01

　　程序結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

　　1、程序的書寫結(jié)構(gòu)

　　雖然書寫格式并不會影響生成的代碼質(zhì)量，但是在實際編寫程序時還是應該尊循一定的書寫規(guī)則，一個書寫清晰、明了的程序，有利于以后的維護。在書寫程序時，特別是對于While、for、do…while、if…else、switch…case 等語句或這些語句嵌套組合時，應采用“縮格”的書寫形式。

　　2、標識符

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

　　3、程序結(jié)構(gòu)

　　C 語言是一種高級程序設(shè)計語言，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 語言設(shè)計單片機應用系統(tǒng)程序時，首先要注意盡可能采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法，這樣可使整個應用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和維護。

　　對于一個較大的應用程序，通常將整個程序按功能分成若干個模塊，不同模塊完成不同的功能。各個模塊可以分別編寫，甚至還可以由不同的程序員編寫，一般單個模塊完成的功能較為簡單，設(shè)計和調(diào)試也相對容易一些。在C 語言中，一個函數(shù)就可以認為是一個模塊。

　　所謂程序模塊化，不僅是要將整個程序劃分成若干個功能模塊，更重要的是，還應該注意保持各個模塊之間變量的相對獨立性，即保持模塊的獨立性，盡量少使用全局變量等。對于一些常用的功能模塊，還可以封裝為一個應用程序庫，以便需要時可以直接調(diào)用。但是在使用模塊化時，如果將模塊分成太細太小，又會導致程序的執(zhí)行效率變低(進入和退出一個函數(shù)時保護和恢復寄存器占用了一些時間)。

　　4、定義常數(shù)

　　在程序化設(shè)計過程中，對于經(jīng)常使用的一些常數(shù)，如果將它直接寫到程序中去，一旦常數(shù)的數(shù)值發(fā)生變化，就必須逐個找出程序中所有的常數(shù)，并逐一進行修改，這樣必然會降低程序的可維護性。因此，應盡量當采用預處理命令方式來定義常數(shù)，而且還可以避免輸入錯誤。

　　5、減少判斷語句

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

　　6、表達式

　　對于一個表達式中各種運算執(zhí)行的優(yōu)先順序不太明確或容易混淆的地方，應當采用圓括號明確指定它們的優(yōu)先順序。一個表達式通常不能寫得太復雜，如果表達式太復雜，時間久了以后，自己也不容易看得懂，不利于以后的維護。

　　7、函數(shù)

　　對于程序中的函數(shù)，在使用之前，應對函數(shù)的類型進行說明，對函數(shù)類型的說明必須保證它與原來定義的函數(shù)類型一致，對于沒有參數(shù)和沒有返回值類型的函數(shù)應加上“void”說明。如果果需要縮短代碼的長度，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)行時間，在程序調(diào)試結(jié)束后，將部分函數(shù)用宏定義來代替。注意，應該在程序調(diào)試結(jié)束后再定義宏，因為大多數(shù)編譯系統(tǒng)在宏展開之后才會報錯，這樣會增加排錯的難度。

　　8、盡量少用全局變量，多用局部變量

　　因為全局變量是放在數(shù)據(jù)存儲器中，定義一個全局變量，MCU 就少一個可以利用的數(shù)據(jù)存儲器空間，如果定義了太多的全局變量，會導致編譯器無足夠的內(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)存儲器在不同的模塊中可以重復利用。

　　9、設(shè)定合適的編譯程序選項

　　許多編譯程序有幾種不同的優(yōu)化選項，在使用前應理解各優(yōu)化選項的含義，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優(yōu)化，編譯程序會近乎病態(tài)地追求代碼優(yōu)化，可能會影響程序的正確性，導致程序運行出錯。因此應熟悉所使用的編譯器，應知道哪些參數(shù)在優(yōu)化時會受到影響，哪些參數(shù)不會受到影響。

　　02

　　代碼的優(yōu)化

　　1、選擇合適的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　應熟悉算法語言。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，一般來說指針比較靈活簡潔，而數(shù)組則比較直觀，容易理解。對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)變量來定義;能夠使用整型變量定義的變量就不要用長整型(long int)，能不使用浮點型(float)變量就不要使用浮點型變量。當然，在定義變量后不要超過變量的作用范圍，如果超過變量的范圍賦值，C 編譯器并不報錯，但程序運行結(jié)果卻錯了，而且這樣的錯誤很難發(fā)現(xiàn)。

　　3、使用自加、自減指令

　　通常使用自加、自減指令和復合賦值表達式(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 之類的指令，而使用a=a+1 或a=a-1之類的指令，有很多C 編譯器都會生成2~3個字節(jié)的指令。

　　4、減少運算的強度

　　可以使用運算量小但功能相同的表達式替換原來復雜的的表達式。

　　在單片機開發(fā)中優(yōu)化代碼是一個重要的環(huán)節(jié)，它可以幫助提高程序的運行效率，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：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)，減少不必要的計算和內(nèi)存操作，尤其是在處理復雜邏輯時，優(yōu)化算法可以顯著提升性能。

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

　　4. 中斷服務程序優(yōu)化：中斷服務程序應該盡可能簡短，避免在中斷中執(zhí)行耗時的操作，這樣可以減少中斷響應時間。

　　5. 位操作：在處理位級操作時，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：對于常量值和重復的代碼塊，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)：定期對代碼進行重構(gòu)，以提高代碼的可維護性和可擴展性，同時去除代碼中的壞味道。

　　10. 性能分析：使用性能分析工具來識別程序中的瓶頸，針對性地進行優(yōu)化。

　　我們可以通過以下幾個方面實現(xiàn)代碼的簡化和高效。

　　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，并能提高代碼的復用性。

　　例如，對于電子時鐘程序，可以將代碼分為顯示模塊、按鍵處理模塊、計時模塊、定時器中斷服務程序等。

　　每個模塊處理相對獨立的任務，這樣既能減少代碼重復，也便于維護和調(diào)試。

　　計時模塊：利用單片機的定時器，精確控制時鐘的秒脈沖。

　　顯示模塊：用循環(huán)或查表法來實現(xiàn)不同的時間顯示，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中斷和簡單的邏輯實現(xiàn)，而不是每個按鍵都獨立編寫邏輯。

　　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：可以用查表代替復雜的計算或條件判斷，例如在秒數(shù)到分的進位處理時，通過預設(shè)查表減少計算操作。

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

　　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，每次需要時直接調(diào)用即可，避免重復編寫。

　　宏指令：編寫重復代碼塊時，把它封裝為宏指令，并用傳參簡化，比如顯示數(shù)字(數(shù)碼管號, 數(shù)值)。這樣能讓代碼更簡潔。

　　子程序調(diào)用：像時鐘顯示刷新這種邏輯，可以寫成子程序調(diào)用。每次調(diào)用完后程序自動返回，避免重復書寫。

　　4、巧用單片機的硬件資源

　　單片機自帶一些硬件資源可以幫助簡化代碼、提升效率。

　　可以用硬件定時器實現(xiàn)秒脈沖的計數(shù)，這樣省去大量延時循環(huán)。

　　比如按鍵去抖和計時邏輯，可以通過中斷方式來完成，在中斷服務程序中處理各個事件，而不需要在主程序里繁瑣地處理。

　　例如某些單片機的寄存器可以直接進行簡單運算，而不需要額外指令，提高執(zhí)行效率。

　　5、精簡指令和內(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：對固定數(shù)值的操作，可以通過寄存器直接操作。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易訪問的內(nèi)存區(qū)域。

　　6、調(diào)試與性能測試

　　因為匯編程序編寫的核心就是“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測試和優(yōu)化性能：

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

　　耗時分析：分析程序在哪些地方消耗了較多指令，是否可以進一步優(yōu)化。用硬件調(diào)試工具分析時鐘頻率和響應時間也非常有效。

　　代碼的行數(shù)多并不一定意味著效率低。

　　關(guān)鍵在于寫代碼時避免冗余，靈活運用模塊化設(shè)計和單片機資源。

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