本章將幫助讀者在ARM處理器上編寫高效的C代碼。本章涉及的一些技術不僅適用于ARM處理器，也適用于其他RISC處理器。本章首先從ARM編譯器及其優化入手，講解C編譯器在優化代碼時所碰到的一些問題。理解這些問題，將有助于編寫出在提高執行速度和減少代碼尺寸方面更高效的C源代碼。
　　本章假定讀者熟悉C語言，并且有一些匯編語言編程方面的知識。有關ARM編程的詳細信息，請參閱本書的相關章節。
　　14.1 C編譯器及其優化
　　本章主要講解C編譯器在代碼優化時遇到的一些問題。要編寫高效的C語言源代碼，必須了解C編譯器對什么形式的代碼有所改動，編譯器涉及的處理器結構的限制，以及一些特殊的C編譯器的限制。
　　14.1.1 為編譯器選擇處理器結構
　　在編譯C源文件時，必須為編譯器指定正確的處理器類型。這樣可以使編譯的代碼最大限度地利用處理器的硬件結構，如對半字加載（Halfword Load）、存儲指令（Store Instructions）和指令調度（Instruction Scheduling）的支持。所以編譯程序時，應該盡量準確地告訴編譯器該代碼是運行在什么類型的處理器上。有些處理器類型編譯器是不能直接支持，如SA-1100，這時可以使用與該類型處理器為同一指令集的基本處理器，比如對于SA-100，可以使用StrongARM。
　　注意指定目標處理器可能使代碼與其他ARM處理器不兼容。例如，編譯時指定了ARMv6體系結構的代碼，可能不能運行在ARM920T的處理器上（如果代碼中使用了ARMv6體系結構中特有的指令）。
　　選擇處理器類型可以使用--cpu name編譯選項。該選項生成用于特定ARM處理器或體系結構的代碼。
　　如果name是處理器名稱。
　　· 輸入名稱必須和ARM數據表中所示嚴格一致，例如ARM7TDMI。該選項不接受通配符字符。有效值是任何 ARM6 或更高版本的 ARM 處理器。
　　· 選擇處理器操作會選擇適當的體系結構、浮點單元 （FPU） 以及存儲結構。
　　· 某些--cpu選擇暗含--fpu選擇。例如，當使用--arm選項編譯時，--cpu ARM1136JF-S暗含--fpu vfpv2。隱式FPU只覆蓋命令行上出現在--cpu選項前面的顯式--fpu選項。如果沒有指定--fpu選項和--cpu選項，則使用--fpu softvfp。
　　14.1.2 調試選項
　　如果在編譯C源程序時，設置了調試選項，這將很大程度地影響最終代碼的大小和執行效率。因為帶調試信息的代碼映像，為了能夠在調試程序時正確地顯示變量或設置斷點，包含很多冗余的代碼和數據。所以如果想最大限度地提供程序執行效率、減少代碼尺寸，就要在編譯源文件時，去除編譯器的調試選項。
　　以下選項指定調試表生成方法。
　　· -g （--debug）：該選項啟用生成當前編譯的調試表。無論是否使用-g選項，編譯器都生成的代碼是相同的。惟一差別是調試表的存在與否。編譯器是否對代碼進行優化是由-O選項指定調的。默認情況下，使用-g選項等價于使用：-g -dwarf2 --debug_macros。
　　注意編譯程序時，只使用-g選項而沒有使用優化選項，編譯器會提示警告信息。
　　· --no_debug：該選項禁止生成當前編譯的調試表。這是默認選項。
　　· --no_debug_macros：當與-g一起使用時，該選項禁止生成預處理程序宏定義的調試表條目（Entry）。這會減小調試映像的大小。-gt-p是-gtp的同義字。
　　--debug_macros 當與 -g 一起使用時，該選項啟用生成預處理程序宏定義的調試表條目。這是默認選項，會增加調試映像的大小。一些調試程序忽略預處理程序條目。
　　14.1.3 優化選項
　　使用-Onum選擇編譯器的優化級別。優化級別分別為。
　　· -O0：除一些簡單的代碼編號之外，關閉所有優化。使用該編譯選項可以提供最直接的優化信息。
　　· -O1：關閉嚴重影響調試效果的優化功能。使用該編譯選項，編譯器會移除程序中未使用到的內聯函數和靜態函數。如果與 --debug 一起使用，該選項可以在較好的代碼密度下，給出最佳調試視圖。
　　· -O2：生成充分優化代碼。如果與 --debug 一起使用，調試效果可能不令人滿意，因為目標代碼到源代碼的映射可能因為代碼優化而發生變化。
　　如果不生成調試表，這是默認優化級別。
　　· -O3：最高優化級別。使用該優化級別，使生成的代碼在時間和空間上尋求平衡。該選項常和-Ospace和-Otime配合使用。
　　· -O3 –Otime：使用該選項編譯的代碼比-O2 –Otime選項編譯的代碼，在執行速度上要快，但占用的空間也更大。
　　· -O3 -Ospace：產生的代碼比使用-O2 -Ospace選項產生的代碼尺寸小，但執行效率可能會差。
　　如果要使編譯的代碼更側重于代碼的尺寸或執行效率（兩者往往不可兼得），可以使用下面的編譯選項。
　　· -Ospace：指示編譯程序執行優化，以延長執行時間為代價減小映像大小。例如，由外部函數調用代替內聯函數。如果代碼大小比性能更重要，則使用該選項。這是編譯器的默認設置。
　　· -Otime：指示編譯程序執行優化，以增大映像大小為代價縮短執行時間。如果執行時間比代碼大小更重要，則使用該選項。例如，它編譯：
　　while （expression） body;
　　為：
　　if （expression） {
　　do body;
　　while （expression）;
　　}
　　如果既不指定-Otime也不指定-Ospace，則編譯器默認使用-Ospace。可使用-Otime編譯代碼中對時間要求嚴格的部分，使用-Ospace編譯其余部分。但不能在同一編譯程序調用中同時指定-Otime和-Ospace。
　　14.1.4 AAPCS選項
　　ARM結構過程調用標準AAPCS（Procedure Call Standard for the ARM Architecture）是ARM體系結構二進制接口ABI（Application Binary Interface for the ARM Architecture【BSABI】）標準的一部分。使用該標準可以很方便的執行C和匯編語言的相互調用。
　　編譯程序時，使用--apcs選項可以指定所使用得AAPCS標準的版本。如果沒有指定--apcs或--cpu選項，則編譯器使用下面默認編譯選項。
　　--apcs /noswst/nointer/noropi/norwpi --cpu ARM7TDMI --fpu softvfp
　　有關AAPCS的詳細信息，請參加ARM相關文檔。
　　14.1.5 編譯選項對代碼生成影響示例
　　本節舉例說明編譯器的優化選項如何影響代碼生成。
　　1．使用-O0選項
　　下面的例子顯示了即使使用-O0編譯選項對代碼進行編譯時，有些冗余代碼還是會被編譯器自動清除。
　　int f（int *p）
　　{
　　return （*p = = *p）;
　　}
　　使用armcc -c -O0對源程序進行編譯，生成的匯編代碼如下所示。
　　f
　　MOV r1， r0
　　MOV r0， #1
　　MOV pc， lr
　　通過上面的例子可以看到，編譯出的最終代碼中沒有加載（Load）指針P的值，變量*p被編譯器優化掉了。如果不想讓編譯器對變量*p做優化，可以使用“volatile”對變量進行聲明。下面的例子，顯示了將變量聲明為“volatile”類型后，使用armcc編譯（-O2的優化級別）后的結果。
　　f
　　LDR r1，［r0］
　　LDR r0，［r0］
　　CMP r1，r0
　　MOVNE r0，#0
　　MOVEQ r0，#1
　　MOV pc，lr
　　另外，編譯的代碼中的“MOV r1， r0”并沒有實際意義，只是為了方便調試程序時設置斷點使用。
　　2．冗余代碼的清除
　　下面例子顯示了一段急待優化的代碼。
　　int dummy（）
　　{
　　int a=10， b=20;
　　int c;
　　c=a+b;
　　return 0;
　　}
　　當使用arm –c –O0進行編譯時，產生的匯編碼如下所示。
　　dummy：
　　0000807C E3A0100A MOV r1，#0xa
　　》》》 REDUNDANT\#3 int a=10，b=20;
　　00008080 E3A02014 MOV r2，#0x14
　　》》》 REDUNDANT\#5 c=a+b;
　　00008084 E0813002 ADD r3，r1，r2
　　》》》 REDUNDANT\#6 return 0;
　　00008088 E3A00000 MOV r0，#0
　　》》》 REDUNDANT\#7 }
　　0000808C E12FFF1E BX r14
　　從上面的匯編輸出可以看到，編譯器并沒有對程序中的冗余變量做任何工作。但上面這段代碼在編譯時，編譯器會給出警告，警告信息如下所示。
　　Warning ： #550-D： variable “c” was set but never used
　　Redundant.c line 4 int c;
　　但如果將編譯器的優化級別提高，如使用arm –c –O1命令，則編譯器輸出的匯編代碼如下所示。
　　dummy：
　　0000807C E3A00000 MOV r0，#0
　　》》》 REDUNDANT\#7 }
　　00008080 E12FFF1E BX r14
　　從上面的例子看出，當優化級別提高到-O1時，程序中的冗余變量就會被清除。
　　3．指令重排
　　當指定編譯器對程序代碼進行優化時，編譯器會對程序中排列不合理的匯編指令序列進行重排（只有在-O1及其以上的優化級別中才有），重排的目的是為了減少指令互鎖（interload）。所謂互鎖就是指如果一條指令需要前一條指令的執行結果，而這時結果還沒有出來，那么處理器就會等待。這被稱為流水線冒險（pipeline hazard），也被稱為流水線互鎖。
　　下面例子顯示了對同一程序使用代碼重排和不使用代碼重排所產生的匯編碼的區別。÷
　　程序的源代碼如下所示。
　　int f（int *p， int x）
　　{ return *p + x * 3; }
　　使用-O0選項對代碼進行編譯（無代碼重排），產生的結果如下所示。
　　ADD r1，r1，r1，LSL #1
　　LDR r0，［r0，#0］
　　ADD r0，r0，r1 ; ARM9上產生互鎖
　　MOV pc，lr
　　使用-O1選項對代碼進行編譯（存在代碼重排），產生的結果如下所示。
　　ADD r1，r1，r1，LSL #1
　　ADD r0，r0，r1
　　MOV pc，lr
　　指令重排發生在寄存器定位和代碼產生階段。代碼重排只對ARM9及其以后的處理器版本產生作用。當使用代碼重排時，代碼的執行速度平均提供4％。可以使用-zpno_optimize_
　　scheduling編譯選項關閉代碼重排。
　　4．內嵌函數
　　通常情況下，如果不指定編譯選項，編譯器會將一些代碼量小且調用次數少的函數內嵌進調用函數中。如果某段子程序在其他模塊中沒有被調用，請使用Static關鍵字將其標識。
　　編譯選項的--autoinline和--no_autoinline可以作為內嵌函數的使能開關。--no_autoinline選項為-O0和-O1選項的默認選項，但如果指定-O2或-O3的優化選項，編譯器將默認使用--autoinline選項。
　　有關內嵌函數的詳細信息，請參見本書內嵌函數一節。
　　下面的例子顯示了同一段程序，使用內嵌功能和不使用內嵌功能編譯出的不同結果。
　　要編譯的源文件如下。
　　int bar（int a）
　　{
　　a=a+5;
　　return a;
　　}
　　int foo（int i）
　　{
　　i=bar（i）;
　　i=i-2;
　　i=bar（i）;
　　i++;
　　return i;
　　}
　　下面的匯編程序為不使用內嵌功能時編譯出的結果。
　　bar
　　ADD r0，r0，#5
　　MOV pc，lr
　　foo
　　STR lr，［sp，#-4］！
　　BL bar
　　SUB r0，r0，#2
　　BL bar
　　ADD r0，r0，#1
　　LDR pc，［sp］，#4
　　下面的匯編碼是使用內嵌功能時編譯出的結果。
　　foo
　　ADD r0，r0，#5
　　SUB r0，r0，#2
　　ADD r0，r0，#5
　　ADD r0，r0，#1
　　MOV pc，lr
　　從上面的例子可以看出在使用內嵌功能時，函數間的相互調用減少了數據的壓棧和出棧，節省了程序的執行時間，但如果內嵌函數被調用多次會造成空間的浪費。
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