與編譯器開(kāi)發(fā)商密切合作優(yōu)化微控制器開(kāi)發(fā)

微控制器開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)與編譯器開(kāi)發(fā)人員的合作成果是生成的代碼效率更高，性能更好。本文介紹的是為了使ATMEL AVR微控制器系列更適合C編譯器，開(kāi)發(fā)者在編譯器開(kāi)發(fā)階段對(duì)微控制器架構(gòu)和指令集所進(jìn)行的調(diào)整。

AVR架構(gòu)的核心是一個(gè)可快速訪問(wèn)RISC寄存器文件。該文件由32個(gè)8位通用寄存器構(gòu)成。微控制器可在一個(gè)單時(shí)鐘周期內(nèi)加載該文件中的任意兩個(gè)寄存器到算術(shù)邏輯單元(Arithmetic Logical Unit, ALU)，完成所要求的操作，將結(jié)果寫(xiě)回到任意一個(gè)寄存器。ALU支持寄存器間或某一寄存器與一個(gè)常數(shù)之間的運(yùn)算和邏輯功能，單寄存器操作也是在ALU中執(zhí)行的。微控制器使用一個(gè)哈佛(Harvard)架構(gòu)，在該架構(gòu)中，程序存儲(chǔ)器空間與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間是相互隔離的。程序存儲(chǔ)器采用單級(jí)管道訪問(wèn)技術(shù)，當(dāng)一條指令被執(zhí)行的同時(shí)，下一條指令已從程序存儲(chǔ)器中被預(yù)先提取。由于其算術(shù)和邏輯操作都真正地在單周期內(nèi)完成，因此AVR微控制器的性能達(dá)到每MHz一個(gè)MIPS。

圖1 AVR 架構(gòu)

細(xì)調(diào)微控制器
采用高級(jí)語(yǔ)言(High Level Languange, HLL)代替匯編語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)微控制器應(yīng)用程序有許多優(yōu)勢(shì)，但一直都有一個(gè)重大缺點(diǎn)，即代碼量不斷增加。我們?cè)陂_(kāi)發(fā)AVR微控制器時(shí)考慮了使用C語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用，使得我們有可能為器件構(gòu)建出一個(gè)高效C編譯器。為了進(jìn)一步提升這項(xiàng)特性，我們?cè)贏VR的架構(gòu)和指令集未完成前就開(kāi)始著手C編譯器的開(kāi)發(fā)。我們先讓瑞典 IAR Systems的編譯器專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)人員對(duì)我們的AVR架構(gòu)和指令集進(jìn)行評(píng)測(cè)，最后開(kāi)發(fā)出非常適合運(yùn)行C編譯器生成代碼的微控制器。

尋址模式
為讓編譯器生成高效的代碼，重要的是讓尋址模式匹配C語(yǔ)言的需要。AVR架構(gòu)原來(lái)配了兩個(gè)指針寄存器(Pointer Register)。這兩個(gè)指針可用于間接尋址、算后增量(post increment)間接尋址、算前減量(pre-decrement)間接尋址，以及帶位移(displacement)的間接尋址，能夠很好地支持指針操作。此外，還有一個(gè)用于訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中變量的頁(yè)面直接尋址模式。

指針位移
帶位移的間接尋址是一種非常有用的尋址模式，即使從C編譯器的角度亦如此。例如，將指針指向某一結(jié)構(gòu)(struct)的第一個(gè)成員，就可以訪問(wèn)該結(jié)構(gòu)內(nèi)位移量所允許的其他任何位置，無(wú)須變更16位指針。帶位移的間接尋址模式也常常用于訪問(wèn)軟件堆棧上的變量。函數(shù)參數(shù)和autos常常放在軟件堆棧上，這樣，不用變更指針就可進(jìn)行讀寫(xiě)操作。位移尋址在定位數(shù)組成員(addressing elements in an array)時(shí)也非常有用。

盡管位移模式在許多情況下非常有用，但仍存在一個(gè)位移受限的問(wèn)題。位移原本被限制在16個(gè)位置以?xún)?nèi)，而實(shí)際應(yīng)用往往超出該數(shù)量。這樣，在位移模式無(wú)法訪問(wèn)的位置，就必須加載一個(gè)新的指針。為擴(kuò)展位移模式的訪問(wèn)范圍，我們不得不改變指令集的其他部分，以獲得足夠的編碼空間。同時(shí)，我們還得知，C編譯器很難使用頁(yè)面直接尋址模式。于是，取消了頁(yè)面直接尋址模式，使用騰出的空間將位移模式擴(kuò)展為64個(gè)位置，足以滿足大多數(shù)間接尋址的要求。原來(lái)的頁(yè)面直接尋址模式變成一個(gè)兩個(gè)字長(zhǎng)的非頁(yè)面直接尋址模式。

存儲(chǔ)器指針數(shù)
AVR微控制器原來(lái)配置了兩個(gè)16位存儲(chǔ)器指針。如要采用C編譯器，那么其中一個(gè)指針必須專(zhuān)門(mén)用作軟件堆棧，這樣，就只剩一個(gè)存儲(chǔ)器指針。在許多情況下，需要將存儲(chǔ)器從一個(gè)區(qū)域復(fù)制到另一個(gè)區(qū)域。但由于只有一個(gè)指針，需要讀1字節(jié)，設(shè)置指針，確定寫(xiě)入目標(biāo)位置，寫(xiě)入這字節(jié)，然后再將指針設(shè)回?cái)?shù)據(jù)源位置。如果增加第三個(gè)存儲(chǔ)器指針(精簡(jiǎn)功能)，完成存儲(chǔ)器區(qū)域復(fù)制就不需要設(shè)置指針。如下例所示，只要使用算后增量間接尋址模式就可構(gòu)建非常高效的存儲(chǔ)器讀寫(xiě)循環(huán)(假設(shè)：將指針Z指向源的第一字節(jié)，X指向目標(biāo)的第一字節(jié))：

LDI R16,0x60 ;Load byte count
loop: LD R17,Z+ ;Load byte,
increment pointer
　ST X+,R17 ;Store
byte, increment pointer
　SUBI R16,1;Decrement
counter
BRNE loop; Branch
if more bytes
具備指針?biāo)愫笤隽?post increment)、算前減量(pre-decrement) (+1、-1)操作的可能性對(duì)于實(shí)現(xiàn)堆棧也非常有效。這當(dāng)然也可用于軟件運(yùn)行時(shí)間堆棧。