ARM设计思想与高效C编程

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简介: 文章主要介绍RISC设计思想,ARM设计思想以及如何进行高效的C编程

一.RISC设计思想

ARM内核采用RISC体系结构。RISC是一种设计思想,其目标是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行,简单而有效的指令集。RISC的设计重点在于由硬件执行的指令的复杂度,这是因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和更高的智能。因此,RISC设计对编译器有更高的要求;相反,传统的复杂指令集的计算机(CISC)则更侧重于硬件执行指令的功能性,使CISC变得更复杂。

RISC设计思想主要由下面4个设计准则来实现:

·指令集

RISC处理器减少了指令种类,每条指令的长度都是固定的,允许流水线在当前指令译码阶段去取其下一条指令;而CISC处理器中,指令的长度通常不固定,执行也需要多个周期。

·流水线

在理想情况下,流水线每周期前进一步,可获得最高的吞吐率;而CISC指令的执行需要调用微代码的一个微程序。

·寄存器

RISC处理器拥有更多的通用寄存器,每个寄存器都可存放数据或地址。寄存器可为所有的数据操作提供快速的局部存储访问;而CISC处理器都是用于特定目的的专用 处理器。

·load-store结构

处理器只能处理寄存器中的数据。独立的load和store指令用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。因为访问存储器很耗时,所以把存储器访问和数据处理分开。这样有一个好处,那就是可反复地使用保存在寄存器中的数据,而避免多次访问存储器。相反,在CISC结构中,处理器能够直接处理存储器中的数据。

二.ARM设计思想

为降低功耗,ARM处理器已被特殊设计成较小的核,较高的代码密度。ARM内核不是一个纯粹的RISC体系结构,这是为了使它能够更好的适应其主要应用领域-嵌入式系统。在某种意义上,甚至可以认为ARM内核的成功,正是因为它没有在RISC概念上沉入太深。现在系统的关键并不在于单纯的处理器速度,而在于有效的系统性能和功耗。

面向嵌入式系统的指令集

·一些特定指令的周期数可变

例如:多寄存器装载/存储的load/store指令的执行周期就是不确定的

·内嵌桶形移位器产生了更为复杂的指令

·Thumb 16位指令集

·条件执行

·增强指令

三.高效的C编程

1)C数据类型的有效用法

·对于存放在寄存器中的局部变量,除了8位或16位的算数模运算符外,尽量不要使用char和short类型。而要使用有符号或者无符号的int类型。除法运算时使用无符号数执行速度更快。

·对于存放在主存储器中的数组和全局变量,在满足数据大小的前提下,应尽可能使用小尺寸的数据类型,这样做可以节省存储空间。ARMv4体系结构可以有效的装载和存储所有宽度的数据,并可以使用递增数组的指针来有效的访问数组。对于short类型数组,要避免使用数组基地址的偏移,因为LDRH指令不支持偏移寻址。

·由于隐式或者显式的数据类型转换通常会有额外的指令周期开销,所以在表达式中应尽量避免使用。load和store指令一般不会产生额外的转换开销,因为load和store指令是自动完成数据类型转换的。

·对于函数参数和返回值应尽量避免使用char和short类型。即使参数范围比较小,也应该使用int类型,以防止编译器做不必要的类型转换。

2)高效的编写循环体

·使用减计数到零的循环结构,这样编译器就不需要分配一个寄存器来保存循环中止值,而且与0比较的指令也可以省略。

·使用无符号的循环计数值,循环继续的条件为i!=0而不是i>0,这样可以保证循环开销只有两条指令。、

·如果事先知道循环体至少会执行一次,那么使用do-while循环要比for循环好,这样可以使编译器省去检查循环计数值是否为0的步骤。

·展开重要的循环体可降低循环开销,但不要过度展开,如果循坏的开销对整个程序来说占的比例很小,那么循环展开反而会增加代码量并降低cache性能。

·尽量使数组的大小是4或8的倍数,这样就可以容易地以2,4,8次等多种选择展开循环,而不需要担心剩余数组元素的问题。

3)高效的寄存器分配

·应该尽量限制函数内部循环所用局部变量的数目,最多不超过12个,这样,编译器就可以把这些变量都分配给ARM寄存器。

·可以引导编译器,通过查看是否属于最内层循环变量来确定某个变量的重要性

4)高效的调用函数

·尽量限制函数参数不要超过4个,这样函数调用的效率会更高。也可以将几个相关的参数组织在一个结构体中,用传递结构体指针来代替多个参数。

·把比较小的被调用函数和调用函数放在同一个原文件中,并且要先定义,后调用,编译器就可以优化函数调用或者内联较小的函数。

·对性能影响较大的重要函数可使用关键字_inline进行内联。

5)避免指针别名

·不要依赖编译器来消除包含存储访问的公共子表达式,而应建立一个新的局部变量来保存这个表达式的值,这样可以保证只对这个表达式求职一次。

·避免使用局部变量的地址,否则对这个变量的访问效率会比较低。

6)高效的结构体安排

·结构体元素要按照元素的大小来排列,以最小的元素放在开始,最大的元素安排在最后。

·避免使用很大的结构体,可以使用层次化的小结构体来代替。

·为了提高可移植性,人工对API的结构体添加填充位,这样,结构体的安排将不会依赖于编译器

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