Arm設(shè)計思想與高效C語言編程聯(lián)系

時間：2019-01-02 11:20:01

關(guān)鍵字： ARM c語言編程設(shè)計思想

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[導讀]一．RISC設(shè)計思想ARM內(nèi)核采用RISC體系結(jié)構(gòu)。RISC是一種設(shè)計思想，其目標是設(shè)計出一套能在高時鐘頻率下單周期執(zhí)行，簡單而有效的指令集。RISC的設(shè)計重點在于由硬件執(zhí)行的指令的復雜度，這是因為軟件比硬件容易提供更大

一．RISC設(shè)計思想

ARM內(nèi)核采用RISC體系結(jié)構(gòu)。RISC是一種設(shè)計思想，其目標是設(shè)計出一套能在高時鐘頻率下單周期執(zhí)行，簡單而有效的指令集。RISC的設(shè)計重點在于由硬件執(zhí)行的指令的復雜度，這是因為軟件比硬件容易提供更大的靈活性和更高的智能。因此，RISC設(shè)計對編譯器有更高的要求；相反，傳統(tǒng)的復雜指令集的計算機（CISC）則更側(cè)重于硬件執(zhí)行指令的功能性，使CISC變得更復雜。

RISC設(shè)計思想主要由下面4個設(shè)計準則來實現(xiàn)：

▇ 指令集

RISC處理器減少了指令種類，每條指令的長度都是固定的，允許流水線在當前指令譯碼階段去取其下一條指令；而CISC處理器中，指令的長度通常不固定，執(zhí)行也需要多個周期。

▇ 流水線

在理想情況下，流水線每周期前進一步，可獲得最高的吞吐率；而CISC指令的執(zhí)行需要調(diào)用微代碼的一個微程序。

▇ 寄存器

RISC處理器擁有更多的通用寄存器，每個寄存器都可存放數(shù)據(jù)或地址。寄存器可為所有的數(shù)據(jù)操作提供快速的局部存儲訪問；而CISC處理器都是用于特定目的的專用處理器。

▇ load-store結(jié)構(gòu)

處理器只能處理寄存器中的數(shù)據(jù)。獨立的load和store指令用來完成數(shù)據(jù)在寄存器和外部存儲器之間的傳送。因為訪問存儲器很耗時，所以把存儲器訪問和數(shù)據(jù)處理分開。這樣有一個好處，那就是可反復地使用保存在寄存器中的數(shù)據(jù)，而避免多次訪問存儲器。相反，在CISC結(jié)構(gòu)中，處理器能夠直接處理存儲器中的數(shù)據(jù)。

二．ARM設(shè)計思想

為降低功耗，ARM處理器已被特殊設(shè)計成較小的核，較高的代碼密度。ARM內(nèi)核不是一個純粹的RISC體系結(jié)構(gòu)，這是為了使它能夠更好的適應其主要應用領(lǐng)域-嵌入式系統(tǒng)。在某種意義上，甚至可以認為ARM內(nèi)核的成功，正是因為它沒有在RISC概念上沉入太深?，F(xiàn)在系統(tǒng)的關(guān)鍵并不在于單純的處理器速度，而在于有效的系統(tǒng)性能和功耗。

面向嵌入式系統(tǒng)的指令集

▇ 一些特定指令的周期數(shù)可變

例如：多寄存器裝載/存儲的load/store指令的執(zhí)行周期就是不確定的

▇ 內(nèi)嵌桶形移位器產(chǎn)生了更為復雜的指令

▇ Thumb 16位指令集

▇ 條件執(zhí)行

▇ 增強指令

三．高效的C編程

1）C數(shù)據(jù)類型的有效用法

▇ 對于存放在寄存器中的局部變量，除了8位或16位的算術(shù)模運算符外，盡量不要使用char和short類型。而要使用有符號或者無符號的int類型。除法運算時使用無符號數(shù)執(zhí)行速度更快。

▇ 對于存放在主存儲器中的數(shù)組和全局變量，在滿足數(shù)據(jù)大小的前提下，應盡可能使用小尺寸的數(shù)據(jù)類型，這樣做可以節(jié)省存儲空間。ARMv4體系結(jié)構(gòu)可以有效的裝載和存儲所有寬度的數(shù)據(jù)，并可以使用遞增數(shù)組的指針來有效的訪問數(shù)組。對于short類型數(shù)組，要避免使用數(shù)組基地址的偏移，因為LDRH指令不支持偏移尋址。

▇ 由于隱式或者顯式的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換通常會有額外的指令周期開銷，所以在表達式中應盡量避免使用。load和store指令一般不會產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)換開銷，因為load和store指令是自動完成數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的。

▇ 對于函數(shù)參數(shù)和返回值應盡量避免使用char和short類型。即使參數(shù)范圍比較小，也應該使用int類型，以防止編譯器做不必要的類型轉(zhuǎn)換。

2）高效的編寫循環(huán)體

▇ 使用減計數(shù)到零的循環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣編譯器就不需要分配一個寄存器來保存循環(huán)中止值，而且與0比較的指令也可以省略。

▇ 使用無符號的循環(huán)計數(shù)值，循環(huán)繼續(xù)的條件為i!=0而不是i>0，這樣可以保證循環(huán)開銷只有兩條指令。

▇ 如果事先知道循環(huán)體至少會執(zhí)行一次，那么使用do-while循環(huán)要比for循環(huán)好，這樣可以使編譯器省去檢查循環(huán)計數(shù)值是否為0的步驟。

▇ 展開重要的循環(huán)體可降低循環(huán)開銷，但不要過度展開，如果循壞的開銷對整個程序來說占的比例很小，那么循環(huán)展開反而會增加代碼量并降低cache性能。

▇ 盡量使數(shù)組的大小是4或8的倍數(shù)，這樣就可以容易地以2，4，8次等多種選擇展開循環(huán)，而不需要擔心剩余數(shù)組元素的問題。

3）高效的寄存器分配

▇ 應該盡量限制函數(shù)內(nèi)部循環(huán)所用局部變量的數(shù)目，最多不超過12個，這樣，編譯器就可以把這些變量都分配給ARM寄存器。

▇ 可以引導編譯器，通過查看是否屬于最內(nèi)層循環(huán)變量來確定某個變量的重要性

4）高效的調(diào)用函數(shù)