本章將幫助讀者在ARM處理器上編寫高效的C代碼。本章涉及的一些技術不僅適用于ARM處理器，也適用于其他RISC處理器。本章首先從ARM編譯器及其優(yōu)化入手，講解C編譯器在優(yōu)化代碼時所碰到的一些問題。理解這些問題，將有助于編寫出在提高執(zhí)行速度和減少代碼尺寸方面更高效的C源代碼。

本章假定讀者熟悉C語言，并且有一些匯編語言編程方面的知識。有關ARM編程的詳細信息，請參閱本書的相關章節(jié)。

本章主要講解C編譯器在代碼優(yōu)化時遇到的一些問題。要編寫高效的C語言源代碼，必須了解C編譯器對什么形式的代碼有所改動，編譯器涉及的處理器結(jié)構(gòu)的限制，以及一些特殊的C編譯器的限制。

在編譯C源文件時，必須為編譯器指定正確的處理器類型。這樣可以使編譯的代碼最大限度地利用處理器的硬件結(jié)構(gòu)，如對半字加載（HalfwordLoad）、存儲指令（StoreInstructions）和指令調(diào)度（InstructionScheduling）的支持。所以編譯程序時，應該盡量準確地告訴編譯器該代碼是運行在什么類型的處理器上。有些處理器類型編譯器是不能直接支持，如SA-1100，這時可以使用與該類型處理器為同一指令集的基本處理器，比如對于SA-100，可以使用StrongARM。

注意

指定目標處理器可能使代碼與其他ARM處理器不兼容。例如，編譯時指定了ARMv6體系結(jié)構(gòu)的代碼，可能不能運行在ARM920T的處理器上（如果代碼中使用了ARMv6體系結(jié)構(gòu)中特有的指令）。

選擇處理器類型可以使用--cpuname編譯選項。該選項生成用于特定ARM處理器或體系結(jié)構(gòu)的代碼。

如果name是處理器名稱。

·輸入名稱必須和ARM數(shù)據(jù)表中所示嚴格一致，例如ARM7TDMI。該選項不接受通配符字符。有效值是任何ARM6或更高版本的ARM處理器。

·選擇處理器操作會選擇適當?shù)捏w系結(jié)構(gòu)、浮點單元(FPU)以及存儲結(jié)構(gòu)。

·某些--cpu選擇暗含--fpu選擇。例如，當使用--arm選項編譯時，--cpuARM1136JF-S暗含--fpuvfpv2。隱式FPU只覆蓋命令行上出現(xiàn)在--cpu選項前面的顯式--fpu選項。如果沒有指定--fpu選項和--cpu選項，則使用--fpusoftvfp。

如果在編譯C源程序時，設置了調(diào)試選項，這將很大程度地影響最終代碼的大小和執(zhí)行效率。因為帶調(diào)試信息的代碼映像，為了能夠在調(diào)試程序時正確地顯示變量或設置斷點，包含很多冗余的代碼和數(shù)據(jù)。所以如果想最大限度地提供程序執(zhí)行效率、減少代碼尺寸，就要在編譯源文件時，去除編譯器的調(diào)試選項。

以下選項指定調(diào)試表生成方法。

·-g（--debug）：該選項啟用生成當前編譯的調(diào)試表。無論是否使用-g選項，編譯器都生成的代碼是相同的。惟一差別是調(diào)試表的存在與否。編譯器是否對代碼進行優(yōu)化是由-O選項指定調(diào)的。默認情況下，使用-g選項等價于使用：-g-dwarf2--debug_macros。

注意

編譯程序時，只使用-g選項而沒有使用優(yōu)化選項，編譯器會提示警告信息。

·--no_debug：該選項禁止生成當前編譯的調(diào)試表。這是默認選項。

·--no_debug_macros：當與-g一起使用時，該選項禁止生成預處理程序宏定義的調(diào)試表條目（Entry）。這會減小調(diào)試映像的大小。-gt-p是-gtp的同義字。

--debug_macros當與-g一起使用時，該選項啟用生成預處理程序宏定義的調(diào)試表條目。這是默認選項，會增加調(diào)試映像的大小。一些調(diào)試程序忽略預處理程序條目。

使用-Onum選擇編譯器的優(yōu)化級別。優(yōu)化級別分別為。

·-O0：除一些簡單的代碼編號之外，關閉所有優(yōu)化。使用該編譯選項可以提供最直接的優(yōu)化信息。

·-O1：關閉嚴重影響調(diào)試效果的優(yōu)化功能。使用該編譯選項，編譯器會移除程序中未使用到的內(nèi)聯(lián)函數(shù)和靜態(tài)函數(shù)。如果與--debug一起使用，該選項可以在較好的代碼密度下，給出最佳調(diào)試視圖。

·-O2：生成充分優(yōu)化代碼。如果與--debug一起使用，調(diào)試效果可能不令人滿意，因為目標代碼到源代碼的映射可能因為代碼優(yōu)化而發(fā)生變化。

如果不生成調(diào)試表，這是默認優(yōu)化級別。

·-O3：最高優(yōu)化級別。使用該優(yōu)化級別，使生成的代碼在時間和空間上尋求平衡。該選項常和-Ospace和-Otime配合使用。

·-O3–Otime：使用該選項編譯的代碼比-O2–Otime選項編譯的代碼，在執(zhí)行速度上要快，但占用的空間也更大。

·-O3-Ospace：產(chǎn)生的代碼比使用-O2-Ospace選項產(chǎn)生的代碼尺寸小，但執(zhí)行效率可能會差。

如果要使編譯的代碼更側(cè)重于代碼的尺寸或執(zhí)行效率（兩者往往不可兼得），可以使用下面的編譯選項。

·-Ospace：指示編譯程序執(zhí)行優(yōu)化，以延長執(zhí)行時間為代價減小映像大小。例如，由外部函數(shù)調(diào)用代替內(nèi)聯(lián)函數(shù)。如果代碼大小比性能更重要，則使用該選項。這是編譯器的默認設置。

·-Otime：指示編譯程序執(zhí)行優(yōu)化，以增大映像大小為代價縮短執(zhí)行時間。如果執(zhí)行時間比代碼大小更重要，則使用該選項。例如，它編譯：

while(expression)body;

為：

if(expression){

dobody;

while(expression);

}

如果既不指定-Otime也不指定-Ospace，則編譯器默認使用-Ospace。可使用-Otime編譯代碼中對時間要求嚴格的部分，使用-Ospace編譯其余部分。但不能在同一編譯程序調(diào)用中同時指定-Otime和-Ospace。

ARM結(jié)構(gòu)過程調(diào)用標準AAPCS（ProcedureCallStandardfortheARMArchitecture）是ARM體系結(jié)構(gòu)二進制接口ABI（ApplicationBinaryInterfacefortheARMArchitecture【BSABI】）標準的一部分。使用該標準可以很方便的執(zhí)行C和匯編語言的相互調(diào)用。

編譯程序時，使用--apcs選項可以指定所使用得AAPCS標準的版本。如果沒有指定--apcs或--cpu選項，則編譯器使用下面默認編譯選項。

--apcs/noswst/nointer/noropi/norwpi--cpuARM7TDMI--fpusoftvfp

有關AAPCS的詳細信息，請參加ARM相關文檔。

本節(jié)舉例說明編譯器的優(yōu)化選項如何影響代碼生成。

下面的例子顯示了即使使用-O0編譯選項對代碼進行編譯時，有些冗余代碼還是會被編譯器自動清除。

intf(int*p)

{

return(*p==*p);

}

使用armcc-c-O0對源程序進行編譯，生成的匯編代碼如下所示。

f

MOVr1,r0

MOVr0,#1

MOVpc,lr

通過上面的例子可以看到，編譯出的最終代碼中沒有加載（Load）指針P的值，變量*p被編譯器優(yōu)化掉了。如果不想讓編譯器對變量*p做優(yōu)化，可以使用“volatile”對變量進行聲明。下面的例子，顯示了將變量聲明為“volatile”類型后，使用armcc編譯（-O2的優(yōu)化級別）后的結(jié)果。

f

LDRr1,[r0]

LDRr0,[r0]

CMPr1,r0

MOVNEr0,#0

MOVEQr0,#1

MOVpc,lr

另外，編譯的代碼中的“MOVr1,r0”并沒有實際意義，只是為了方便調(diào)試程序時設置斷點使用。

下面例子顯示了一段急待優(yōu)化的代碼。

intdummy()

{

inta=10,b=20;

intc;

c=a+b;

return0;

}

當使用arm–c–O0進行編譯時，產(chǎn)生的匯編碼如下所示。

dummy:

0000807CE3A0100AMOV r1,#0xa

>>>REDUNDANT\#3inta=10,b=20;

00008080E3A02014MOV r2,#0x14

>>>REDUNDANT\#5c=a+b;

00008084E0813002ADD r3,r1,r2

>>>REDUNDANT\#6return0;

00008088E3A00000MOV r0,#0

>>>REDUNDANT\#7}

0000808CE12FFF1EBX r14

從上面的匯編輸出可以看到，編譯器并沒有對程序中的冗余變量做任何工作。但上面這段代碼在編譯時，編譯器會給出警告，警告信息如下所示。

Warning:#550-D:variable"c"wassetbutneverused

Redundant.cline4intc;

但如果將編譯器的優(yōu)化級別提高，如使用arm–c–O1命令，則編譯器輸出的匯編代碼如下所示。

dummy:

0000807CE3A00000MOVr0,#0

>>>REDUNDANT\#7}

00008080E12FFF1EBXr14

從上面的例子看出，當優(yōu)化級別提高到-O1時，程序中的冗余變量就會被清除。

當指定編譯器對程序代碼進行優(yōu)化時，編譯器會對程序中排列不合理的匯編指令序列進行重排（只有在-O1及其以上的優(yōu)化級別中才有），重排的目的是為了減少指令互鎖（interload）。所謂互鎖就是指如果一條指令需要前一條指令的執(zhí)行結(jié)果，而這時結(jié)果還沒有出來，那么處理器就會等待。這被稱為流水線冒險（pipelinehazard），也被稱為流水線互鎖。

下面例子顯示了對同一程序使用代碼重排和不使用代碼重排所產(chǎn)生的匯編碼的區(qū)別。÷

程序的源代碼如下所示。

intf(int*p,intx)

{return*p+x*3;}

使用-O0選項對代碼進行編譯（無代碼重排），產(chǎn)生的結(jié)果如下所示。

ADDr1,r1,r1,LSL#1

LDRr0,[r0,#0]

ADDr0,r0,r1 ;ARM9上產(chǎn)生互鎖

MOVpc,lr

使用-O1選項對代碼進行編譯（存在代碼重排），產(chǎn)生的結(jié)果如下所示。

ADDr1,r1,r1,LSL#1

ADDr0,r0,r1

MOVpc,lr

指令重排發(fā)生在寄存器定位和代碼產(chǎn)生階段。代碼重排只對ARM9及其以后的處理器版本產(chǎn)生作用。當使用代碼重排時，代碼的執(zhí)行速度平均提供4％?？梢允褂?zpno_optimize_
scheduling編譯選項關閉代碼重排。

通常情況下，如果不指定編譯選項，編譯器會將一些代碼量小且調(diào)用次數(shù)少的函數(shù)內(nèi)嵌進調(diào)用函數(shù)中。如果某段子程序在其他模塊中沒有被調(diào)用，請使用Static關鍵字將其標識。

編譯選項的--autoinline和--no_autoinline可以作為內(nèi)嵌函數(shù)的使能開關。--no_autoinline選項為-O0和-O1選項的默認選項，但如果指定-O2或-O3的優(yōu)化選項，編譯器將默認使用--autoinline選項。

有關內(nèi)嵌函數(shù)的詳細信息，請參見本書內(nèi)嵌函數(shù)一節(jié)。

下面的例子顯示了同一段程序，使用內(nèi)嵌功能和不使用內(nèi)嵌功能編譯出的不同結(jié)果。

要編譯的源文件如下。

intbar(inta)

{

a=a+5;

returna;

}

intfoo(inti)

{

i=bar(i);

i=i-2;

i=bar(i);

i++;

returni;

}

下面的匯編程序為不使用內(nèi)嵌功能時編譯出的結(jié)果。

bar

ADDr0,r0,#5

MOVpc,lr

foo

STRlr,[sp,#-4]!

BLbar

SUBr0,r0,#2

BLbar

ADDr0,r0,#1

LDRpc,[sp],#4

下面的匯編碼是使用內(nèi)嵌功能時編譯出的結(jié)果。

foo

ADDr0,r0,#5

SUBr0,r0,#2

ADDr0,r0,#5

ADDr0,r0,#1

MOVpc,lr

從上面的例子可以看出在使用內(nèi)嵌功能時，函數(shù)間的相互調(diào)用減少了數(shù)據(jù)的壓棧和出棧，節(jié)省了程序的執(zhí)行時間，但如果內(nèi)嵌函數(shù)被調(diào)用多次會造成空間的浪費。