )
{
tt1[i] = 0x55;
}
再編譯看看，出錯(cuò)了吧!
因?yàn)榫幾g器不知道該如何使用 j，所以沒(méi)能優(yōu)化，j 須占 RAM 空間，RAM 就溢出了。
(智能一點(diǎn)的編譯器會(huì)自動(dòng)將這個(gè)無(wú)用的變量去掉，但這個(gè)不在討論之列了)
另外，對(duì) idata 的定義的變量最好放在 data 變量之后
對(duì)于這一種定義
uchar c1;
idata uchar c2;
uchar c3;
變量 c2 肯定會(huì)以間接尋址，但它有可能落在 data 區(qū)域，就浪費(fèi)了一個(gè)可直接尋址的空間
變量?jī)?yōu)化一般要注意幾點(diǎn):
①讓盡可能多的變量使用直接尋址，提高速度
假如有兩個(gè)單字節(jié)的變量，一個(gè)長(zhǎng)119的字符型數(shù)組
因?yàn)榭傞L(zhǎng)超過(guò) 120 字節(jié)，不可能都定義在 data 區(qū)
按這條原則，定義的方式如下:
data UCHAR tab[119];
data UCAHR c1;
idata UCHaR c2;
但也不是絕的，如果 c1, c2 需要以極高的頻率訪問(wèn)，而 tab 訪問(wèn)不那么頻繁
則應(yīng)該讓訪問(wèn)量大的變量使用直接尋址：
data UCAHR c1;
data UCHaR c2;
idata UCHAR tab[119];
這個(gè)是要根據(jù)具體項(xiàng)目需求來(lái)確定的
②提高內(nèi)存的重復(fù)利用率
就是盡可能的利用局部變量，局部變量還有個(gè)好處是訪問(wèn)速度比較快
由前面的例子可以看出，局部變量 i, j 是沒(méi)有單獨(dú)占用內(nèi)存的
子程序中使用內(nèi)存數(shù)目不大的變量盡量定義為局部變量
③對(duì)于指針數(shù)組的定義，盡可能指明存儲(chǔ)類型
盡量使用無(wú)符號(hào)類型變量
一般指針需要一個(gè)字節(jié)額外的字節(jié)指明存儲(chǔ)類型
8051 系列本身不支持符號(hào)數(shù)，需要外加庫(kù)來(lái)處理符號(hào)數(shù)，一是大大降低程序運(yùn)行效率，二是需要額外的內(nèi)存
④避免出現(xiàn)內(nèi)存空洞
可以通過(guò)查看編譯器輸出符號(hào)表文件(.M51)查看
對(duì)前面的代碼，M51文件中關(guān)于內(nèi)存一節(jié)如下：
* * * * * * * D A T A M E M O R Y * * * * * * *
REG 0000H 0008H ABSOLUTE "REG BANK 0"
DATA 0008H 0078H UNIT ?DT?TEST
IDATA 0080H 007FH UNIT ?ID?TEST
IDATA 00FFH 0001H UNIT ?STACK
第一行顯示寄存器組0從地址0000H開(kāi)始，占用0008H個(gè)字節(jié)
第二行顯示DATA區(qū)變量從0008H開(kāi)始，占用0078H個(gè)字節(jié)
第三行顯示IDATA區(qū)變量從0080H開(kāi)始，占用007F個(gè)字節(jié)
第四行顯示堆棧從00FFH開(kāi)始，占0001H個(gè)字節(jié)
由于前面代碼中變量定義比較簡(jiǎn)單，且連續(xù)用完了所有空間，所以這里顯示比較簡(jiǎn)單
變量定義較多時(shí)，這里會(huì)有很多行
如果全局變量與局部變量分配不合理，就有可能出現(xiàn)類似下面的行
0010H 0012H *** GAP ***
該行表示從0010H開(kāi)始連續(xù)0012H個(gè)字節(jié)未充分利用或根本未用到
出現(xiàn)這種情況最常見(jiàn)的原因是局變量太多、多個(gè)子程序中的局部變量數(shù)目差異太大、使用了寄存器切換但未充分利用。
擴(kuò)展閱讀：EEPROM的幾種保護(hù)方法
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