對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，通常是指優(yōu)化程序代碼或程序執(zhí)行速度。優(yōu)化代碼和優(yōu)化速度實(shí)際上是一個(gè)予盾的統(tǒng)一。一般是優(yōu)化了代碼的尺寸，就會(huì)帶來(lái)執(zhí)行時(shí)間的增加;如果優(yōu)化了程序的執(zhí)行速度，通常會(huì)帶來(lái)代碼增加的副作用。很難魚(yú)與熊掌兼得，只能在設(shè)計(jì)時(shí)掌握一個(gè)平衡點(diǎn)。

01

程序結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

1、程序的書(shū)寫(xiě)結(jié)構(gòu)

雖然書(shū)寫(xiě)格式并不會(huì)影響生成的代碼質(zhì)量，但是在實(shí)際編寫(xiě)程序時(shí)還是應(yīng)該尊循一定的書(shū)寫(xiě)規(guī)則，一個(gè)書(shū)寫(xiě)清晰、明了的程序，有利于以后的維護(hù)。在書(shū)寫(xiě)程序時(shí)，特別是對(duì)于While、for、do…while、if…else、switch…case 等語(yǔ)句或這些語(yǔ)句嵌套組合時(shí)，應(yīng)采用“縮格”的書(shū)寫(xiě)形式。

2、標(biāo)識(shí)符

程序中使用的用戶(hù)標(biāo)識(shí)符除要遵循標(biāo)識(shí)符的命名規(guī)則以外，一般不要用代數(shù)符號(hào)(如a、b、x1、y1)作為變量名，應(yīng)選取具有相關(guān)含義的英文單詞(或縮寫(xiě))或漢語(yǔ)拼音作為標(biāo)識(shí)符，以增加程序的可讀性，如：count、number1、red、work 等。

3、程序結(jié)構(gòu)

C 語(yǔ)言是一種高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，提供了十分完備的規(guī)范化流程控制結(jié)構(gòu)。因此在采用C 語(yǔ)言設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序時(shí)，首先要注意盡可能采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，這樣可使整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和維護(hù)。

對(duì)于一個(gè)較大的應(yīng)用程序，通常將整個(gè)程序按功能分成若干個(gè)模塊，不同模塊完成不同的功能。各個(gè)模塊可以分別編寫(xiě)，甚至還可以由不同的程序員編寫(xiě)，一般單個(gè)模塊完成的功能較為簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)和調(diào)試也相對(duì)容易一些。在C 語(yǔ)言中，一個(gè)函數(shù)就可以認(rèn)為是一個(gè)模塊。

所謂程序模塊化，不僅是要將整個(gè)程序劃分成若干個(gè)功能模塊，更重要的是，還應(yīng)該注意保持各個(gè)模塊之間變量的相對(duì)獨(dú)立性，即保持模塊的獨(dú)立性，盡量少使用全局變量等。對(duì)于一些常用的功能模塊，還可以封裝為一個(gè)應(yīng)用程序庫(kù)，以便需要時(shí)可以直接調(diào)用。但是在使用模塊化時(shí)，如果將模塊分成太細(xì)太小，又會(huì)導(dǎo)致程序的執(zhí)行效率變低(進(jìn)入和退出一個(gè)函數(shù)時(shí)保護(hù)和恢復(fù)寄存器占用了一些時(shí)間)。

4、定義常數(shù)

在程序化設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于經(jīng)常使用的一些常數(shù)，如果將它直接寫(xiě)到程序中去，一旦常數(shù)的數(shù)值發(fā)生變化，就必須逐個(gè)找出程序中所有的常數(shù)，并逐一進(jìn)行修改，這樣必然會(huì)降低程序的可維護(hù)性。因此，應(yīng)盡量當(dāng)采用預(yù)處理命令方式來(lái)定義常數(shù)，而且還可以避免輸入錯(cuò)誤。

5、減少判斷語(yǔ)句

能夠使用條件編譯(ifdef)的地方就使用條件編譯而不使用if 語(yǔ)句，有利于減少編譯生成的代碼的長(zhǎng)度。

6、表達(dá)式

對(duì)于一個(gè)表達(dá)式中各種運(yùn)算執(zhí)行的優(yōu)先順序不太明確或容易混淆的地方，應(yīng)當(dāng)采用圓括號(hào)明確指定它們的優(yōu)先順序。一個(gè)表達(dá)式通常不能寫(xiě)得太復(fù)雜，如果表達(dá)式太復(fù)雜，時(shí)間久了以后，自己也不容易看得懂，不利于以后的維護(hù)。

7、函數(shù)

對(duì)于程序中的函數(shù)，在使用之前，應(yīng)對(duì)函數(shù)的類(lèi)型進(jìn)行說(shuō)明，對(duì)函數(shù)類(lèi)型的說(shuō)明必須保證它與原來(lái)定義的函數(shù)類(lèi)型一致，對(duì)于沒(méi)有參數(shù)和沒(méi)有返回值類(lèi)型的函數(shù)應(yīng)加上“void”說(shuō)明。如果果需要縮短代碼的長(zhǎng)度，可以將程序中一些公共的程序段定義為函數(shù)。如果需要縮短程序的執(zhí)行時(shí)間，在程序調(diào)試結(jié)束后，將部分函數(shù)用宏定義來(lái)代替。注意，應(yīng)該在程序調(diào)試結(jié)束后再定義宏，因?yàn)榇蠖鄶?shù)編譯系統(tǒng)在宏展開(kāi)之后才會(huì)報(bào)錯(cuò)，這樣會(huì)增加排錯(cuò)的難度。

8、盡量少用全局變量，多用局部變量

因?yàn)槿肿兞渴欠旁跀?shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，定義一個(gè)全局變量，MCU 就少一個(gè)可以利用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，如果定義了太多的全局變量，會(huì)導(dǎo)致編譯器無(wú)足夠的內(nèi)存可以分配;而局部變量大多定位于MCU 內(nèi)部的寄存器中，在絕大多數(shù)MCU 中，使用寄存器操作速度比數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器快，指令也更多更靈活，有利于生成質(zhì)量更高的代碼，而且局部變量所的占用的寄存器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在不同的模塊中可以重復(fù)利用。

9、設(shè)定合適的編譯程序選項(xiàng)

許多編譯程序有幾種不同的優(yōu)化選項(xiàng)，在使用前應(yīng)理解各優(yōu)化選項(xiàng)的含義，然后選用最合適的一種優(yōu)化方式。通常情況下一旦選用最高級(jí)優(yōu)化，編譯程序會(huì)近乎病態(tài)地追求代碼優(yōu)化，可能會(huì)影響程序的正確性，導(dǎo)致程序運(yùn)行出錯(cuò)。因此應(yīng)熟悉所使用的編譯器，應(yīng)知道哪些參數(shù)在優(yōu)化時(shí)會(huì)受到影響，哪些參數(shù)不會(huì)受到影響。

02

代碼的優(yōu)化

1、選擇合適的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

應(yīng)熟悉算法語(yǔ)言。將比較慢的順序查找法用較快的二分查找法或亂序查找法代替，插入排序或冒泡排序法用快速排序、合并排序或根排序代替，這樣可以大大提高程序執(zhí)行的效率。

選擇一種合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也很重要，比如在一堆隨機(jī)存放的數(shù)據(jù)中使用了大量的插入和刪除指令，比使用鏈表要快得多。數(shù)組與指針具有十分密切的關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)指針比較靈活簡(jiǎn)潔，而數(shù)組則比較直觀，容易理解。對(duì)于大部分分的編譯器，使用指針比使用數(shù)組生成的代碼更短，執(zhí)行效率更高。

但是在Keil 中則相反，使用數(shù)組比使用的指針生成的代碼更短。

2、使用盡量小的數(shù)據(jù)類(lèi)型

能夠使用字符型(char)定義的變量，就不要使用整型(int)變量來(lái)定義;能夠使用整型變量定義的變量就不要用長(zhǎng)整型(long int)，能不使用浮點(diǎn)型(float)變量就不要使用浮點(diǎn)型變量。當(dāng)然，在定義變量后不要超過(guò)變量的作用范圍，如果超過(guò)變量的范圍賦值，C 編譯器并不報(bào)錯(cuò)，但程序運(yùn)行結(jié)果卻錯(cuò)了，而且這樣的錯(cuò)誤很難發(fā)現(xiàn)。

3、使用自加、自減指令

通常使用自加、自減指令和復(fù)合賦值表達(dá)式(如a-=1 及a+=1 等)都能夠生成高質(zhì)量的程序代碼，編譯器通常都能夠生成inc 和dec 之類(lèi)的指令，而使用a=a+1 或a=a-1之類(lèi)的指令，有很多C 編譯器都會(huì)生成2~3個(gè)字節(jié)的指令。

4、減少運(yùn)算的強(qiáng)度

可以使用運(yùn)算量小但功能相同的表達(dá)式替換原來(lái)復(fù)雜的的表達(dá)式。

在單片機(jī)開(kāi)發(fā)中優(yōu)化代碼是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，它可以幫助提高程序的運(yùn)行效率，減少資源消耗，并提升整體性能。以下是一些優(yōu)化代碼的方法：

1. 代碼精簡(jiǎn)：避免冗余代碼，去除不必要的注釋和未使用的變量，這樣可以減少程序的體積，降低內(nèi)存占用。

2. 算法優(yōu)化：選擇高效的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減少不必要的計(jì)算和內(nèi)存操作，尤其是在處理復(fù)雜邏輯時(shí)，優(yōu)化算法可以顯著提升性能。

3. 循環(huán)優(yōu)化：在循環(huán)中避免使用復(fù)雜的計(jì)算和函數(shù)調(diào)用，盡量使用簡(jiǎn)單的操作，這樣可以減少每次迭代的執(zhí)行時(shí)間。

4. 中斷服務(wù)程序優(yōu)化：中斷服務(wù)程序應(yīng)該盡可能簡(jiǎn)短，避免在中斷中執(zhí)行耗時(shí)的操作，這樣可以減少中斷響應(yīng)時(shí)間。

5. 位操作：在處理位級(jí)操作時(shí)，使用位操作符(如位與、位或、位異或等)可以比使用算術(shù)操作更快。

6. 使用宏定義：對(duì)于常量值和重復(fù)的代碼塊，使用宏定義可以減少代碼量，并且提高代碼的可讀性。

7. 內(nèi)存管理：合理分配內(nèi)存，避免內(nèi)存泄漏和不必要的內(nèi)存分配，這樣可以提高內(nèi)存使用效率。

8. 條件編譯：使用條件編譯指令來(lái)排除調(diào)試代碼或者在不同配置下選擇不同的代碼執(zhí)行路徑。

9. 代碼重構(gòu)：定期對(duì)代碼進(jìn)行重構(gòu)，以提高代碼的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，同時(shí)去除代碼中的壞味道。

10. 性能分析：使用性能分析工具來(lái)識(shí)別程序中的瓶頸，針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化。

我們可以通過(guò)以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)代碼的簡(jiǎn)化和高效。

1、使用模塊化結(jié)構(gòu)：分解功能塊

模塊化編程讓代碼更清晰，并能提高代碼的復(fù)用性。

例如，對(duì)于電子時(shí)鐘程序，可以將代碼分為顯示模塊、按鍵處理模塊、計(jì)時(shí)模塊、定時(shí)器中斷服務(wù)程序等。

每個(gè)模塊處理相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)，這樣既能減少代碼重復(fù)，也便于維護(hù)和調(diào)試。

計(jì)時(shí)模塊：利用單片機(jī)的定時(shí)器，精確控制時(shí)鐘的秒脈沖。

顯示模塊：用循環(huán)或查表法來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的時(shí)間顯示，這能減少不必要的分支跳轉(zhuǎn)指令。

按鍵模塊：按鍵去抖和按鍵事件處理可以用一個(gè)中斷和簡(jiǎn)單的邏輯實(shí)現(xiàn)，而不是每個(gè)按鍵都獨(dú)立編寫(xiě)邏輯。

2、指令優(yōu)化與循環(huán)結(jié)構(gòu)

在匯編中，循環(huán)和條件跳轉(zhuǎn)往往會(huì)消耗更多指令周期，因此優(yōu)化循環(huán)結(jié)構(gòu)和減少分支跳轉(zhuǎn)很關(guān)鍵。

例如：

查表法：可以用查表代替復(fù)雜的計(jì)算或條件判斷，例如在秒數(shù)到分的進(jìn)位處理時(shí)，通過(guò)預(yù)設(shè)查表減少計(jì)算操作。

延遲程序優(yōu)化：如果需要用延遲實(shí)現(xiàn)定時(shí)，可以考慮定時(shí)器中斷而非簡(jiǎn)單的循環(huán)延時(shí)。循環(huán)延時(shí)不僅增加代碼量，運(yùn)行效率也低。

3、利用宏指令和子程序

宏指令和子程序能夠節(jié)省代碼行數(shù)并提高復(fù)用性。

在匯編中，你可以把常用的指令集合定義成宏或子程序，如數(shù)碼管的顯示刷新代碼，每次需要時(shí)直接調(diào)用即可，避免重復(fù)編寫(xiě)。

宏指令：編寫(xiě)重復(fù)代碼塊時(shí)，把它封裝為宏指令，并用傳參簡(jiǎn)化，比如顯示數(shù)字(數(shù)碼管號(hào), 數(shù)值)。這樣能讓代碼更簡(jiǎn)潔。

子程序調(diào)用：像時(shí)鐘顯示刷新這種邏輯，可以寫(xiě)成子程序調(diào)用。每次調(diào)用完后程序自動(dòng)返回，避免重復(fù)書(shū)寫(xiě)。

4、巧用單片機(jī)的硬件資源

單片機(jī)自帶一些硬件資源可以幫助簡(jiǎn)化代碼、提升效率。

可以用硬件定時(shí)器實(shí)現(xiàn)秒脈沖的計(jì)數(shù)，這樣省去大量延時(shí)循環(huán)。

比如按鍵去抖和計(jì)時(shí)邏輯，可以通過(guò)中斷方式來(lái)完成，在中斷服務(wù)程序中處理各個(gè)事件，而不需要在主程序里繁瑣地處理。

例如某些單片機(jī)的寄存器可以直接進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算，而不需要額外指令，提高執(zhí)行效率。

5、精簡(jiǎn)指令和內(nèi)存管理

盡量減少多余的指令，充分利用寄存器，避免頻繁的數(shù)據(jù)搬移指令。

例如：

常量操作優(yōu)化：對(duì)固定數(shù)值的操作，可以通過(guò)寄存器直接操作。比如固定加1操作可以用自增指令，而不是多步加法。

數(shù)據(jù)段和代碼段優(yōu)化：減少不必要的數(shù)據(jù)搬移，盡量將頻繁用到的數(shù)據(jù)放在CPU易訪問(wèn)的內(nèi)存區(qū)域。

6、調(diào)試與性能測(cè)試

因?yàn)閰R編程序編寫(xiě)的核心就是“效率優(yōu)先”，在程序?qū)懞煤?，調(diào)試和優(yōu)化就尤為重要。

你可以用以下方法來(lái)測(cè)試和優(yōu)化性能：

逐步測(cè)試：各個(gè)模塊分別調(diào)試，確保它們的功能和性能，最后再把各個(gè)模塊組合在一起。

耗時(shí)分析：分析程序在哪些地方消耗了較多指令，是否可以進(jìn)一步優(yōu)化。用硬件調(diào)試工具分析時(shí)鐘頻率和響應(yīng)時(shí)間也非常有效。

代碼的行數(shù)多并不一定意味著效率低。

關(guān)鍵在于寫(xiě)代碼時(shí)避免冗余，靈活運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)和單片機(jī)資源。

最終程序既要高效運(yùn)轉(zhuǎn)，又不失結(jié)構(gòu)清晰。