单片机程序优化经验

2019-04-15 12:28发布

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由于单片机的性能同电脑的性能是天渊之别的，无论从空间资源上、内存资源、工作频率，都是无法 
与之比较的。PC 机编程基本上不用考虑空间的占用、内存的占用的问题，最终目的就是实现功能就可以了。 
对于单片机来说就截然不同了，一般的单片机的Flash 和Ram 的资源是以KB 来衡量的，可想而知，单片 
机的资源是少得可怜，为此我们必须想法设法榨尽其所有资源，将它的性能发挥到最佳，程序设计时必须 
遵循以下几点进行优化： 

1. 使用尽量小的数据类型 
能够使用字符型(char)定义的变量，就不要使用整型(int)变量来定义；能够使用整型变量定义的变 
量就不要用长整型(long int)，能不使用浮点型(float)变量就不要使用浮点型变量。当然，在定义变 
量后不要超过变量的作用范围，如果超过变量的范围赋值，C 编译器并不报错，但程序运行结果却错了， 
而且这样的错误很难发现。 

2. 使用自加、自减指令 
通常使用自加、自减指令和复合赋值表达式(如a-=1 及a+=1 等)都能够生成高质量的 
程序代码，编译器通常都能够生成inc 和dec 之类的指令，而使用a=a+1 或a=a-1 之类 
的指令，有很多C 编译器都会生成二到三个字节的指令。 

3. 减少运算的强度 
可以使用运算量小但功能相同的表达式替换原来复杂的的表达式。 
（1） 求余运算 
N= N %8 可以改为N = N &7 
说明：位操作只需一个指令周期即可完成，而大部分的C 编译器的“%”运算均是调用子程序来 
完成，代码长、执行速度慢。通常，只要求是求2n 方的余数，均可使用位操作的方法来代替。 
（2） 平方运算 
N=Pow(3,2) 可以改为N=3*3 
说明：在有内置硬件乘法器的单片机中(如51 系列)，乘法运算比求平方运算快得多, 因为浮点数 
的求平方是通过调用子程序来实现的，乘法运算的子程序比平方运算的子程序代码短，执行速度快。 
（3） 用位移代替乘法除法 
N=M*8 可以改为N=M<<3 
N=M/8 可以改为N=M>>3 
说明：通常如果需要乘以或除以2n，都可以用移位的方法代替。如果乘以2n，都可以生成左移 
的代码，而乘以其它的整数或除以任何数，均调用乘除法子程序。用移位的方法得到代码比调用乘除法子 
程序生成的代码效率高。实际上，只要是乘以或除以一个整数，均可以用移位的方法得到结果。如N=M*9 
可以改为N=(M<<3)+M； 
（4） 自加自减的区别 
例如我们平时使用的延时函数都是通过采用自加的方式来实现。 
void DelayNms(UINT16 t) 
{ 
UINT16 i,j; 
for(i=0;i
for(j=0;i<1000;j++) 
} 
可以改为 
void DelayNms(UINT16 t) 
{ 
UINT16 i,j; 
for(i=t;i>=0;i--) 
for(j=1000;i>=0;j--) 
} 
说明：两个函数的延时效果相似，但几乎所有的C 编译对后一种函数生成的代码均比前一种代码少1~3 
个字节，因为几乎所有的MCU 均有为0 转移的指令，采用后一种方式能够生成这类指令。 

4. while 与do...while 的区别 
void DelayNus(UINT16 t) 
{ 
while(t--) 
{ 
NOP(); 
} 
} 
可以改为 
void DelayNus(UINT16 t) 
{ 
do 
{ 
NOP(); 
}while(--t) 
} 
说明：使用do…while 循环编译后生成的代码的长度短于while 循环。 

5. register 关键字 
void UARTPrintfString(INT8 *str) 
{ 
while(*str && str) 
{ 
UARTSendByte(*str++) 
} 
} 
可以改为 
void UARTPrintfString(INT8 *str) 
{ 
register INT8 *pstr=str; 
while(*pstr && pstr) 
{ 
UARTSendByte(*pstr++) 
} 
} 
说明：在声明局部变量的时候可以使用register 关键字。这就使得编译器把变量放入一个多用途的寄存 
器中，而不是在堆栈中，合理使用这种方法可以提高执行速度。函数调用越是频繁，越是可能提高代码的 
速度，注意register 关键字只是建议编译器而已。 

6. volatile 关键字 
volatile 总是与优化有关，编译器有一种技术叫做数据流分析，分析程序中的变量在哪里赋值、在 
哪里使用、在哪里失效，分析结果可以用于常量合并，常量传播等优化，进一步可以死代码消除。一般来 
说,volatile 关键字只用在以下三种情况: 
a) 中断服务函数中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile(参考本书高级实验程序) 
b) 多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile 
c) 存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile 说明，因为每次对它的读写都可能由不同意义 
总之，volatile 关键字是一种类型修饰符，用它声明的类型变量表示可以被某些编译器未知的因素 
更改，比如：操作系统、硬件或者其它线程等。遇到这个关键字声明的变量，编译器对访问该变量的代码 
就不再进行优化，从而可以提供对特殊地址的稳定访问。 

7. 以空间换时间 
在数据校验实战当中，CRC16 循环冗余校验其实还有一种方法是查表法，通过查表可以更加快获得 
校验值，效率更高，当校验数据量大的时候，使用查表法优势更加明显，不过唯一的缺点是占用大量的空 
间。 
//查表法： 
code UINT16 szCRC16Tbl[256] = { 
0x0000, 0x1021, 0x2042, 0x3063, 0x4084, 0x50a5, 0x60c6, 0x70e7, 
0x8108, 0x9129, 0xa14a, 0xb16b, 0xc18c, 0xd1ad, 0xe1ce, 0xf1ef, 
0x1231, 0x0210, 0x3273, 0x2252, 0x52b5, 0x4294, 0x72f7, 0x62d6, 
0x9339, 0x8318, 0xb37b, 0xa35a, 0xd3bd, 0xc39c, 0xf3ff, 0xe3de, 
0x2462, 0x3443, 0x0420, 0x1401, 0x64e6, 0x74c7, 0x44a4, 0x5485, 
0xa56a, 0xb54b, 0x8528, 0x9509, 0xe5ee, 0xf5cf, 0xc5ac, 0xd58d, 
0x3653, 0x2672, 0x1611, 0x0630, 0x76d7, 0x66f6, 0x5695, 0x46b4, 
0xb75b, 0xa77a, 0x9719, 0x8738, 0xf7df, 0xe7fe, 0xd79d, 0xc7bc, 
0x48c4, 0x58e5, 0x6886, 0x78a7, 0x0840, 0x1861, 0x2802, 0x3823, 
0xc9cc, 0xd9ed, 0xe98e, 0xf9af, 0x8948, 0x9969, 0xa90a, 0xb92b, 
0x5af5, 0x4ad4, 0x7ab7, 0x6a96, 0x1a71, 0x0a50, 0x3a33, 0x2a12, 
0xdbfd, 0xcbdc, 0xfbbf, 0xeb9e, 0x9b79, 0x8b58, 0xbb3b, 0xab1a, 
0x6ca6, 0x7c87, 0x4ce4, 0x5cc5, 0x2c22, 0x3c03, 0x0c60, 0x1c41, 
0xedae, 0xfd8f, 0xcdec, 0xddcd, 0xad2a, 0xbd0b, 0x8d68, 0x9d49, 
0x7e97, 0x6eb6, 0x5ed5, 0x4ef4, 0x3e13, 0x2e32, 0x1e51, 0x0e70, 
0xff9f, 0xefbe, 0xdfdd, 0xcffc, 0xbf1b, 0xaf3a, 0x9f59, 0x8f78, 
0x9188, 0x81a9, 0xb1ca, 0xa1eb, 0xd10c, 0xc12d, 0xf14e, 0xe16f, 
0x1080, 0x00a1, 0x30c2, 0x20e3, 0x5004, 0x4025, 0x7046, 0x6067, 
0x83b9, 0x9398, 0xa3fb, 0xb3da, 0xc33d, 0xd31c, 0xe37f, 0xf35e, 
0x02b1, 0x1290, 0x22f3, 0x32d2, 0x4235, 0x5214, 0x6277, 0x7256, 
0xb5ea, 0xa5cb, 0x95a8, 0x8589, 0xf56e, 0xe54f, 0xd52c, 0xc50d, 
0x34e2, 0x24c3, 0x14a0, 0x0481, 0x7466, 0x6447, 0x5424, 0x4405, 
0xa7db, 0xb7fa, 0x8799, 0x97b8, 0xe75f, 0xf77e, 0xc71d, 0xd73c, 
0x26d3, 0x36f2, 0x0691, 0x16b0, 0x6657, 0x7676, 0x4615, 0x5634, 
0xd94c, 0xc96d, 0xf90e, 0xe92f, 0x99c8, 0x89e9, 0xb98a, 0xa9ab, 
0x5844, 0x4865, 0x7806, 0x6827, 0x18c0, 0x08e1, 0x3882, 0x28a3, 
0xcb7d, 0xdb5c, 0xeb3f, 0xfb1e, 0x8bf9, 0x9bd8, 0xabbb, 0xbb9a, 
0x4a75, 0x5a54, 0x6a37, 0x7a16, 0x0af1, 0x1ad0, 0x2ab3, 0x3a92, 
0xfd2e, 0xed0f, 0xdd6c, 0xcd4d, 0xbdaa, 0xad8b, 0x9de8, 0x8dc9, 
0x7c26, 0x6c07, 0x5c64, 0x4c45, 0x3ca2, 0x2c83, 0x1ce0, 0x0cc1, 
0xef1f, 0xff3e, 0xcf5d, 0xdf7c, 0xaf9b, 0xbfba, 0x8fd9, 0x9ff8, 
0x6e17, 0x7e36, 0x4e55, 0x5e74, 0x2e93, 0x3eb2, 0x0ed1, 0x1ef0 
}; 
UINT16 CRC16CheckFromTbl(UINT8 *buf,UINT8 len) 
{ 
UINT16 i; 
UINT16 uncrcReg = 0, uncrcConst = 0xffff; 
for(i = 0;i < len;i ++) 
{ 
uncrcReg = (uncrcReg << 8) ^ szCRC16Tbl[(((uncrcConst ^ uncrcReg) >> 8) 
^ *buf++) & 0xFF]; 
uncrcConst <<= 8; 
} 
return uncrcReg; 
} 
如果系统要求实时性比较强，在CRC16 循环冗余校验当中，推荐使用查表法，以空间换时间。 

8. 宏函数取代函数 
首先不推荐所有函数改为宏函数，以免出现不必要的错误。但是一些基本功能的函数很有必要使用宏 
函数来代替。 
UINT8 Max(UINT8 A,UINT8 B) 
{ 
return (A>B?A:B) 
} 
可以改为 
#define MAX（A，B） {(A)>(B)?(A):(B)} 
说明：函数和宏函数的区别就在于，宏函数占用了大量的空间，而函数占用了时间。大家要知道的是，函 
数调用是要使用系统的栈来保存数据的，如果编译器里有栈检查选项，一般在函数的头会嵌入一些汇编语 
句对当前栈进行检查；同时，cpu 也要在函数调用时保存和恢复当前的现场，进行压栈和弹栈操作，所以， 
函数调用需要一些cpu 时间。而宏函数不存在这个问题。宏函数仅仅作为预先写好的代码嵌入到当前程序， 
不会产生函数调用，所以仅仅是占用了空间，在频繁调用同一个宏函数的时候，该现象尤其突出。 

9. 适当地使用算法 
假如有一道算术题，求1~100 的和。 
作为程序员的我们会毫不犹豫地点击键盘写出以下的计算方法： 
UINT16 Sum(void) 
{ 
UINT8 i,s; 
for(i=1;i<=100;i++) 
{ 
s+=i; 
} 
return s; 
} 
很明显大家都会想到这种方法，但是效率方面并不如意，我们需要动脑筋，就是采用数学算法解决问题， 
使计算效率提升一个级别。 
UINT16 Sum(void) 
{ 
UINT16 s; 
s=(100 *(100+1))>>1; 
return s; 
} 
结果很明显，同样的结果不同的计算方法，运行效率会有大大不同，所以我们需要最大限度地通过数 
学的方法提高程序的执行效率。 

10. 用指针代替数组 
在许多种情况下，可以用指针运算代替数组索引，这样做常常能产生又快又短的代码。与数组索引相 
比，指针一般能使代码速度更快，占用空间更少。使用多维数组时差异更明显。下面的代码作用是相同的， 
但是效率不一样。 
UINT8 szArrayA[64]; 
UINT8 szArrayB[64]; 
UINT8 i; 
UINT8 *p=szArray; 
for(i=0;i<64;i++)szArrayB=szArrayA; 
for(i=0;i<64;i++)szArrayB=*p++; 
指针方法的优点是，szArrayA 的地址装入指针p 后，在每次循环中只需对p 增量操作。在数组索引 
方法中，每次循环中都必须进行基于i 值求数组下标的复杂运算。 

11. 强制转换 
C 语言精髓第一精髓就是指针的使用，第二精髓就是强制转换的使用，恰当地利用指针和强制转换不但 
可以提供程序效率，而且使程序更加之简洁，由于强制转换在C 语言编程中占有重要的地位，下面将已五 
个比较典型的例子作为讲解。 
例子1：将带符号字节整型转换为无符号字节整型 
UINT8 a=0； 

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