首頁 > 新聞資訊 摘要： 本文主要對Arm Compiler 6編譯器的優(yōu)化循環(huán)對編寫優(yōu)化代碼的作用進行介紹。
關鍵字：Arm Compiler 6、編譯器、優(yōu)化循環(huán) 、循環(huán)展開、pragma、循環(huán)向量化、循環(huán)終止、無限循環(huán)、
1. 循環(huán)展開
循環(huán)執(zhí)行的時間取決于循環(huán)的次數(shù)，循環(huán)中每次檢查是否進行循環(huán)的條件會降低循環(huán)的性能。使用循環(huán)展開可以減少檢查條件的判斷次數(shù)，但是展開循環(huán)就意味著增加代碼量。例如：在精確的時鐘周期循環(huán)中，可以使用#pragma unroll （n）來展開循環(huán)。
“pragma”(編譯指示)僅在選擇優(yōu)化等級為-O2/-O3/-Ofast和-Omax時有效。
編譯指示的相關用法：
| #pragma unroll （n） | 展開n次循環(huán) |
| #pragma unroll_completely | 展開所有循環(huán) |
注：雖然給出了循環(huán)展開的編譯指示，但Arm官方不建議使用，這樣會影響編譯器的展開優(yōu)化和其他循環(huán)優(yōu)化。
| 不使用循環(huán)展開的代碼 | 使用循環(huán)展開的代碼 |
| int countSetBits1(unsigned int n) { int bits = 0; while (n != 0) { if (n & 1) bits++; n >>= 1; } return bits; } | int countSetBits2(unsigned int n) { int bits = 0; #pragma unroll (4) while (n != 0) { if (n & 1) bits++; n >>= 1; } return bits; } |
將代碼分別復制到file.c文件中，然后使用以下命令進行編譯和反匯編。
armclang --target=arm-arm-none-eabi -march=armv8-a file.c -O2 -S -o file.s
| 不使用循環(huán)展開的匯編代碼 | 使用循環(huán)展開的匯編代碼 |
| countSetBits1: mov r1, r0 mov r0, #0 cmp r1, #0 bxeq lr mov r2, #0 mov r0, #0 .LBB0_1: and r3, r1, #1 cmp r2, r1, asr #1 add r0, r0, r3 lsr r3, r1, #1 mov r1, r3 bne .LBB0_1 bx lr | countSetBits2: mov r1, r0 mov r0, #0 cmp r1, #0 bxeq lr mov r2, #0 mov r0, #0 LBB0_1: and r3, r1, #1 cmp r2, r1, asr #1 add r0, r0, r3 beq .LBB0_4 @ BB#2: asr r3, r1, #1 cmp r2, r1, asr #2 and r3, r3, #1 add r0, r0, r3 asrne r3, r1, #2 andne r3, r3, #1 addne r0, r0, r3 cmpne r2, r1, asr #3 beq .LBB0_4 @ BB#3: asr r3, r1, #3 cmp r2, r1, asr #4 and r3, r3, #1 add r0, r0, r3 asr r3, r1, #4 mov r1, r3 bne .LBB0_1 .LBB0_4: bx lr |
可以看到展開循環(huán)時，代碼執(zhí)行會更快，但代碼量也更大。
2. 循環(huán)向量化
如果編譯的目標含有SIMD單元，那么編譯器就可以使用向量引擎來優(yōu)化代碼的向量部分。在優(yōu)化等級為-O1，可以使用-fvectorize 來啟動優(yōu)化，而在-O2或更高等級時向量優(yōu)化是自動啟用。
要使用向量優(yōu)化，在編寫代碼的時候需要將結構體的成員放到同一個循環(huán)中，而不能使用獨立的循環(huán)。
| 可以進行SIMD優(yōu)化的代碼 | 不能進行SIMD優(yōu)化的代碼 |
| typedef struct tBuffer { int a; int b; int c; } tBuffer; tBuffer buffer[8]; void DoubleBuffer1 (void) { int i; for (i=0; i<8; i++) { buffer[i].a *= 2; buffer[i].b *= 2; buffer[i].c *= 2; } } | typedef struct tBuffer { int a; int b; int c; } tBuffer; tBuffer buffer[8]; void DoubleBuffer2 (void) { int i; for (i=0; i<8; i++) buffer[i].a *= 2; for (i=0; i<8; i++) buffer[i].b *= 2; for (i=0; i<8; i++) buffer[i].c *= 2; } |
對于每個例子，將代碼分別復制到file.c文件中，然后使用以下命令進行編譯和反匯編。
armclang --target=arm-arm-none-eabi -march=armv8-a file.c -O2 -S -o file.s
| 向量優(yōu)化后匯編代碼 | 未進行向量優(yōu)化的代碼 |
| DoubleBuffer1: .fnstart @ BB#0: movw r0, :lower16:buffer movt r0, :upper16:buffer vld1.64 {d16, d17}, [r0:128] mov r1, r0 vshl.i32 q8, q8, #1 vst1.32 {d16, d17}, [r1:128]! vld1.64 {d16, d17}, [r1:128] vshl.i32 q8, q8, #1 vst1.64 {d16, d17}, [r1:128] add r1, r0, #32 vld1.64 {d16, d17}, [r1:128] vshl.i32 q8, q8, #1 vst1.64 {d16, d17}, [r1:128] add r1, r0, #48 vld1.64 {d16, d17}, [r1:128] vshl.i32 q8, q8, #1 vst1.64 {d16, d17}, [r1:128] add r1, r0, #64 add r0, r0, #80 vld1.64 {d16, d17}, [r1:128] vshl.i32 q8, q8, #1 vst1.64 {d16, d17}, [r1:128] vld1.64 {d16, d17}, [r0:128] vshl.i32 q8, q8, #1 vst1.64 {d16, d17}, [r0:128] bxlr | DoubleBuffer2: .fnstart @ BB#0: movw r0, :lower16:buffer movt r0, :upper16:buffer ldr r1, [r0] lsl r1, r1, #1 str r1, [r0] ldr r1, [r0, #12] lsl r1, r1, #1 str r1, [r0, #12] ldr r1, [r0, #24] lsl r1, r1, #1 str r1, [r0, #24] ldr r1, [r0, #36] lsl r1, r1, #1 str r1, [r0, #36] ldr r1, [r0, #48] lsl r1, r1, #1 str r1, [r0, #48] ldr r1, [r0, #60] lsl r1, r1, #1 str r1, [r0, #60] ldr r1, [r0, #72] lsl r1, r1, #1 str r1, [r0, #72] ldr r1, [r0, #84] lsl r1, r1, #1 str r1, [r0, #84] ldr r1, [r0, #4] lsl r1, r1, #1 str r1, [r0, #4] ldr r1, [r0, #16] lsl r1, r1, #1 ... bx lr |
在64位運行狀態(tài)下要避免編譯器使用SIMD向量優(yōu)化可以在-march或-mcpu后+nosimd；
例如：
armclang --target=aarch64-arm-none-eabi -march=armv8-a+nosimd -O2 file.c -S -o file.s
在32位運行狀態(tài)下要避免編譯器使用SIMD向量優(yōu)化，可以通過設置-mfpu=fp-armv8；
例如：
armclang --target=aarch32-arm-none-eabi -march=armv8-a -mfpu=fp-armv8 -O2 file.c -S -o file.s
3. 循環(huán)終止
在寫循環(huán)的時候如果編寫不當會使得代碼的運行效率降低和代碼量增大。建議使用以下的終止條件：
1）使用變量類型為：unsigned int
2）使用向下減少的計數(shù)方式，以減到0作為計數(shù)結束。
3）使用簡單的終止條件。
單獨或組合使用以上原則的終止條件，可以獲得更好的代碼大小或效率。
例如：這是一個實現(xiàn)n!的計算程序。
| 遞增循環(huán) | 遞減循環(huán) |
| int fact1(int n) { int i, fact = 1; for (i = 1; i <= n; i++) fact *= i; return (fact); } | int fact2(int n) { unsigned int i, fact = 1; for (i = n; i != 0; i--) fact *= i; return (fact); } |
用以下命令反匯編以下armclang -Os -S --target=arm-arm-none-eabi -march=armv8-a
| 遞增循環(huán) | 遞減循環(huán) |
| fact1: mov r1, r0 mov r0, #1 cmp r1, #1 bxlt lr mov r2, #0 .LBB0_1: add r2, r2, #1 mul r0, r0, r2 cmp r1, r2 bne .LBB0_1 bx lr | fact2: mov r1, r0 mov r0, #1 cmp r1, #0 bxeq lr .LBB1_1: mul r0, r0, r1 subs r1, r1, #1 bne .LBB1_1 bx lr |
對比反匯編代碼可以看出在遞減循環(huán)中用SUBS指令代替了遞增循環(huán)中ADD 和CMP兩條指令。這是因為SUBS指令會自動更新Z標志。
此外在遞減循環(huán)中變量n不必再循環(huán)的過程實時使用，從而減少了寄存器的數(shù)量。
如果終止條件是一個函數(shù)，則循環(huán)的每次都調(diào)用該函數(shù)，這種情況下遞減的循環(huán)優(yōu)勢就更明顯了。例如：
for (...; i < get_limit(); ...);
說明：這種遞減循環(huán)計數(shù)的方式也適用于while-do 命令。
4. 無限循環(huán)
在某些情況下armclang會刪除一些編譯器認為沒有影響的無限循環(huán)，從而導致最終程序無法正常運行。
為確保無限循環(huán)的正確編譯執(zhí)行，ARM官方建議在無限循環(huán)中添加__arm volatile的聲明。這個聲明的目的是告訴編譯器刪除這個無限循環(huán)會有影響，不能被優(yōu)化刪除。在無限循環(huán)中，把處理器設置為低功耗模式是一個不錯的做法，當有中斷或事件觸發(fā)時再回到正常模式。
下面是一個包含__arm volatile聲明的無限循環(huán)例子：
void infinite_loop(void) {
while (1)
??__asm volatile("wfe");
}
注：wfe(Wait for Event)是給處理器一個提示，使處理器進入低功耗狀態(tài)，直到事件或中斷觸發(fā)。
來源：《Arm? Compiler for Embedded User Guide Version 6.18》
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