深入浅出编译优化选项（上）

点击数：更新时间：2024-08-12 02:28:25

在前文《如何为嵌入式软件开发选择编译器》中讲到编译器对于嵌入式软件开发的重要性，以及如何选择一款优秀的编译器。文中也比较了现有主流编译器的编译优化性能，IAR Embedded Workbench编译器不论在输出代码体积还是性能均处于业界领先地位。

本文中，我们将以IAR Embedded Workbench编译器为例，阐述如何配置编译优化选项，以达到嵌入式软件代码性能和体积的最佳平衡。由于篇幅关系，本主题将会分成上、下两篇。

在介绍如何配置编译器优化选项之前，让我们先来了解下编译器构建的过程。以IAR Embedded Workbench编译器为例，其代码构建过程如下图。

构建过程分为两部分：前端和后端。

前端主要将C代码通过解析器（Parser）生产中间代码（Intermediate Code），在这个过程中会介入优化器（High-Level Optimizer），其优化策略包括函数内联（Function in lining）, 冗余代码消除（Dead code elimination）, 循环展开（Loop unrolling）等。

后端则将中间代码通过目标代码生成器（Code Generator）生成目标汇编代码（Target Code），在这个过程中也会介入优化器（Low-Level Optimizer），其优化策略包括调度（Scheduling）, 窥视孔（Peephole）, 函数调用优化（Cross call）等。然后由汇编器（Assembler）将汇编代码转换成目标机器码（Object Code）。最后，通过链接器（Linker），将所有的目标机器码链接成elf格式的可执行二进制代码文件。在链接阶段也有相应的优化器（Linker time optimization）进行优化。

在IAR Embedded Workbench（基于EWARM v9.32.2）中通过菜单栏（Project -> Options）打开项目选项界面，选中“C/C++ Compiler”栏目，并且在右边选项卡选中“Optimizations”，即可进行编译优化选项配置，如下图所示。

1. 编译优化等级配置
如下图所示，IAR Embedded Workbench共分为4个优化等级（None, Low, Medium, High），其中等级“High”又分为3个子优化等级（Balanced, Size, Speed）。下表是各个优化等级对应的优化策略总览。

选择“None”，编译器只会进行无用代码消除等基本优化，但编译速度快，并且最适合C/C++源代码调试。
最高优化等级除了High(Balanced)之外，也可以选择High(Size)对于代码体积进行极致优化；或者选择High(Speed) ，并且勾选 No size constraints，则对于代码性能进行极致优化。

关于编译优化微调项（Enabled transformations）配置方法，我们将在《深入浅出编译优化选项（下）》详细介绍。

2. 多文件编译（Multi-file Compilation）
通常情况下，编译器逐个编译C/C++源文件。编译器的单次编译视野仅限于当前C/C++源文件，不能获知其他源文件的情况，包括全局变量，函数调用，指针别名等关系。因此编译器会采用较为保守和安全的优化假设。
IAR Embedded Workbench则为用户提供了 “多文件编译” 功能，如下图。编译器在工程全局级别或者文件组级别，允许一次编译多个文件，从而增加了编译视野，可以进行更为深度的编译优化策略实施，通常能获得更好的编译优化效果。

3. 灵活配置编译优化选项作用域
IAR Embedded Workbench提供了不同作用域的编译优化选项设置，使用户能够更加灵活的进行配置，对不同编译优化需求的代码进行分别配置。

全局设置：如之前介绍的编译优化选项设置方法均为全局设置，作用于整个工程范围。
每个文件/每个组的设置：当文件/组中的所有函数必须具有与项目不同的编译优化设置时，打开文件/组编译选项界面（在项目管理器选中文件/组，右击鼠标选择Options），选择“Override inherited settings”，如下图。然后进行编译优化设置。

单个函数：当某些函数必须具有不同的编译优化设置时，可以在源代码中使用 #pragma 关键字进行单独配置，如下例。

4. 链接阶段优化选项
IAR Embedded Workbench在链接阶段也提供了相应的代码优化选项，如下图。

链接阶段默认消除未使用的变量和函数。
小函数内联（inline small routines）：将对小函数的某些调用替换为函数的本体。
合并重复段（Merge duplicate sections）：链接器可以检测具有相同内容的只读段，并仅保留每个此类段的一个副本，从而将对任何重复段的所有引用重定向到保留的段。
C++虚拟函数消除（Perform C++ virtual function elimination）：虚函数是 C++ 中的一种特殊函数，它的实际调用取决于对象的实际类型。虚函数的调用需要运行时动态解析，因此会导致一定的运行时开销。“C++虚拟函数消除” 可删除不需要的虚拟函数和动态运行时类型信息，以减少程序运行时的开销，提高程序的性能。

嵌入式系统中通常硬件资源有限，特别是存储器容量，直接与MCU硬件成本挂钩，影响整个系统的硬件物料成本；另一方面，嵌入式软件又需要对外部信号进行实时响应，对外部设备进行实时控制，比如马达控制组件；除此之外，电池供电的嵌入式设备需要具备低功耗特性，要求CPU尽可能处于深度睡眠状态，以尽可能延长设备的单次电池工作时间。结合上述情况，对于嵌入式软件进行编译优化选项配置需要进行差异化考量，具体如下：

对于整个嵌入式软件项目作用域，可以考虑极致代码体积优化。较少的代码体积可以适配较小flash容量的MCU，从而节省硬件物料成本。
对于运行频度很高的代码段，可以考虑极致代码性能优化。这样可以使得关键代码在相同CPU速度的情况下，达到更高的实时响应速度。
另外，在电池供电的低功耗应用中，CPU一般处在深度睡眠状态。通常是间隔一段时间或者外部事件到来，唤醒CPU执行一个任务，然后CPU重新回到深度睡眠状态。设备功耗等于CPU深度睡眠的静态功耗和任务运行的动态功耗之和。根据MCU硬件电气特性，其单位时间动态功耗（mA级别）要远大于单位时间静态功耗（uA级别）。

对于经常需要唤醒执行的软件任务，可以考虑极致代码性能优化。这样会减少动态功耗的时间，以达到整体功耗的下降，从而增加设备的电池使用寿命。

#pragma optimize 只能降低对应函数的优化等级，或者选择另外一种优化策略。如果 pragma optimize的优化等级比编译器选项的优化等级高，那么 pragma optimize命令会被忽略。
高优化等级会让编译时间变长，同时让调试变得困难一些（因为高优化等级会让生成的代码和源代码的对应关系没有那么直接）。如果在调试过程中发现类似的问题，建议降低优化等级进行调试。

IAR Embedded Workbench是一款业界领先的编译工具链，除了提供卓越的性能之外，还提供了丰富灵活的编译优化选项配置，以帮助用户在不同的嵌入式应用需求下，都能找到最佳的嵌入式软件代码性能和体积的平衡点。
在下一篇《深入浅出编译优化选项（下）》中，我们将介绍编译过程中的优化策略以及如何在IAR Embedded Workbench配置编译优化微调项（Enabled transformations），让用户可以根据代码需求配置出更加精准的编译优化策略组合。

参考文献：
1. www.iar.com/e-book/e-book-cn
2. https://www.embedded.com/understanding-mcu-sleep-modes-and-energy-savings/