ARM程序優(yōu)化及其在嵌入式TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)中的應(yīng)用

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，人們對系統(tǒng)的智能化、小型化的要求也越來越高。基于ARM結(jié)構(gòu)的微處理器以其高性能、低功耗、低價格等方面的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品，特別是一些高端的嵌入式控制應(yīng)用中，例如移動電話、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信等方面。ARM技術(shù)具有很好的性能和功效，其合作伙伴包括許多世界頂級的半導(dǎo)體公司。可以說ARM技術(shù)幾乎無處不在。

TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)成為開放系統(tǒng)互聯(lián)的協(xié)議，它提供了很好的交互操作能力，可兼容多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。嵌入式技術(shù)與TCP/IP技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)展現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭和巨大的市場潛力。如何開發(fā)面向 ARM的高效代碼，尤其是提高類似于TCP/IP協(xié)議棧等基礎(chǔ)性的軟件模塊的執(zhí)行效率已成為每個從事基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員必須思考的問題。

面向ARM的程序優(yōu)化

開發(fā)高效的程序涉及很多方面，包括優(yōu)秀的算法實現(xiàn)、良好的編程風(fēng)格以及針對目標(biāo)的程序優(yōu)化。程序優(yōu)化是指軟件編程基本結(jié)束后，利用軟件開發(fā)工具對程序代碼進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，使程序能夠更加充分地利用有限的軟硬件資源，縮減代碼尺寸，提高運行效率的過程。

在實際的程序設(shè)計過程中，程序優(yōu)化的兩個目標(biāo)（運行速度和代碼大小）往往是互相矛盾的。為了提高程序運行效率，就要以犧牲存儲空間、增加代碼量為代價；而為了減少程序代碼量、壓縮存儲器空間，可能又要以降低程序運行效率為代價。按照優(yōu)化的側(cè)重點不同，程序優(yōu)化可分為運行速度優(yōu)化和代碼尺寸優(yōu)化。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，存儲空間已不再是制約系統(tǒng)集成的主要因素。面向ARM的程序優(yōu)化主要是討論如何在了解匯編語言和編譯規(guī)則的基礎(chǔ)上編寫出能夠高效運行的C語言程序。

作為高性能、低功耗的RISC芯片，ARM的C語言編譯器已經(jīng)非常成熟。盡管如此，在編寫面向ARM的C源程序時，對程序進(jìn)行必要的優(yōu)化仍是提高程序運行效率的有效途徑。以下是一些在實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議過程中用到的比較典型的優(yōu)化原則和方法，這些技術(shù)也適用于其他RISC

指令集微處理器。

變量定義

32位 ARM處理器的指令集支持有符號/無符號的8位、16位、32位整型和浮點型變量類型，這不僅可以節(jié)省代碼，而且可以提高代碼的運行效率。按照作用范圍的不同，C語言的變量可以劃分為全局變量和局部變量。ARM編譯器通常將全局變量定位在存儲空間中，局部變量分配給通用寄存器。

在全局變量聲明時，需要考慮最佳的存儲器布局，使得各種類型的變量能以32位的空間位基準(zhǔn)對齊，從而減少不必要的存儲空間浪費，提高運行效率。如：

這里定義的四個變量形式相同，只是次序不同，卻導(dǎo)致了在最終映像中不同的數(shù)據(jù)布局，如圖1所示。顯然第二種方式節(jié)約了更多的存儲器空間。

對于局部變量，要盡量不使用32位以外的變量類型。當(dāng)一個函數(shù)的局部變量數(shù)目不多時，編譯器會把局部變量分配給內(nèi)部寄存器，每個變量占一個32位的寄存器。這樣short和char類型的變量不但起不到節(jié)省空間的作用，反而會耗費更多的指令周期來完成short和char的存取操作。C語言代碼及其編譯結(jié)果如下所示：

條件執(zhí)行

條件執(zhí)行是程序中必不可少的基本操作。典型的條件執(zhí)行代碼序列是由一個比較指令開始的，接下來是一系列相關(guān)的執(zhí)行語句。ARM中的條件執(zhí)行是通過對運算結(jié)果標(biāo)志位進(jìn)行判斷實現(xiàn)的，一些帶標(biāo)志位的運算結(jié)果中，N和Z標(biāo)志位的結(jié)果與比較語句的結(jié)果相同。盡管在C語言中沒有帶標(biāo)志位的指令，但在面向ARM的C語言程序中，如果運算結(jié)果是與0作比較，編譯器會移去比較指令，通過一條帶標(biāo)志位指令實現(xiàn)運算和判斷。例如：