ARM架构下C语言高效编程指南

# ARM架构下C语言高效编程指南 ## 1. 高效使用C类型 在ARM架构下进行C语言编程时，合理使用数据类型能够显著提升程序的性能和效率。以下是一些使用C类型的建议： - **局部变量**：对于存放在寄存器中的局部变量，除非必要的8位或16位模运算，否则应使用有符号或无符号的`int`类型。在进行除法运算时，无符号类型的运算速度更快。 - **数组元素和全局变量**：对于存放在主内存中的数组元素和全局变量，应使用能够容纳所需数据的最小类型，以节省内存空间。在遍历数组时，通过递增数组指针的方式进行操作，避免在短类型数组中使用基于数组基址的偏移量，因为`LDRH`指令不支持这种操作。 - **显式类型转换**：在将数组元素或全局变量读取到局部变量，或者将局部变量写入数组元素时，使用显式类型转换。这样可以明确表示是将内存中存储的窄类型数据扩展为寄存器中的宽类型数据。同时，开启编译器的隐式窄化类型转换警告，以便检测隐式类型转换。 - **避免类型转换**：避免在表达式中进行隐式或显式的窄化类型转换，因为这通常会增加额外的周期。而在加载或存储操作中进行类型转换通常是免费的，因为加载或存储指令会自动完成类型转换。 - **函数参数和返回值**：避免在函数参数或返回值中使用`char`和`short`类型，即使参数的范围较小，也应使用`int`类型，以防止编译器进行不必要的类型转换。 ## 2. C语言循环结构 ### 2.1 固定迭代次数的循环 在ARM架构下，编写固定迭代次数的`for`循环时，采用递减计数到零的方式更为高效。以下是一个64字数据包校验和的示例： ```c // 递增计数的循环示例 int checksum_v5(int *data) { unsigned int i; int sum = 0; for (i = 0; i < 64; i++) { sum += *(data++); } return sum; } ``` 该代码编译后的汇编代码需要三条指令来实现循环结构：递增计数器、比较计数器与终止值、条件分支。而采用递减计数到零的方式可以将循环结构简化为两条指令：递减计数器并设置条件码标志、条件分支。示例代码如下： ```c // 递减计数的循环示例 int checksum_v6(int *data) { unsigned int i; int sum = 0; for (i = 64; i != 0; i--) { sum += *(data++); } return sum; } ``` 编译后的汇编代码中，`SUBS`和`BNE`指令实现了循环，每个循环只需要四条指令，相比递增计数的循环更为高效。 对于无符号循环计数器，使用`i != 0`或`i > 0`作为循环继续条件是等价的。但对于有符号循环计数器，使用`i > 0`作为循环继续条件时，编译器会生成额外的比较指令，因此建议使用`i != 0`作为终止条件，以节省一条指令。 ### 2.2 可变迭代次数的循环 当需要处理任意大小的数据包时，可以使用可变迭代次数的循环。以下是一个处理任意大小数据包校验和的示例： ```c // for循环处理可变迭代次数 int checksum_v7(int *data, unsigned int N) { int sum = 0; for (; N != 0; N--) { sum += *(data++); } return sum; } ``` 在这个示例中，编译器会在函数入口处检查`N`是否为零。如果已知数组不为空，使用`do-while`循环可以避免这个不必要的检查，从而提高性能和代码密度。示例代码如下： ```c // do-while循环处理可变迭代次数 int checksum_v8(int *data, unsigned int N) { int sum = 0; do { sum += *(data++); } while (--N != 0); return sum; } ``` ### 2.3 循环展开 循环展开是一种通过多次重复循环体，减少循环迭代次数，从而节省循环开销的技术。在ARM7或ARM9处理器上，每次循环的开销包括一次减法和一次条件分支，共四个周期。通过循环展开，可以减少循环的总开销。 以下是一个将数据包校验和循环展开四次的示例： ```c // 循环展开四次的示例 int checksum_v9(int *data, unsigned int N) { int sum = 0; do { sum += *(data++); sum += *(data++); sum += *(data++); sum += *(data++); N -= 4; } while (N != 0); return sum; } ``` 循环展开后，循环开销从原来的`4N`个周期减少到`N`个周期，显著提高了循环的执行速度。 在进行循环展开时，需要考虑两个问题： - **展开次数**：只对影响应用程序整体性能的重要循环进行展开，否则会增加代码大小而性能提升不明显，甚至可能因将更重要的代码从缓存中挤出而降低性能。一般来说，当循环展开的收益小于1%时，就不建议再继续展开。 - **非倍数情况处理**：尽量确保数组大小是展开倍数的整数倍。如果无法做到，需要添加额外的代码来处理剩余的情况，虽然会增加一点代码大小，但可以保持较高的性能。 以下是一个处理任意大小数据包校验和的循环展开示例： ```c // 处理任意大小数据包的循环展开示例 int checksum_v10(int *data, unsigned int N) { unsigned int i; int sum = 0; for (i = N / 4; i != 0; i--) { sum += *(data++); sum += *(data++); sum += *(data++); sum += *(data++); } for (i = N & 3; i != 0; i--) { sum += *(data++); } return sum; } ``` ## 3. 寄存器分配 编译器会尝试为C函数中使用的每个局部变量分配一个处理器寄存器。如果局部变量的使用不重叠，编译器会尝试使用同一个寄存器来存储不同的局部变量。当局部变量的数量超过可用寄存器的数量时，编译器会将多余的变量存储在处理器栈中，这些变量被称为溢出或交换出的变量，访问这些变量的速度比访问分配到寄存器的变量要慢。 ### 3.1 ARM C编译器可用寄存器 在遵循ARM-Thumb过程调用标准（ATPCS）的情况下，ARM C编译器可用的寄存器及其用途如下表所示： | 寄存器编号 | 备用名称 | ATPCS寄存器用途 |