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如何寫出高效的單片機C語言程序代碼

作者：時間：2016-11-27 來源：網絡

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由于單片機的性能同電腦的性能是天淵之別的，無論從空間資源上、內存資源、工作頻率，都是無法
與之比較的。PC機編程基本上不用考慮空間的占用、內存的占用的問題，最終目的就是實現功能就可以了。
對于單片機來說就截然不同了，一般的單片機的Flash和Ram的資源是以KB來衡量的，可想而知，單片
機的資源是少得可憐，為此我們必須想法設法榨盡其所有資源，將它的性能發揮到最佳，程序設計時必須
遵循以下幾點進行優化：

1.使用盡量小的數據類型
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(longint)，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，但程序運行結果卻錯了，
而且這樣的錯誤很難發現。

2.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編譯器都會生成二到三個字節的指令。

3.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。
（1）求余運算
N=N%8可以改為N=N&7
說明：位操作只需一個指令周期即可完成，而大部分的C編譯器的“%”運算均是調用子程序來
完成，代碼長、執行速度慢。通常，只要求是求2n方的余數，均可使用位操作的方法來代替。
（2）平方運算
N=Pow(3,2)可以改為N=3*3
說明：在有內置硬件乘法器的單片機中(如51系列)，乘法運算比求平方運算快得多,因為浮點數
的求平方是通過調用子程序來實現的，乘法運算的子程序比平方運算的子程序代碼短，執行速度快。
（3）用位移代替乘法除法
N=M*8可以改為N=M<<3
N=M/8可以改為N=M>>3
說明：通常如果需要乘以或除以2n，都可以用移位的方法代替。如果乘以2n，都可以生成左移
的代碼，而乘以其它的整數或除以任何數，均調用乘除法子程序。用移位的方法得到代碼比調用乘除法子
程序生成的代碼效率高。實際上，只要是乘以或除以一個整數，均可以用移位的方法得到結果。如N=M*9
可以改為N=(M<<3)+M；
（4）自加自減的區別
例如我們平時使用的延時函數都是通過采用自加的方式來實現。
voidDelayNms(UINT16t)
{
UINT16i,j;
for(i=0;ifor(j=0;i<1000;j++)
}
可以改為
voidDelayNms(UINT16t)
{
UINT16i,j;
for(i=t;i>=0;i--)
for(j=1000;i>=0;j--)
}
說明：兩個函數的延時效果相似，但幾乎所有的C編譯對后一種函數生成的代碼均比前一種代碼少1~3
個字節，因為幾乎所有的MCU均有為0轉移的指令，采用后一種方式能夠生成這類指令。

4.while與do...while的區別
voidDelayNus(UINT16t)
{
while(t--)
{
NOP();
}
}
可以改為
voidDelayNus(UINT16t)
{
do
{
NOP();
}while(--t)
}
說明：使用do…while循環編譯后生成的代碼的長度短于while循環。

5.register關鍵字
voidUARTPrintfString(INT8*str)
{
while(*str&&str)
{
UARTSendByte(*str++)
}
}
可以改為
voidUARTPrintfString(INT8*str)
{
registerINT8*pstr=str;
while(*pstr&&pstr)
{
UARTSendByte(*pstr++)
}
}
說明：在聲明局部變量的時候可以使用register關鍵字。這就使得編譯器把變量放入一個多用途的寄存
器中，而不是在堆棧中，合理使用這種方法可以提高執行速度。函數調用越是頻繁，越是可能提高代碼的
速度，注意register關鍵字只是建議編譯器而已。

6.volatile關鍵字
volatile總是與優化有關，編譯器有一種技術叫做數據流分析，分析程序中的變量在哪里賦值、在
哪里使用、在哪里失效，分析結果可以用于常量合并，常量傳播等優化，進一步可以死代碼消除。一般來
說,volatile關鍵字只用在以下三種情況:
a)中斷服務函數中修改的供其它程序檢測的變量需要加volatile(參考本書高級實驗程序)
b)多任務環境下各任務間共享的標志應該加volatile
c)存儲器映射的硬件寄存器通常也要加volatile說明，因為每次對它的讀寫都可能由不同意義
總之，volatile關鍵字是一種類型修飾符，用它聲明的類型變量表示可以被某些編譯器未知的因素
更改，比如：操作系統、硬件或者其它線程等。遇到這個關鍵字聲明的變量，編譯器對訪問該變量的代碼
就不再進行優化，從而可以提供對特殊地址的穩定訪問。

7.以空間換時間
在數據校驗實戰當中，CRC16循環冗余校驗其實還有一種方法是查表法，通過查表可以更加快獲得
校驗值，效率更高，當校驗數據量大的時候，使用查表法優勢更加明顯，不過唯一的缺點是占用大量的空
間。
//查表法：
codeUINT16szCRC16Tbl[256]={
0x0000,0x1021,0x2042,0x3063,0x4084,0x50a5,0x60c6,0x70e7,
0x8108,0x9129,0xa14a,0xb16b,0xc18c,0xd1ad,0xe1ce,0xf1ef,
0x1231,0x0210,0x3273,0x2252,0x52b5,0x4294,0x72f7,0x62d6,
0x9339,0x8318,0xb37b,0xa35a,0xd3bd,0xc39c,0xf3ff,0xe3de,
0x2462,0x3443,0x0420,0x1401,0x64e6,0x74c7,0x44a4,0x5485,
0xa56a,0xb54b,0x8528,0x9509,0xe5ee,0xf5cf,0xc5ac,0xd58d,
0x3653,0x2672,0x1611,0x0630,0x76d7,0x66f6,0x5695,0x46b4,
0xb75b,0xa77a,0x9719,0x8738,0xf7df,0xe7fe,0xd79d,0xc7bc,
0x48c4,0x58e5,0x6886,0x78a7,0x0840,0x1861,0x2802,0x3823,
0xc9cc,0xd9ed,0xe98e,0xf9af,0x8948,0x9969,0xa90a,0xb92b,
0x5af5,0x4ad4,0x7ab7,0x6a96,0x1a71,0x0a50,0x3a33,0x2a12,
0xdbfd,0xcbdc,0xfbbf,0xeb9e,0x9b79,0x8b58,0xbb3b,0xab1a,
0x6ca6,0x7c87,0x4ce4,0x5cc5,0x2c22,0x3c03,0x0c60,0x1c41,
0xedae,0xfd8f,0xcdec,0xddcd,0xad2a,0xbd0b,0x8d68,0x9d49,
0x7e97,0x6eb6,0x5ed5,0x4ef4,0x3e13,0x2e32,0x1e51,0x0e70,
0xff9f,0xefbe,0xdfdd,0xcffc,0xbf1b,0xaf3a,0x9f59,0x8f78,
0x9188,0x81a9,0xb1ca,0xa1eb,0xd10c,0xc12d,0xf14e,0xe16f,
0x1080,0x00a1,0x30c2,0x20e3,0x5004,0x4025,0x7046,0x6067,
0x83b9,0x9398,0xa3fb,0xb3da,0xc33d,0xd31c,0xe37f,0xf35e,
0x02b1,0x1290,0x22f3,0x32d2,0x4235,0x5214,0x6277,0x7256,
0xb5ea,0xa5cb,0x95a8,0x8589,0xf56e,0xe54f,0xd52c,0xc50d,
0x34e2,0x24c3,0x14a0,0x0481,0x7466,0x6447,0x5424,0x4405,
0xa7db,0xb7fa,0x8799,0x97b8,0xe75f,0xf77e,0xc71d,0xd73c,
0x26d3,0x36f2,0x0691,0x16b0,0x6657,0x7676,0x4615,0x5634,
0xd94c,0xc96d,0xf90e,0xe92f,0x99c8,0x89e9,0xb98a,0xa9ab,
0x5844,0x4865,0x7806,0x6827,0x18c0,0x08e1,0x3882,0x28a3,
0xcb7d,0xdb5c,0xeb3f,0xfb1e,0x8bf9,0x9bd8,0xabbb,0xbb9a,
0x4a75,0x5a54,0x6a37,0x7a16,0x0af1,0x1ad0,0x2ab3,0x3a92,
0xfd2e,0xed0f,0xdd6c,0xcd4d,0xbdaa,0xad8b,0x9de8,0x8dc9,
0x7c26,0x6c07,0x5c64,0x4c45,0x3ca2,0x2c83,0x1ce0,0x0cc1,
0xef1f,0xff3e,0xcf5d,0xdf7c,0xaf9b,0xbfba,0x8fd9,0x9ff8,
0x6e17,0x7e36,0x4e55,0x5e74,0x2e93,0x3eb2,0x0ed1,0x1ef0
};
UINT16CRC16CheckFromTbl(UINT8*buf,UINT8len)
{
UINT16i;
UINT16uncrcReg=0,uncrcConst=0xffff;
for(i=0;i<len;i++)
{
uncrcReg=(uncrcReg<<8)^szCRC16Tbl[(((uncrcConst^uncrcReg)>>8)
^*buf++)&0xFF];
uncrcConst<<=8;
}
returnuncrcReg;
}
如果系統要求實時性比較強，在CRC16循環冗余校驗當中，推薦使用查表法，以空間換時間。

8.宏函數取代函數
首先不推薦所有函數改為宏函數，以免出現不必要的錯誤。但是一些基本功能的函數很有必要使用宏
函數來代替。
UINT8Max(UINT8A,UINT8B)
{
return(A>B?A:B)
}
可以改為
#defineMAX（A，B）{(A)>(B)?(A):(B)}
說明：函數和宏函數的區別就在于，宏函數占用了大量的空間，而函數占用了時間。大家要知道的是，函
數調用是要使用系統的棧來保存數據的，如果編譯器里有棧檢查選項，一般在函數的頭會嵌入一些匯編語
句對當前棧進行檢查；同時，cpu也要在函數調用時保存和恢復當前的現場，進行壓棧和彈棧操作，所以，
函數調用需要一些cpu時間。而宏函數不存在這個問題。宏函數僅僅作為預先寫好的代碼嵌入到當前程序，
不會產生函數調用，所以僅僅是占用了空間，在頻繁調用同一個宏函數的時候，該現象尤其突出。

9.適當地使用算法
假如有一道算術題，求1~100的和。
作為程序員的我們會毫不猶豫地點擊鍵盤寫出以下的計算方法：
UINT16Sum(void)
{
UINT8i,s;
for(i=1;i<=100;i++)
{
s+=i;
}
returns;
}
很明顯大家都會想到這種方法，但是效率方面并不如意，我們需要動腦筋，就是采用數學算法解決問題，
使計算效率提升一個級別。
UINT16Sum(void)
{
UINT16s;
s=(100*(100+1))>>1;
returns;
}
結果很明顯，同樣的結果不同的計算方法，運行效率會有大大不同，所以我們需要最大限度地通過數
學的方法提高程序的執行效率。

10.用指針代替數組
在許多種情況下，可以用指針運算代替數組索引，這樣做常常能產生又快又短的代碼。與數組索引相
比，指針一般能使代碼速度更快，占用空間更少。使用多維數組時差異更明顯。下面的代碼作用是相同的，
但是效率不一樣。
UINT8szArrayA[64];
UINT8szArrayB[64];
UINT8i;
UINT8*p=szArray;
for(i=0;i<64;i++)szArrayB[i]=szArrayA[i];
for(i=0;i<64;i++)szArrayB[i]=*p++;
指針方法的優點是，szArrayA的地址裝入指針p后，在每次循環中只需對p增量操作。在數組索引
方法中，每次循環中都必須進行基于i值求數組下標的復雜運算。

11.強制轉換
C語言精髓第一精髓就是指針的使用，第二精髓就是強制轉換的使用，恰當地利用指針和強制轉換不但
可以提供程序效率，而且使程序更加之簡潔，由于強制轉換在C語言編程中占有重要的地位，下面將已五
個比較典型的例子作為講解。
例子1：將帶符號字節整型轉換為無符號字節整型
UINT8a=0；
INT8b=-3；
a=(UINT8)b;
例子2：在大端模式下(8051系列單片機是大端模式)，將數組a[2]轉化為無符號16位整型值。
方法1：采用位移方法。
UINT8a[2]={0x12,0x34};
UINT16b=0;
b=(a[0]<<8)|a[1];
結果：b=0x1234
方法2：強制類型轉換。
UINT8a[2]={0x12,0x34};
UINT16b=0;
b=*(UINT16*)a;//強制轉換
結果：b=0x1234
例子3：保存結構體數據內容。
方法1：逐個保存。
typedefstruct_ST
{
UINT8a;
UINT8b;
UINT8c;
UINT8d;
UINT8e;
}ST;
STs;
UINT8a[5]={0};
s.a=1;
s.b=2;
s.c=3;
s.d=4;
s.e=5;
a[0]=s.a;
a[1]=s.b;
a[2]=s.c;
a[3]=s.d;
a[4]=s.e;
結果：數組a存儲的內容是1、2、3、4、5。
方法2：強制類型轉換。
typedefstruct_ST
{
UINT8a;
UINT8b;
UINT8c;
UINT8d;
UINT8e;
}ST;
STs;
UINT8a[5]={0};
UINT8*p=(UINT8*)&s;//強制轉換
UINT8i=0;
s.a=1;
s.b=2;
s.c=3;
s.d=4;
s.e=5;
for(i=0;i{
a[i]=*p++;
}

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關鍵詞： 單片機C語言程序代

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