深入淺出編譯優化選項（上）

在前文《如何為嵌入式軟件開發選擇編譯器》中講到編譯器對于嵌入式軟件開發的重要性，以及如何選擇一款優秀的編譯器。 文中也比較了現有主流編譯器的編譯優化性能，IAR Embedded Workbench編譯器不論在輸出代碼體積還是性能均處于業界領先地位。

本文中，我們將以IAR Embedded Workbench編譯器為例，闡述如何配置編譯優化選項，以達到嵌入式軟件代碼性能和體積的最佳平衡。由于篇幅關系，本主題將會分成上、下兩篇。

編譯器代碼構建過程

在介紹如何配置編譯器優化選項之前，讓我們先來了解下編譯器構建的過程。 以IAR Embedded Workbench編譯器為例，其代碼構建過程如下圖。

構建過程分為兩部分：前端和后端。

前端主要將C代碼通過解析器（Parser）生產中間代碼（Intermediate Code），在這個過程中會介入優化器（High-Level Optimizer），其優化策略包括函數內聯（Function in lining）, 冗余代碼消除（Dead code elimination）, 循環展開（Loop unrolling）等。

后端則將中間代碼通過目標代碼生成器（Code Generator）生成目標匯編代碼（Target Code），在這個過程中也會介入優化器（Low-Level Optimizer），其優化策略包括調度（Scheduling）, 窺視孔（Peephole）, 函數調用優化（Cross call）等。 然后由匯編器（Assembler）將匯編代碼轉換成目標機器碼（Object Code）。 最后，通過鏈接器（Linker），將所有的目標機器碼鏈接成elf格式的可執行二進制代碼文件。 在鏈接階段也有相應的優化器（Linker time optimization）進行優化。

IAR Embedded Workbench
編譯優化選項介紹

在IAR Embedded Workbench（基于EWARM v9.32.2）中通過菜單欄（Project -> Options）打開項目選項界面，選中“C/C++ Compiler”欄目，并且在右邊選項卡選中“Optimizations”，即可進行編譯優化選項配置，如下圖所示。

1. 編譯優化等級配置

如下圖所示，IAR Embedded Workbench共分為4個優化等級（None, Low, Medium, High），其中等級“High”又分為3個子優化等級（Balanced, Size, Speed）。 下表是各個優化等級對應的優化策略總覽。

? 選擇“None”，編譯器只會進行無用代碼消除等基本優化，但編譯速度快，并且最適合C/C++源代碼調試。

? 最高優化等級除了High(Balanced)之外，也可以選擇High(Size)對于代碼體積進行極致優化； 或者選擇High(Speed) ，并且勾選 No size constraints，則對于代碼性能進行極致優化。

關于編譯優化微調項（Enabled transformations）配置方法，我們將在《深入淺出編譯優化選項（下）》詳細介紹，敬請關注。

2. 多文件編譯（Multi-file Compilation）

通常情況下，編譯器逐個編譯C/C++源文件。 編譯器的單次編譯視野僅限于當前C/C++源文件，不能獲知其他源文件的情況，包括全局變量，函數調用，指針別名等關系。 因此編譯器會采用較為保守和安全的優化假設。

IAR Embedded Workbench則為用戶提供了 **“多文件編譯” **功能，如下圖。 編譯器在工程全局級別或者文件組級別，允許一次編譯多個文件，從而增加了編譯視野，可以進行更為深度的編譯優化策略實施，通常能獲得更好的編譯優化效果。

3. 靈活配置編譯優化選項作用域

IAR Embedded Workbench提供了不同作用域的編譯優化選項設置，使用戶能夠更加靈活的進行配置，對不同編譯優化需求的代碼進行分別配置。

? 全局設置：如之前介紹的編譯優化選項設置方法均為全局設置，作用于整個工程范圍。

? 每個文件/每個組的設置：當文件/組中的所有函數必須具有與項目不同的編譯優化設置時，打開文件/組編譯選項界面（在項目管理器選中文件/組，右擊鼠標選擇Options），選擇“Override inherited settings”，如下圖。 然后進行編譯優化設置。

? 單個函數：當某些函數必須具有不同的編譯優化設置時，可以在源代碼中使用 #pragma 關鍵字進行單獨配置，如下例。

4. 鏈接階段優化選項

IAR Embedded Workbench在鏈接階段也提供了相應的代碼優化選項，如下圖。

? 鏈接階段默認消除未使用的變量和函數。

? 小函數內聯（inline small routines）：將對小函數的某些調用替換為函數的本體。

? 合并重復段（Merge duplicate sections）：鏈接器可以檢測具有相同內容的只讀段，并僅保留每個此類段的一個副本，從而將對任何重復段的所有引用重定向到保留的段。

? C++虛擬函數消除（Perform C++ virtual function elimination）：虛函數是 C++ 中的一種特殊函數，它的實際調用取決于對象的實際類型。 虛函數的調用需要運行時動態解析，因此會導致一定的運行時開銷。 “C++虛擬函數消除” 可刪除不需要的虛擬函數和動態運行時類型信息，以減少程序運行時的開銷，提高程序的性能。

嵌入式軟件編譯優化選項配置整體思路

嵌入式系統中通常硬件資源有限，特別是存儲器容量，直接與MCU硬件成本掛鉤，影響整個系統的硬件物料成本； 另一方面，嵌入式軟件又需要對外部信號進行實時響應，對外部設備進行實時控制，比如馬達控制組件； 除此之外，電池供電的嵌入式設備需要具備低功耗特性，要求CPU盡可能處于深度睡眠狀態，以盡可能延長設備的單次電池工作時間。 結合上述情況，對于嵌入式軟件進行編譯優化選項配置需要進行差異化考量，具體如下：

? 對于整個嵌入式軟件項目作用域，可以考慮極致代碼體積優化。 較少的代碼體積可以適配較小flash容量的MCU，從而節省硬件物料成本。

? 對于運行頻度很高的代碼段，可以考慮極致代碼性能優化。 這樣可以使得關鍵代碼在相同CPU速度的情況下，達到更高的實時響應速度。

? 另外，在電池供電的低功耗應用中，CPU一般處在深度睡眠狀態。 通常是間隔一段時間或者外部事件到來，喚醒CPU執行一個任務，然后CPU重新回到深度睡眠狀態。 設備功耗等于CPU深度睡眠的靜態功耗和任務運行的動態功耗之和。 根據MCU硬件電氣特性，其單位時間動態功耗（mA級別）要遠大于單位時間靜態功耗（uA級別）。

對于經常需要喚醒執行的軟件任務，可以考慮極致代碼性能優化。 這樣會減少動態功耗的時間，以達到整體功耗的下降，從而增加設備的電池使用壽命。

注意事項：

? #pragma optimize 只能降低對應函數的優化等級，或者選擇另外一種優化策略。 如果 pragma optimize的優化等級比編譯器選項的優化等級高，那么 pragma optimize命令會被忽略。

? 高優化等級會讓編譯時間變長，同時讓調試變得困難一些（因為高優化等級會讓生成的代碼和源代碼的對應關系沒有那么直接）。 如果在調試過程中發現類似的問題，建議降低優化等級進行調試。

總結

IAR Embedded Workbench是一款業界領先的編譯工具鏈，除了提供卓越的性能之外，還提供了豐富靈活的編譯優化選項配置，以幫助用戶在不同的嵌入式應用需求下，都能找到最佳的嵌入式軟件代碼性能和體積的平衡點。

在下一篇《深入淺出編譯優化選項（下）》中，我們將介紹編譯過程中的優化策略以及如何在IAR Embedded Workbench配置編譯優化微調項（Enabled transformations），讓用戶可以根據代碼需求配置出更加精準的編譯優化策略組合。

審核編輯：湯梓紅