Особенности

- Введение в ядро Atmel AVR и Atmel AVR GCC
- Советы и трюки по уменьшению размера кода
- Советы и трюки по уменьшению времени выполнения кода
- Примеры применения

1. Введение

   AVR ядро основано на продвинутой RISC архитектуре оптимизированной для Си кода. Это позволяет разрабатывать хорошие и дешевые продукты с широкой функциональностью.

   Когда речь идет об оптимизации, мы обычно имеем в виду две вещи: размер кода и скорость его выполнения. В настоящее время Си компиляторы имеют различные варианты оптимизации, позволяющие разработчикам получать эффективный код по одному из этих критериев.

   Хороший Си код дает компилятору больше возможности по его оптимизации. Однако, в некоторых случаях оптимизация кода по одному из критериев ухудшает другой, поэтому разработчик должен искать баланс между ними для удовлетворения своих требований. Понимание некоторых нюансов программирования на Си для AVR позволяет разработчикам фокусировать свои усилия в нужном направлении для достижения эффективного кода.

   В этой статье мы рассмотрим рекомендации по программированию на Си для компилятора avr-gcc. Однако эти советы могут быть использованы и с другими компиляторами.

2. Atmel AVR ядро и Atmel AVR GCC

   Прежде чем оптимизировать программное обеспечение, необходимо иметь хорошее понимание устройства AVR ядра и стратегий AVR GCC, которые используются для создания эффективного кода для этого процессора. В этом разделе мы кратко рассмотрим особенности ядра AVR и AVR GCC.

2.1 Архитектура 8-и разрядного AVR

   AVR использует Гарвардскую архитектуру с раздельной памятью и шиной для программы и данных. Он имеет регистровый файл из 32 8-и разрядных рабочих регистров общего назначения с временем доступа один тактовый цикл. 32 рабочих регистра – один из ключей к эффективному Си программированию. Эти регистры имеют такие же функции, как и традиционные аккумуляторы, только их 32 штуки. За один такт AVR может передать два произвольных регистра арифметическому логическому устройству, выполнить операцию и записать результат обратно в регистровый файл.

   Инструкции в памяти программ выполняются на одном конвейерном уровне. Пока одна команда выполняется, следующая извлекается из памяти. Эта концепция позволяет выполнять команды за один такт. Большинство инструкций AVR имеют 16-и разрядный формат. Каждый адрес памяти программ содержит 16 или 32 разрядные инструкции.

   Для более детальной информации почитайте раздел “AVR CPU Core” в документации на микроконтроллеры.

2.2 AVR GCC

   GCC расшифровывается как коллекция GNU компиляторов (GNU Compiler Collection). GCC используемый для AVR микроконтроллеров называется AVR GCC.

   AVR GCC имеет несколько уровней оптимизации: -O0, -O1, -O2, -O3 и -Os. Для каждого уровня разрешены свои параметры. Исключение составляет уровень -O0 – для него оптимизация полностью отключена. Кроме разрешенных для каждого уровня опций, можно также включать отдельные параметры оптимизации, чтобы получить специфическую обработку кода.

   Для ознакомления с полным списком параметров и уровней оптимизации обратитесь к руководству на GNU компиляторы. Руководство можно найти по ссылке ниже.

http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Optimize-Options.html#Optimize-Options

   Кроме компилятора, AVR GCC включает в себя другие инструменты, которые работают вместе для получения конечного исполняемого приложения для AVR микроконтроллера. Эта группа инструментов называется “тулчейном “ (toolchain). Важную функцию в этом AVR тулчейне выполняет AVR-Libс, которая обеспечивает функции стандартной Си библиотеки, а также множество дополнительных специфичных для AVR функций и базовым стартовым кодом (startup code). Руководство на AVR Libc вы можете найти по ссылке ниже.

http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/

2.3 Платформа разработки

   Все примеры из этого документа тестировались с использованием следующих инструментов:

1. Интегрированная среда разработки: Atmel AVR Studio 5 (версия 5.0.1119)
2. AVR GCC тулчейн: AVR_8_bit_GNU_Toolchain_3.2.1_292 (gcc версии 4.5.1)
3. Микроконтроллер: Atmel ATmega88PA.

3. Советы и трюки по уменьшению размера кода

   В этом разделы мы перечислим некоторые рекомендации по уменьшению размера кода. Для каждого совета будет дано описание и пример.

3.1 Совет #1 - типы данных и размеры

   Используйте наименьший тип данных, способный представить вашу переменную. Для чтения 8-и разрядного регистра, например, не нужно использовать 2-х байтную переменную, достаточно однобайтной.

   Размеры типов данных для AVR можно посмотреть в заголовочном файле stdint.h и в таблице 3-1.

Таблица 3-1. Типы данных для AVR, описанные в stdint.h

   Имейте в виду, что некоторые опции компилятора могут повлиять на типы данных (например, AVR-GCC имеет опцию –mint8, которая делает тип int 8-и разрядным).

   Два примера кода в таблице 3-2 показывают результат использования разных типов данных. Также в таблице показаны размеры кода, получаемого при построении проекта с опцией оптимизации –Os (оптимизация для размера).

Таблица 3-2. Пример использования различных типов данных.

   В левом примере мы пользуемся 2-х байтным типом данных для временной переменной и возвращаемого значения. В правом примере вместо этого используется однобайтный тип char. Считывание данных происходит с 8-и разрядного регистра ADCH, а значит такого размера переменной вполне достаточно. Это позволяет нам сэкономить 2 байта памяти. 

   Заметьте, что до запуска функции main() есть начальный код инициализации (startup code), поэтому эти простые примеры Си кода занимают 90 байт.

3.2 Совет #2 - глобальные переменные и локальные значения

   В большинстве случаев не рекомендуется использовать глобальные переменные. Применяйте локальные переменные везде, где возможно. Если переменная используется только в функции, ее следует объявлять внутри функции как локальную переменную.

   Теоретически, выбор между глобальными и локальными переменными должен определяться тем, как она используется.

   Если переменная объявлена как глобальная, в оперативной памяти для нее выделяется уникальный адрес. Также для доступа к глобальной переменной, как правило, используются дополнительные байты (по 2 на 16-и разрядный адрес), чтобы получить ее адрес.

   Локальные переменные обычно размещаются в регистрах или в стеке. Когда вызывается функция, локальные переменные задействуются. Когда функция завершает свою работу, локальные переменные могут быть удалены.

   Два примера в таблице 3-3 показывают эффект применения глобальных и локальных переменных.

Таблица 3-3. Пример глобальных и локальных переменных.

   В левом примере мы объявляем однобайтовую глобальную переменную. Avr-size утилита показывает, что мы используем 104 байта памяти программ и один байт памяти данных при оптимизации –Os.

   В правом примере, мы объявляем локальную переменную внутри main() функции и код уменьшается до 84 байтов, а оперативная память не используется совсем.

3.3 Совет #3 - индекс цикла

   Циклы широко используются при программировании микроконтроллеров. В Си существуют три типа циклов – “while(){}”, “for(){}“ и “do{}while()”. Если включена опция оптимизации –Os, компилятор будет оптимизировать циклы автоматически, чтобы уменьшить размер кода. Однако мы можем сами немного уменьшить его.

   Если используется цикл “do{}while()”, то инкремент и декремент индексной переменной цикла будет давать код разного размера. Обычно мы используем инкремент, чтобы подсчитывать количество циклов от нуля до максимального значения. Однако более эффективно делать наоборот – считать от максимального значения до нуля, то есть использовать декремент.

   При инкременте, в каждой итерации цикла необходимо выполнять инструкцию сравнения индексной переменной с максимальным значением. Когда мы используем декремент, в этой инструкции нет необходимости. Как только индексная переменная достигнет нуля, в регистре SREG установится флаг Z.

   В таблице 3-4 приведены примеры кода, использующего цикл “do {}while()” с инкрементом и декрементом индексной переменной.

Таблица 3-4. Пример do{}while() циклов с инкрементом и декрементом индексной переменной

   Чтобы иметь более прозрачный Си код, мы записали этот пример как “do{count--;}while(count);”, а не “do{}while(count--);”, как обычно пишут в книгах по Си. Однако в обоих случаях размер кода будет одинаковым.

3.4 Совет #4 - объединение циклов

   Иногда циклы реализованы однотипно и это может приводить к длинному списку итераций. Объединив выражения и операторы этих циклов в один, мы можем уменьшить общее количество циклов в коде. При этом уменьшится как размер кода, так и время его выполнения. В таблице 3-5 вы можете видеть пример использования объединения циклов. 

Таблица 3-5. Пример объединения циклов.

3.5 Совет #5 – константы в программной памяти

   Глобальные переменные, таблицы и массивы, которые никогда не меняются, должны размещаться во флэш памяти микроконтролера. Это позволяет экономить оперативную память.

   В этом примере мы не используем ключевое слово “const”. Потому что объявление переменной с “const” сообщает компилятору, что ее значение не будет меняться, но не определяет место хранения. 

   Чтобы разместить данные в программной памяти и считывать их оттуда, AVR-Libs предоставляет макросы “PROGMEM” и “pgm_read_byte”. Эти макросы определены в заголовочном файле pgmspace.h.

   Пример в таблице 3-6 показывает, как можно сохранить ОЗУ, переместив строку в программную память. 

Таблица 3-6. Пример констант в программной памяти.

   После того как мы поместили константы в программную память, уменьшилось и ее использование и ОЗУ. Однако появились небольшие накладные расходы связанные с чтением данных, так как чтение из флэш памяти выполняется медленнее, чем из оперативной памяти.

   Если данные, хранящиеся во флэш памяти, используются в коде несколько раз, мы можем получить меньший код, используя дополнительную временную переменную вместо многократного вызова макроса “pgm_read_byte”.

   В заголовочном файле pgmspace.h есть несколько макросов и функций для сохранения и чтения различных типов данных в/из памяти программ. Для большей информации обратитесь к руководству на avr-libc.

3.6 Совет #6 – типы доступа: static

   Для глобальных данных использование ключевого слова static не всегда возможно. Если глобальные переменные объявлены с ключевым словом static, они могут быть доступны только в том файле, внутри которого они определены. Это предотвращает случайное использование переменной в других файлов.

   С другой стороны, объявления локальных переменных внутри функции с ключевым словом static следует избегать. Значение статической переменной сохраняется между вызовами функции, и эта переменная сохраняется в течение всей программы. Таким образом, она требует постоянного места хранения в ОЗУ и дополнительного кода для доступа к ней. Это похоже на глобальную переменную, только область видимости статической переменной ограничена телом функции, в котором она объявлена.

   Статическими можно объявлять также функции. В этом случае область видимости функции будет тоже ограничена файлом, в котором она объявлена, и вызвать ее можно будет только оттуда. По этим причинам компилятору проще оптимизировать такие функции.

   Если статическая функция вызывается в файле всего один раз и оптимизация разрешена (-O1, -O2, -O3, -Os), компилятор сделает эту функцию встраиваемой.

Таблица 3-7. Пример использования типов доступа – статическая функция.

   Заметьте, если функция вызывается несколько раз, она не будет встраиваться, потому что это увеличит код больше, чем прямой вызов функции.

3.7 Совет #7 – низко уровневые ассемблерные инструкции

   Ассемблерные команды всегда лучше оптимизированного кода. Единственный недостаток ассемблерного кода – это непереносимый синтаксис, так что это в большинстве случаев его не рекомендуется использовать.

   Чтобы улучшить читаемость и портируемость кода, можно использовать ассемблерные макросы. Такими макросами можно заменять функции, которые генерируются в 2-3 ассемблерные строки. В таблице 3-8 показан пример использования ассемблерного макроса вместо функции.

Таблица 3-8. Пример использования низкоуровневых ассемблерных инструкций.

   Для более подробной информации относительно использования ассемблера с языком Си на AVR, ознакомьтесь с разделом “Inline Assembler Cookbook” в руководстве на avr-libc.

Ссылки

Atmel AVR4027: Tips and Tricks to Optimize Your C Code for 8-bit AVR Microcontrollers
AVR4027: Трюки и советы по оптимизации Си кода для 8-и разрядных AVR микроконтроллеров. Ч.2
Проект к статье - avr4027.zip

Вольный перевод - ChipEnable.Ru