嵌入式系統(tǒng)C語言的特點及程序設(shè)計中代碼優(yōu)化的技巧

嵌入式系統(tǒng)是指完成一種或幾種特定功能的計算機(jī)系統(tǒng)，具有自動化程度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于消費電子，工業(yè)控制等領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)受其使用的硬件以及運行環(huán)境的限制，非常注重代碼的時間和空間效率，因此選擇一種合適的開發(fā)語言十分重要。

目前，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中可使用的語言很多，其中 C語言應(yīng)用得最廣泛。雖然用 C 語言編程具有許多優(yōu)點，但基于嵌入式系統(tǒng)的C語言和標(biāo)準(zhǔn) C語言又有很大區(qū)別。接下來小編結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的特點和高手們的一些積累，給大家整理出在程序設(shè)計中代碼優(yōu)化的一些小技巧。

1、嵌入式C語言的特點

作為一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言，C 語言兼顧多種高級語言的特點，具有很強(qiáng)的功能性和可移植性。但在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，出于對低價產(chǎn)品的需求，系統(tǒng)的計算能力和存儲容量都非常有限，因此如何利用好這些資源就顯得十分重要。開發(fā)人員應(yīng)注意嵌入式 C語言和標(biāo)準(zhǔn) C 語言的區(qū)別，減少生成代碼長度，提高程序執(zhí)行效率，在程序設(shè)計中對代碼進(jìn)行優(yōu)化。

2、C代碼在程序中的優(yōu)化

現(xiàn)在的 C 編譯器會自動對代碼進(jìn)行優(yōu)化，但這些優(yōu)化是對執(zhí)行速度和代碼長度的平衡。如果要獲得更小且執(zhí)行效率更高的代碼，需要程序員手工對代碼進(jìn)行優(yōu)化。

3、變量類型的定義

不同的數(shù)據(jù)類型所生成的機(jī)器代碼長度相差很多，變量類型選取的范圍越小運行速度越快，占用的內(nèi)存越少。能夠使用字符型(char)定義的變量，就不要使用整型(int)變量來定義;能夠使用整型變量定義的變量就不要用長整型(long int)，能不使用浮點型(float)變量就不要使用浮點型變量。相同類型的數(shù)據(jù)類型，有無符號對機(jī)器代碼長度也有影響。因此我們應(yīng)按照實際需要合理的選用數(shù)據(jù)類型。當(dāng)然，在定義變量后不要超過變量的作用范圍，如果超過變量的范圍賦值，C編譯器并不報錯，但程序運行結(jié)果卻錯了，而且這樣的錯誤很難發(fā)現(xiàn)。

4、算法優(yōu)化

算法優(yōu)化指對程序時空復(fù)雜度的優(yōu)化:在 PC 機(jī)上進(jìn)行程序設(shè)計時一般不必過多關(guān)注程序代碼的長短，只需考慮功能的實現(xiàn)，但嵌入式系統(tǒng)就必須考慮系統(tǒng)的硬件資源，在程序設(shè)計時，應(yīng)盡量采用生成代碼短的算法，在不影響程序功能實現(xiàn)的情況下優(yōu)化算法。

5、適當(dāng)?shù)氖褂煤?/p>

在C程序中使用宏代碼可以提高程序的執(zhí)行效率。宏代碼本身不是函數(shù)，但使用起來像函數(shù)。函數(shù)調(diào)用要使用系統(tǒng)的棧來保存數(shù)據(jù)，同時 CPU 在函數(shù)調(diào)用時需要保存和恢復(fù)當(dāng)前的現(xiàn)場，進(jìn)行進(jìn)棧和出棧操作，所以函數(shù)調(diào)用也需要 CPU時間。而宏定義就沒有這個問題:宏定義僅僅作為預(yù)先寫好的代碼嵌入到當(dāng)前程序中，不產(chǎn)生函數(shù)調(diào)用，所占用的僅僅是一些空間，省去了參數(shù)壓棧，生成匯編語言的 call 調(diào)用，返回參數(shù)，執(zhí)行 return等過程，從而提高了程序的執(zhí)行速度。雖然宏破壞了程序的可讀性，使排錯更加麻煩，但對于嵌入式系統(tǒng)，為了達(dá)到要求的性能，嵌入代碼常常是必須的做法。
此外，我們還要避免不必要的函數(shù)調(diào)用，請看下面的代碼:

[plain] view plain copy print?void str_print( char *str ){int i;for ( i = 0; i < strlen ( str ); i++ ){ printf("%c"，str[ i ] ); } }void str_print1 ( char *str ){int len;len = strlen ( str );for ( i = 0; i < len; i++ ){printf("%c"，str[ i ] );}}? 請注意，這兩個函數(shù)的功能相似。然而，第一個函數(shù)調(diào)用strlen函數(shù)多次，而第二個函數(shù)只調(diào)用函數(shù)strlen一次。因此第二個函數(shù)性能明顯比第一個好。

6、內(nèi)嵌匯編

程序中對時間要求苛刻的部分可以用內(nèi)嵌匯編來重寫，以帶來速度上的顯著提高。但是，開發(fā)和測試匯編代碼是一件辛苦的工作，它將花費更長的時間，因而要慎重選擇要用匯編的部分。在程序中，存在一個80-20原則，即20%的程序消耗了80%的運行時間，因而我們要改進(jìn)效率，最主要是考慮改進(jìn)那20%的代碼。

7、提高循環(huán)語言的效率

在 C 語言中循環(huán)語句使用頻繁，提高循環(huán)體效率的基本辦法就是降低循環(huán)體的復(fù)雜性:
(1) 在多重循環(huán)中，應(yīng)將最長的循環(huán)放在最內(nèi)層，最短的循環(huán)放在最外層。這樣可以減少 CPU跨切循環(huán)的次數(shù)。如例 1-1 的效率比 1-2 的效率要低:

[plain] view plain copy print?for (j = 0; j < 30; j++){for (i = 0; i < 10; i++){……}} // 例子 1-1 for (i = 0; i < 10; i++){for (j = 0; j < 30; j++) {……}} // 例子 2-2 程序部簡潔但效率高

8、提高 switch 語句的效率

switch 語句是 C 語言中常用的選擇語句， 在編譯時會產(chǎn)生if- else- if 嵌套代碼，并按照順序進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)匹配時，就跳轉(zhuǎn)到滿足條件的語句執(zhí)行。

當(dāng) switch 語句中的 case 標(biāo)號很多時，為了減少比較的次數(shù)，可以把發(fā)生頻率相對高的條件放到第一位或者把整個 switch 語句轉(zhuǎn)化嵌套 switch 語句。把發(fā)生頻率高的 case 標(biāo)號放在最外層的 switch 語句中，發(fā)生相對頻率相對低的 case 標(biāo)號放在另外的 switch 語句中。如例 3 中，把發(fā)生率高的case 標(biāo)號放在外層的 switch 語句中，把發(fā)生頻率低的放在缺省的(default)內(nèi)層 switch 語句中。

[plain] view plain copy print? switch (表達(dá)式) { case 值1:語句1: break;case 值2：語句2：break; ……/*把發(fā)生頻率低的放在內(nèi)層的switch語句中*/default:switch (表達(dá)式) {case 值n:語句n: break;case 值m:語句m: break;……}}例子3 使用嵌套switch語句提高程序執(zhí)行效率。

9、避免使用標(biāo)準(zhǔn)庫

使用 C語言標(biāo)準(zhǔn)庫可以加快開發(fā)進(jìn)度，但由于標(biāo)準(zhǔn)庫需要設(shè)法處理用戶所有可能遇到的情況，所以很多標(biāo)準(zhǔn)庫代碼很大。比如標(biāo)準(zhǔn)庫中的 sprintf函數(shù)非常大。這個龐大的代碼中有很大一部分用于處理浮點數(shù)，如果程序中不需要格式化浮點數(shù)值( 如%f)，程序設(shè)計人員就可以根據(jù)實際情況用少量的代碼實現(xiàn)這個功能。

10、采用數(shù)學(xué)方法優(yōu)化程序

數(shù)學(xué)是計算機(jī)之母，沒有數(shù)學(xué)的依據(jù)和基礎(chǔ)，就沒有計算機(jī)的發(fā)展，所以在編寫程序的時候，采用一些數(shù)學(xué)方法會對程序的執(zhí)行效率有數(shù)量級的提高。有時候這個問題常常被大家忽略， 對于沒有經(jīng)驗的程序員來說更是如此。例如:求 1~100 的和:

sum = 100*(100+1)/2;數(shù)學(xué)公式：(a1 + an)*n/2

使用C語言的位操作可以減少除法和取模的運算。在計算機(jī)程序中數(shù)據(jù)的位是可以操作的最小數(shù)據(jù)單位，理論上可以用“位運算”來完成所有的運算和操作。因而，靈活的位操作可以有效地提高程序運行的效率。比如用用位操作區(qū)代替除法:比如:128 / 8 ->> 128 >> 3;

優(yōu)化算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對提高代碼的效率有很大的幫助。當(dāng)然有時候時間效率和空間效率是對立的，此時應(yīng)分析哪個更重要， 做出適當(dāng)?shù)恼壑?。另外，在進(jìn)行優(yōu)化的時候不要片面的追求緊湊的代碼，因為緊湊的代碼并不能產(chǎn)生高效率的機(jī)器碼。

11、存儲器分配

由于成本限制，嵌入式系統(tǒng)存儲器容量有限。程序中所有的變量，包含的庫函數(shù)以及堆棧等都使用有限的內(nèi)存:全局變量在整個程序范圍內(nèi)都有效。程序執(zhí)行完后才會釋放;靜態(tài)變量的作用范圍也是整個程序，只有局部變量中的動態(tài)變量在函數(shù)執(zhí)行完后會釋放。因此， 在程序中應(yīng)盡量使用局部變量，提高內(nèi)存使用效率。程序中堆的大小受限于所有全局?jǐn)?shù)據(jù)和?？臻g都分配后的剩余量，如果堆太小，程序不能夠在需要的時候分配內(nèi)存。因此在使用 malloc 函數(shù)申請內(nèi)存之后一定要用 free 函數(shù)進(jìn)行釋放， 防止內(nèi)存泄露。

12、選擇好的無限循環(huán)

在編程中，我們常常需要用到無限循環(huán)，常用的兩種方法是while (1) 和 for (;;)。這兩種方法效果完全一樣，但那一種更好呢?然我們看看它們編譯后的代碼:

編譯前：

while (1)； 編譯后：

mov eax，1test eax，eaxje foo+23hjmp foo+18h 編譯前：

for (;;)； 編譯后：

jmp foo+23h 顯然，for (;;)指令少，不占用寄存器，而且沒有判斷，跳轉(zhuǎn)，比while (1)好。

13、使用Memoization，以避免遞歸重復(fù)計算

考慮Fibonacci(斐波那契)問題，F(xiàn)ibonacci問題是可以通過簡單的遞歸方法來解決:

[plain] view plain copy print?int fib ( n ){if ( n == 0 || n == 1 ){return 1;}else{return fib( n - 2 ) + fib ( n - 1 );}} 注:在這里，我們考慮Fibonacci 系列從1開始，因此，該系列看起來:1，1，2，3，5，8，…

注意:從遞歸樹，我們計算fib(3)函數(shù)2次，fib(2)函數(shù)3次。這是相同函數(shù)的重復(fù)計算。如果n非常大，fib函數(shù)的效率會比較低。Memoization是一個簡單的技術(shù)，可以被用在遞歸，加強(qiáng)計算速度。fibonacci 函數(shù)Memoization的代碼如下:

[plain] view plain copy print?int calc_fib ( int n ){int val[ n ] ， i;for ( i = 0; i <=n; i++ ){val[ i ] = -1; // Value of the first n + 1 terms of the fibonacci terms set to -1}val[ 0 ] = 1; // Value of fib ( 0 ) is set to 1val[?1?]?=?1;?//?Value?of?fib?(?1?)?is?set?to?1return?fib(?n?，?val?);} int fib( int n ， int* value ){if ( value[ n ] != -1 ){return value[ n ]; // Using memoization}else{value[ n ] = fib( n - 2 ， value ) + fib ( n - 1 ， value ); // Computing the fibonacci term}return value[ n ]; // Returning the value}

除了編程上的技巧外，為提高系統(tǒng)的運行效率，我們通常也需要最大可能地利用各種硬件設(shè)備自身的特點來減小其運轉(zhuǎn)開銷，例如減小中斷次數(shù)，利用DMA傳輸方式等。

對于嵌入式系統(tǒng)，Ｃ語言在開發(fā)速度，軟件可靠性以及軟件質(zhì)量等方面都有著明顯的優(yōu)勢。本文就嵌入式Ｃ語言在系統(tǒng)開發(fā)中，如何更好的利用系統(tǒng)資源，對代碼進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)行了討論。當(dāng)然代碼優(yōu)化的方法還有很多，這里只是寫出了一部分，希望能為開發(fā)人員提供一些幫助，也歡迎大家留言交流。

原文標(biāo)題：手把手教你嵌入式C語言優(yōu)化技巧