在i.MX RT飛行學習板中的軟件優(yōu)化辦法，讓C代碼在ARM Cortex-M7內核上極速飛奔

牡丹雖好，仍需綠葉扶持；RT雖快，仍需優(yōu)化。本文將分享在i.MX RT飛行學習板中的軟件優(yōu)化辦法，讓C代碼在ARM Cortex-M7內核上極速飛奔！01

概述

i.MX RT飛行學習板，是真的會飛的處理器學習板！它的核心是恩智浦公司的跨界處理器i.MX RT1052， 基于ARM Cortex-M7內核，主頻達600 MHz！對于電機驅動，雖然速度驚人，但是這個學習板要同時運行“4無刷電機FOC驅動 + 飛控算法”，所以依然不是輕易的事情。

牡丹雖好，仍需綠葉扶持，下面將分享多種優(yōu)化手段，讓C代碼在i.MX RT上極速飛奔，實現(xiàn)這個“單芯片無人機”。先上段熱身視頻。

視頻1 熱身視頻

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加快代碼速度的秘訣

1、選擇硬件浮點

重要而簡單的第一步是：在編譯器中選擇“硬件雙精度浮點”，圖1是在KEIL中的選擇配置。

圖1 雙精度浮點

選擇“硬件雙精度浮點”的作用是，當C代碼需要雙精度、單精度浮點運算，編譯器就選擇最優(yōu)的浮點指令，速度最快！如果選擇“硬件單精度浮點”，單精度浮點運算就用單精度浮點指令，但雙精度浮點運算只能結合多條單精度指令完成，速度較慢。如果不選擇任何硬件浮點，編譯器僅能用定點指令完成浮點運算，速度非常慢。

但要注意，不是任意處理器都支持“硬件浮點”，即便同樣是ARM Cortex-M7內核，有些半導體廠家為了降低成本，會裁掉“雙精度浮點”單元，只留下“單精度浮點”。而i.MX RT支持完整的單、雙精度浮點單元。得益于這個優(yōu)勢，飛行學習板中的ZLG-Soar飛控軟件，全部核心代碼都使用雙精度浮點指令，不單止精度高、而且速度超快，在相同主頻下，比定點指令的Cortex-M3快20倍以上！

2、關鍵代碼RAM中運行

將代碼放在ITCM相連的RAM中運行，速度最快！

Cortex-M7的中ITCM（Instruction-Tightly Coupled Memories）是專門的指令總線。我們在i.MX RT1052中分配了256Kbytes的內部RAM在ITCM上，而且和Flash相比，內部RAM沒有明顯的讀取延時，所以代碼在這段RAM中運行，速度是最快的，沒有更快！

程序清單1是飛行學習板在KEIL中的分散加載的配置，全部只讀RO數(shù)據(jù)（即代碼和CONST變量等）放在0x00000400地址開始的ITCM RAM里面。KEIL編譯后，其實全部原始數(shù)據(jù)都是存在Flash中，但 KEIL自動在main函數(shù)前插入一段Flash函數(shù)，該函數(shù)將相關的代碼從Flash復制到RAM，最后將PC指針改到RAM。這樣代碼就從RAM開始運行。

程序清單1 ITCM RAM分散加載

如果代碼很大，無法全部復制到RAM中運行，那么可以修改分散加載，僅將必要的代碼放在RAM中運行，其他代碼在Flash中運行。

3、關鍵算法寫成宏定義

在ZLG-FOC電機矢量控制庫中，全部核心算法都寫成宏定義的形式，如程序清單2的Clarke變換。

程序清單2 宏定義算法

如果寫成C函數(shù)，那么上層代碼調用時，一般先進行入棧操作、保護現(xiàn)場，接著跳轉到該函數(shù)運行，然后調用返回指令回到上層代碼，最后進行出棧操作、恢復現(xiàn)場。這個過程必然會延長爭分奪秒的算法執(zhí)行時間。

可能有的人會說：在函數(shù)前面聲明inline，函數(shù)不就直接嵌入到上層代碼中，省去這些啰嗦過程嗎？其實不一定，編譯器也是很無奈的，KEIL和IAR的編譯手冊都說得很明白：根據(jù)代碼調用與被調用的復雜程度，能嵌進去的，編譯器就幫忙嵌進去，不能嵌進去的，只能按普通函數(shù)那樣處理！

但如果將算法寫成宏定義，那么編譯會100%保證代碼會被直接嵌入到上層代碼中！只是對于過長的代碼，宏定義編寫不方便，這時候可以將代碼分拆成多個宏定義組合使用，或者僅把最必要的部分寫成宏定義。

4、盡量用C，少用匯編

盡量用C，少用匯編？晚上加班眼花，寫反了吧？沒寫錯，“匯編比C快”是好多年前、奔騰電腦時代的事情！現(xiàn)在是人工智能、大數(shù)據(jù)的時代，KEIL和IAR 的C編譯器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，都變得非常聰明了（GCC筆者使用不多，不敢莽加評論）。首先，人腦能想到的最優(yōu)指令，C編譯器很多時候也能想到，可能比人腦想得更優(yōu)！再者，用匯編寫代碼，即便絞盡腦汁，頂多就單個函數(shù)速度最優(yōu)，僅此而已！而C編譯器還會“綜合統(tǒng)籌”，例如，前后重復的代碼，它會合拼在一起；廢話、沒用的代碼，它會刪除；函數(shù)反復跳轉時的出入棧過程，它會想辦法減少……再配合上面提到的“算法寫成宏定義”，C代碼的運行速度將更快！

就如我們敬愛的周工教導說：豬腦不如人腦、人腦不如電腦，i.MX RT在極速飛奔下就是很好的體現(xiàn)。

5、巧妙浮點出入棧

圖2顯示了Cortex-M7的浮點寄存器，S0-S31是浮點的通用寄存器，其他是控制或狀態(tài)等寄存器。如果軟件使能了浮點單元，那么在中斷發(fā)生后，M7默認會將S0-S15、FPSCR等17個浮點寄存器硬件入棧，中斷完成后硬件出棧。雖然說是“硬件”，其實硬件也要花時間一個一個寄存器弄的，只不過比軟件處理，省了調用指令的時間。

圖2 Cortex-M7浮點寄存器

這里提出一個問題：假如有10個中斷程序輪流產(chǎn)生，處理器就自動對17個浮點寄存器出入棧操作，但如果僅只有一個中斷使用了浮點指令，其他9個都不使用，那么大部分浮點出入棧的操作都是浪費時間的！

如何解決這個問題呢？

ARM提出一種LAZY模式（其實一點都不懶），在中斷發(fā)生后，硬件只給17個浮點寄存器預留堆?？臻g，但不入棧，只有中斷函數(shù)調用了第一條浮點指令前（例如浮點加、減、乘、除），硬件才補充入棧；中斷完成后，如果真的發(fā)生過硬件浮點入棧，才會相應地出棧。這樣大大提高了浮點出入棧的效率！這種LAZY模式夠聰明吧，真不知ARM怎樣起名的，可能懶的極端就是聰明吧。

6、代碼清晰、聰明

圖3中的兩條蛇在樹上互相糾纏，分不清尾巴是誰的。寫代碼也同樣道理，如果習慣性地想到一點寫一點、寫前不規(guī)劃、寫后懶修改，就像圖3左邊的代碼，一堆if/else，邏輯模糊、難懂、難改，運行速度沒保證。而右邊的代碼是經(jīng)過分析推理的聰明辦法，用switch case替代一堆if/else，邏輯清晰、易懂、易改，運行速度有保證！

圖3 清晰聰明的代碼

前面介紹了很多在i.MX RT上加快代碼速度的方法，但都是輔助的，最核心的還是：花點心思規(guī)劃代碼要怎樣寫，代碼要清晰、聰明。

03

總結

牡丹雖好，仍需綠葉扶持，RT雖快，但仍需優(yōu)化才能發(fā)揮到極致的速度，將不可能的事情變?yōu)楝F(xiàn)實！就如我們ZLG的i.MX RT飛行學習板，是業(yè)界唯一的“4無刷電機FOC +飛控算法”的無人機方案。

11月初期的廣州還是茵茵綠草，我們踏青放飛去。

視頻2 踏青放飛