为小尺寸优化 C 代码 - 共享静态变量？

编程问答 2022-04-29

问题描述

我有两个函数，都和这个类似：

void Bit_Delay()
{
    //this is a tuned tight loop for 8 MHz to generate timings for 9600 baud
    volatile char z = 12;
    
    while(z)
    {
        z++;
        z++;
        z++;
        z++;
        z -= 5;
    }
}

（第二个函数类似，它使用 18 而不是 12 作为计数器）。

代码按原样完美运行（z 出现在内部每个函数的本地），但我试图在我遇到（非常）有限的可用闪存之前将更多功能塞进我的可执行文件中。

我的想法是将 z 变量提升为全局变量（易失性静态变量）。因为这两个函数是有效的原子操作（它是一个单线程 cpu，没有中断在起作用），我认为这两个函数可以共享单个变量，从而节省了一点点堆栈操作。

这没有用。很明显，编译器正在完全优化与 z 相关的大部分代码！然后代码无法正常运行（运行速度太快），编译后的二进制文件的大小下降到大约 50% 左右。

我意识到我需要将 z 变量标记为 volatile 以防止编译器删除它知道每次计算固定（因此可以减少为常数）数的代码。

问题：

我可以进一步优化它，并欺骗编译器使两个函数保持完整吗？我正在使用“-Os”进行编译（针对小型二进制文件进行优化）。

这是为那些在家玩耍的人准备的完整节目......

#include <avr/io.h>

#define RX_PIN (1 << PORTB0) //physical pin 3
#define TX_PIN (1 << PORTB1) //physical pin 1

void Bit_Delay()
{
    //this is a tuned tight loop for 8 MHz to generate timings for 9600 baud
    volatile char z = 12;
    
    while(z)
    {
        z++;
        z++;
        z++;
        z++;
        z -= 5;
    }
}

void Serial_TX_Char(char c)
{
    char i;
    
    //start bit
    PORTB &= ~TX_PIN;
    Bit_Delay();
    
    for(i = 0 ; i < 8 ; i++)
    {
        //output the data bits,LSB first
        if(c & 0x01)
            PORTB |= TX_PIN;
        else
            PORTB &= ~TX_PIN;
        
        c >>= 1;
        Bit_Delay();
    }

    //stop bit  
    PORTB |= TX_PIN;
    Bit_Delay();
}

char Serial_RX_Char()
{
    char retval = 0;
    volatile char z = 18; //1.5 bits delay

    //wait for idle high
    while((PINB & RX_PIN) == 0)
    {}
    
    //wait for start bit falling-edge
    while((PINB & RX_PIN) != 0)
    {}

    //1.5 bits delay
    while(z)
    {
        z++;
        z++;
        z++;
        z++;
        z -= 5;
    }

    for(z = 0 ; z < 8 ; z++)
    {
        retval >>= 1; //make space for the new bit
        retval |= (PINB & RX_PIN) << (8 - RX_PIN); //get the bit and store it
        Bit_Delay();
    }
    
    return retval;      
}

int main(void)
{
    CCP = 0xd8; //protection signature for clock registers (see datasheet)
    CLKPSR = 0x00; //set the clock prescaler to "div by 1"
    DDRB |= TX_PIN;
    PORTB |= TX_PIN; //idle high
        
    while (1) 
        Serial_TX_Char(Serial_RX_Char() ^ 0x20);
}

目标 cpu 是一个 Atmel ATTiny5 微控制器，上面的代码占用了 94.1% 的 FLASH 内存！如果您使用 9600 波特率、8N1 的串行端口连接到芯片，您可以输入字符，它会在位 0x20 翻转后返回它们（大写到小写，反之亦然）。

这当然不是一个严肃的项目，我只是想看看我可以在这个芯片中塞入多少功能。我不会费心在汇编中重写它，我严重怀疑我能比 GCC 的优化器做得更好！

编辑

@Frank 询问我正在使用的 IDE/编译器...

microchip Studio (7.0.2542)

传递给编译器的“所有选项”字符串 avr-gcc...

-x c -funsigned-char -funsigned-bitfields -DDEBUG  -I"C:\Program Files (x86)\Atmel\Studio\7.0\Packs\atmel\ATtiny_DFP\1.8.332\include"  -Os -ffunction-sections -fdata-sections -fpack-struct -fshort-enums -g2 -Wall -mmcu=attiny5 -B "C:\Program Files (x86)\Atmel\Studio\7.0\Packs\atmel\ATtiny_DFP\1.8.332\gcc\dev\attiny5" -c -std=gnu99 -MD -MP -MF "$(@:%.o=%.d)" -MT"$(@:%.o=%.d)" -MT"$(@:%.o=%.o)"

解决方法

我质疑以下假设：

这没有用。很明显，编译器正在完全优化与 z 相关的大部分代码！然后代码无法正常运行（运行速度太快），编译后的二进制文件的大小下降到大约 50% 左右。

查看 https://gcc.godbolt.org/z/sKdz3h8oP，似乎循环实际上正在执行，但是，无论出于何种原因，每个 z++ 在使用全局易失性 z 时来自：

subi r28,lo8(-(1))
sbci r29,hi8(-(1))
ld r20,Y
subi r28,lo8((1))
sbci r29,hi8((1))
subi r20,lo8(-(1))
subi r28,hi8(-(1))
st Y,r20
subi r28,hi8((1))

到：

lds r20,z
subi r20,lo8(-(1))
sts z,r20

您将需要重新校准 12、18 和 5 常量以使波特率正确（因为每个循环中执行的指令较少），但逻辑在编译版本中。

要明确：这对我来说看起来很奇怪，本地易失性版本显然没有被正确编译。我确实在这些方面发现了一个旧的 gcc 错误：https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=33970，但它似乎没有涵盖局部变量的情况。

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