单片机程序设计时必须遵循几点进行优化

单片机

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；
INT8 b=-3；
a=(UINT8)b;
例子2：在大端模式下(8051 系列单片机是大端模式)，将数组a[2]转化为无符号16 位整型值。
方法1：采用位移方法。
UINT8 a[2]={0x12,0x34};
UINT16 b=0;
b=(a[0]<<8)|a[1];
结果：b=0x1234
方法2：强制类型转换。
UINT8 a[2]={0x12,0x34};
UINT16 b=0;
b= *(UINT16 *)a; //强制转换
结果：b=0x1234
例子3：保存结构体数据内容。
方法1：逐个保存。
typedef struct _ST
{
UINT8 a;
UINT8 b;
UINT8 c;
UINT8 d;
UINT8 e;
}ST;
ST s;
UINT8 a[5]={0};
s.a=1;
s.b=2;
s.c=3;
s.d=4;
s.e=5;
a[0]=s.a;
a[1]=s.b;
a[2]=s.c;
a[3]=s.d;
a[4]=s.e;
结果：数组a 存储的内容是1、2、3、4、5。
方法2：强制类型转换。
typedef struct _ST
{
UINT8 a;
UINT8 b;
UINT8 c;
UINT8 d;
UINT8 e;
}ST;
ST s;
UINT8 a[5]={0};
UINT8 *p=(UINT8 *)&s;//强制转换
UINT8 i=0;
s.a=1;
s.b=2;
s.c=3;
s.d=4;
s.e=5;
for(i=0;i {
a=*p++;
}
结果：数组a 存储的内容是1、2、3、4、5。
例子4：在大端模式下(8051 系列单片机是大端模式)将含有位域的结构体赋给无符号字节整型值
方法1：逐位赋值。
typedef struct __BYTE2BITS
{
UINT8 _bit7:1;
UINT8 _bit6:1;
UINT8 _bit5:1;
UINT8 _bit4:1;
UINT8 _bit3:1;
UINT8 _bit2:1;
UINT8 _bit1:1;
UINT8 _bit0:1;
}BYTE2BITS;
BYTE2BITS Byte2Bits;
Byte2Bits._bit7=0;
Byte2Bits._bit6=0;
Byte2Bits._bit5=1;
Byte2Bits._bit4=1;
Byte2Bits._bit3=1;
Byte2Bits._bit2=1;
Byte2Bits._bit1=0;
Byte2Bits._bit0=0;
UINT8 a=0;
a|= Byte2Bits._bit7<<7;
a|= Byte2Bits._bit6<<6;
a|= Byte2Bits._bit5<<5;
a|= Byte2Bits._bit4<<4;
a|= Byte2Bits._bit3<<3;
a|= Byte2Bits._bit2<<2;
a|= Byte2Bits._bit1<<1;
a|= Byte2Bits._bit0<<0;
结果：a=0x3C
方法2：强制转换。
typedef struct __BYTE2BITS
{
UINT8 _bit7:1;
UINT8 _bit6:1;
UINT8 _bit5:1;
UINT8 _bit4:1;
UINT8 _bit3:1;
UINT8 _bit2:1;
UINT8 _bit1:1;
UINT8 _bit0:1;
}BYTE2BITS;
BYTE2BITS Byte2Bits;
Byte2Bits._bit7=0;
Byte2Bits._bit6=0;
Byte2Bits._bit5=1;
Byte2Bits._bit4=1;
Byte2Bits._bit3=1;
Byte2Bits._bit2=1;
Byte2Bits._bit1=0;
Byte2Bits._bit0=0;
UINT8 a=0;
a = *(UINT8 *)&Byte2Bits
结果：a=0x3C
例子5：在大端模式下(8051 系列单片机是大端模式)将无符号字节整型值赋给含有位域的结构体。
方法1：逐位赋值。
typedef struct __BYTE2BITS
{
UINT8 _bit7:1;
UINT8 _bit6:1;
UINT8 _bit5:1;
UINT8 _bit4:1;
UINT8 _bit3:1;
UINT8 _bit2:1;
UINT8 _bit1:1;
UINT8 _bit0:1;
}BYTE2BITS;
BYTE2BITS Byte2Bits;
UINT8 a=0x3C;
Byte2Bits._bit7=a&0x80;
Byte2Bits._bit6=a&0x40;
Byte2Bits._bit5=a&0x20;
Byte2Bits._bit4=a&0x10;
Byte2Bits._bit3=a&0x08;
Byte2Bits._bit2=a&0x04;
Byte2Bits._bit1=a&0x02;
Byte2Bits._bit0=a&0x01;
方法2：强制转换。
typedef struct __BYTE2BITS
{
UINT8 _bit7:1;
UINT8 _bit6:1;
UINT8 _bit5:1;
UINT8 _bit4:1;
UINT8 _bit3:1;
UINT8 _bit2:1;
UINT8 _bit1:1;
UINT8 _bit0:1;
}BYTE2BITS;
BYTE2BITS Byte2Bits;
UINT8 a=0x3C;
Byte2Bits= *(BYTE2BITS *)&a;
12. 减少函数调用参数
使用全局变量比函数传递参数更加有效率。这样做去除了函数调用参数入栈和函数完成后参数出栈所需要的时间。然而决定使用全局变量会影响程序的模块化和重入，故要慎重使用。
13. switch 语句中根据发生频率来进行case 排序
switch 语句是一个普通的编程技术，编译器会产生if-else-if 的嵌套代码，并按照顺序进行比较，发现匹配时，就跳转到满足条件的语句执行。使用时需要注意。每一个由机器语言实现的测试和跳转仅仅是为了决定下一步要做什么，就把宝贵的处理器时间耗尽。为了提高速度，没法把具体的情况按照它们发生的相对频率排序。换句话说，把最可能发生的情况放在第一位，最不可能的情况放在最后。
14. 将大的switch 语句转为嵌套switch 语句
当switch 语句中的case 标号很多时，为了减少比较的次数，明智的做法是把大switch 语句转为嵌套switch 语句。把发生频率高的case 标号放在一个switch 语句中，并且是嵌套switch 语句的最外层，发生相对频率相对低的case 标号放在另一个switch 语句中。比如，下面的程序段把相对发生频率低的情况放在缺省的case 标号内。
UINT8 ucCurTask=1;
void Task1(void);
void Task2(void);
void Task3(void);
void Task4(void);
……………
void Task16(void);
switch(ucCurTask)
{
case 1: Task1();break;
case 2: Task2();break;
case 3: Task3();break;
case 4: Task4();break;
………………………
case 16: Task16();break;
default:break;
}
可以改为
UINT8 ucCurTask=1;
void Task1(void);
void Task2(void);
void Task3(void);
void Task4(void);
……………
void Task16(void);
switch(ucCurTask)
{
case 1: Task1();break;
case 2: Task2();break;
default:
switch(ucCurTask)
{
case 3: Task3();break;
case 4: Task4();break;
………………………
case 16: Task16();break;
default:break;
}
Break;
}
由于switch 语句等同于if-else-if 的嵌套代码，如果大的if 语句同样要转换为嵌套的if 语句。
UINT8 ucCurTask=1;
void Task1(void);
void Task2(void);
void Task3(void);
void Task4(void);
……………
void Task16(void);
if (ucCurTask==1) Task1();
else if(ucCurTask==2) Task2();
else
{
if (ucCurTask==3) Task3();
else if(ucCurTask==4) Task4();
………………
else Task16();
}
15. 函数指针妙用
当switch 语句中的case 标号很多时，或者if 语句的比较次数过多时，为了提高程序执行速度，可以运用函数指针来取代switch 或if 语句的用法,这些用法可以参考电子菜单实验代码、USB 实验代码和网络实验代码。
UINT8 ucCurTask=1;
void Task1(void);
void Task2(void);
void Task3(void);
void Task4(void);
……………
void Task16(void);
switch(ucCurTask)
{
case 1: Task1();break;
case 2: Task2();break;
case 3: Task3();break;
case 4: Task4();break;
………………………
case 16: Task16();break;
default:break;
}
可以改为
UINT8 ucCurTask=1;
void Task1(void);
void Task2(void);
void Task3(void);
void Task4(void);
……………
void Task16(void);
void (*szTaskTbl)[16])(void)={Task1,Task2,Task3,Task4,…,Task16};
调用方法1：(*szTaskTbl[ucCurTask])();
调用方法2： szTaskTbl[ucCurTask]();
16. 循环嵌套
循环在编程中经常用到的，往往会出现循环嵌套。现在就已for 循环为例。
UINT8 i,j;
for(i=0;i<255;i++)
{
for(j=0;j<25;j++)
{
………………
}
}
较大的循环嵌套较小的循环编译器会浪费更加多的时间，推荐的做法就是较小的循环嵌套较大的循环。
UINT8 i,j;
for(j=0;j<25;j++)
{
for(i=0;i<255;i++)
{
………………
}
}
17. 内联函数
在C++中，关键字inline 可以被加入到任何函数的声明中。这个关键字请求编译器用函数内部的代码替换所有对于指出的函数的调用。这样做在两个方面快于函数调用。这样做在两个方面快于函数调用：
第一，省去了调用指令需要的执行时间；第二，省去了传递变元和传递过程需要的时间。但是使用这种方法在优化程序速度的同时，程序长度变大了，因此需要更多的ROM。使用这种优化在inline 函数频繁调用并且只包含几行代码的时候是最有效的。
如果编译器允许在C 语言编程中能够支持inline 关键字，注意不是C++语言编程，而且单片机的ROM 足够大，就可以考虑加上inline 关键字。支持inline 关键字的编译器如ADS1.2，RealView MDK 等。
18. 从编译器着手
很多编译器都具有偏向于代码执行速度上的优化、代码占用空闲太小的优化。例如Keil 开发环境编译时可以选择偏向于代码执行速度上的优化（Favor Speed）还是代码占用空间太小的优化（Favor Size）。还有其他基于GCC 的开发环境一般都会提供-O0、-O1、-O2、—O3、-Os 的优化选项，而使用-O2 的优化代码执行速度上最理想，使用-Os 优化代码占用空间大小最小。
19. 嵌入汇编---杀手锏
汇编语言是效率最高的计算机语言，在一般项目开发当中一般都采用C 语言来开发的，因为嵌入汇编之后会影响平台的移植性和可读性，不同平台的汇编指令是不兼容的。但是对于一些执着的程序员要求程序获得极致的运行的效率，他们都在C 语言中嵌入汇编，即“混合编程”。
注意：如果想嵌入汇编，一定要对汇编有深刻的了解。不到万不得已的情况，不要使用嵌入汇编。