程序的优化技巧

大家好，我是张飞实战电子黄忠老师，今天我们来讨论下程序的优化技巧！

在嵌入式系统中由于资源比较有限，特别是内存资源，因此对程序运行的性能要求比较高。对执行效率高的程序段所占用的空间和运行效率进行全方位的优化，可以对程序运行的整体效率将产生可观的提升。

1、循环缓冲区

在一些嵌入式的系统中，常常需要开辟一块缓冲区保存数据。例如：对于数据采集系统，需要将一定时间段内的数据放入一个内存区域中。这个内存区域的放置方法是从低地址开始放置，如果放满了（到达了最高的地址），则需要从头部的低地址开始重新放置。这样的内存结构就组成了一个循环缓冲区。

在一般的嵌入式处理器中没有硬件自动完成循环放置的功能，通常的做法是在程序的每次循环中都判断缓冲区是否放满了，显然这样的开销很大。

如果要在程序中执行缓冲区类型的操作，这些操作一般需要占用一块连续的内存。在栈上分配的内存，一般只能在函数内部使用，函数退出的时候就会被释放，因此不适合作为缓冲区使用。而在堆上的内存和静态内存都可以作为缓冲区内存使用。

我们举例来看下：

#define  BUFFERSIZE 256

int x[BUFFERSIZE];

unsigned int k;

unsigned int i;

while(1)

{

k = i & (BUFFERSIZE-1);

x[k] = ImputData();

/*……*/

i++;

}

从程序中可见，数组x[]是作为程序的缓冲区使用的，而由于开始并没有进行数组的初始化，x[]是一个建立在BSS段上的数组，其大小由BUFFERSIZE确定。

我们看循环内的操作，可以完成自动循环的过程，这个例程中，当i增加到256的时候，k作为数组下标，又会返回为0，i本身增加到最大值的时候也会变为0。

那么大家很容易看出来，由于不需要使用if做判断，可以节省几条程序指令的时间。对于这几条指令看似节省的时间不多，但是由于上述语句执行的频率非常高，所以这些时间的节省占程序总运行时间的权重还是比较大的。尤其对于实时采样处理问题，程序必须在指定时间内完成一系列的操作。所以对于执行效率比较高的指令，哪怕只节省一条指令，对运行效率的提高都是很有意义的。

从以上的例子中可以看出，当进行程序优化的时候，不仅需要考虑程序段运行的绝对时间，还应该考虑程序段运行的频率。对于运行频率非常高的程序，对其进行优化会在很大的程度上提高系统的性能。

2、查表法

由于资源有限，程序的运行效率在嵌入式系统上比在PC上的程序开发更为重要。程序的运行速度和所占用的存储器空间这两个效率问题都是必须考虑的。嵌入式系统程序的运行速度与处理器频率有关系；而程序所能占用的存储器空间与ROM或RAM的大小有关系。

在当前的嵌入式系统中，程序的运行速度比程序所占用的存储器空间显得更重要，一是存储器方便扩展，二是存储器的容量是比较容易控制，程序运行占用的处理器时间比较难控制。

在设计过程中，程序的容量和速度在很多时候是有些矛盾的，在程序中牺牲一定的存储容量换取程序的运行速度，这对于嵌入式系统来说是有一定好处的。典型的例子就是查表法。

例如：在一个4位的二进制数中，确定有几位为1，也就是要统计0x0~0xf中的任何一个数，中间有几个1。

典型思路：         查表法：

int getnumber(unsigned int a)     const int table[16] = {0,1,1,2,1,2,2,3,1,2,2,3,2,3,3,4};

{           int getnumber(unsigned int a)

unsigned int i=0;       {

int num = 0;         return table[a&0x0f];

unsigned int temp = a & (0xf);    }

for(i =0;i < 4;i++)

{

if ((temp>>i)&0x01)

num++;

}

return num;

}

典型的思路就是使用循环的方法让程序在这个4位的数中依次查找各个位是否为1，最后累加得出1的数目。那么在实现这个简单的功能的过程中，需要进行4次循环、4次判断，这是有一定开销的，占用了不少处理器的时间。从程序需要实现的功能考虑，输入是一个4位的数，范围是0x0~0xf，输出数的范围是0~4，这实际上是完成了一种映射功能，可以换成第二种查表法的思路，就是构造一个16个元素的数组，可以通过数组得到结果。实际上数组的下标就是输入的数值，而数组的元素就是输出的数值。

那么很容易看出来，这种做法的优点是每个数值的获取非常快，代价则是增加了一个有16个元素的数组。数组是预先固化好的常量，而不是程序动态生成的，这种利用静态空间换取程序执行时间的方式转换后的程序执行效率非常高。如果把它应用在使用频率很高的程序中，就可以节省很多的系统开销。

同样，大家可以考虑一下如果是查找8位数中的1的个数怎么做？16位呢？如果变通。

3、针对循环执行效率的优化

循环是C语言程序中的常用语法功能，由于循环执行的次数较多，占程序执行时间的权重大，所以对循环的优化是提高程序效率的关键点。

例如，

void change_list_value()

{

int i,count;

POSITION pos;

CPtrList* plist;

plist = get_start(pos);

for(i = 0; i < get_count(); i++)     count = get_count();      

{          for(i = 0; i < count ; i++)

plist = get_next(pos);     {}

set_val (plist);

}

return 0;

}

上面这个循环代码左边是原始写法，右边是改进的。可以发现循环中执行的函数减少了，原来的get_count()函数从原来的内部转移到了循环外部，也就是说这个循环函数改进后只执行一次，如果这个链表中的元素有几千个至几万个，那么第一段代码比第二段代码多执行了几千条几万条的语句，这样会导致时间上巨大的开销。

总结：在循环系统中，针对于循环条件，应该尽可能地使用临时变量来替代函数调用，这样可以在循环次数较多的情况下，减少大量不必要的函数调用。

你有没有更好的优化技巧也分享出来啊~

TTL通往RS232神奇之黑盒（一）

    大家好！我是张飞实战电子黄忠老师。

    做单片机通信的，这些不同通信接口转换的模块是必不可少的，都说这些模块那么多，又不贵，那我索性也来做一个，全隔离的TTL转RS232模块，在这里就跟大家分享下我的实现过程，还有需要注意的地方。如果大家有不同的看法随时欢迎交流哈~

首先呢先来说下需要实现什么，就是TTL转RS232，那么就可以来选择芯片，有信号隔离芯片、电源隔离芯片、转换芯片，主要就是这些。

    那么接下来我就来详细分享下我的实现过程。

    1、输入端电压我设计的是5V供电，因为后端我选取的DCDC隔离电源需要5V供电，所以这里需要提示下的。输入进来加个保险丝（9V/100mA），起到保护作用。还有输入端我一般会选择加个LED灯，提示用的。

    2、信号输入后开始进行全隔离，信号通过隔离芯片实现，电源信号通过隔离电源，实现全隔离；信号线一般需要加个小电阻（10R够了）增强鲁棒性，对于隔离部分处理相对简单，看图吧

    3、接下来就是转换芯片（SP3232EIM/TR）部分了，对于RS232的信号，我做了功课，这里简单说明下，RS232信号0和1与TTL不一样，TTL工作电压是0~3.3V，RS232逻辑1电平是低于-3V的（保证电平在-3~-15V）；逻辑0电平是高于3V的（保证电平在3~15V）接通状态呢有效电平高于3V，断开状态电平低于-3V，也就是当传输电平绝对值大于3V时，电路可以有效的检查出来。

通过阅读RS232转换芯片的数据手册，看下对于电荷泵电容的说法，

那么我的设计就参照手册的推荐设计，另外我选用的芯片可以实现两路转换，我只用了一路。对于有芯片的设计还是要多看手册。

4、最后就是输出部分的端口了，DB9接口，这个也要查询下相关资料，这里我跟大家分享下我查询的结果还有我的端口设计。

    最后需要注意的是：主控目标和隔离模块通讯才用 杜邦线连接，隔离模块和从控目标通讯采用带有DB9接口的线材连接，这里需要注意带有DB9接口的线分TX和RX交叉、不交叉两个版本，采购时切记分清楚。

    那么这个小模块的设计就完成了，是不是觉得其他我们平时买的黑盒内容也没想象中那么复杂，技术需要沉淀，不管做软件设计也好，硬件设计也好，真的都要去实际完成才会有不一样的收获。或者在我的设计基础上也可以有不同的见解，还可以有更好的升华。思路需要开阔，当有了丰富的经验，设计什么都会变得容易的多。更多的积累才会换来更大的财富。

    后面就开始设计PCB过程了，最后产品出来就可以通信使用了，如果大家感兴趣的话就持续关注我吧。后面会陆续分享出我的设计视频过程，随时欢迎大家跟我来探讨，也让我可以开阔下思路，或许还有其他实现方式。

你知道“链接”吗

在最开始人们编写程序时，都将所有的代码都写在同一个源文件中，经过长期的积累，程序可能包含了N多行的代码，程序员维护起来非常困难。迫切地希望将程序源代码分散到多个文件中，一个文件一个模块，能够更好地阅读和维护程序，这个时候，链接器就闪亮登场了。

我们知道，数据是保存在存储器中的，对于单片机来说，必须知道这些数据的地址才能使用。变量名、函数名等仅仅是地址的一种代名词儿，旨在编程时更加方便地使用数据，当源文件被编译成可执行文件后，这些标识符都不存在了，它们都被替换成了数据的地址。

任何程序的执行，最终都要依靠计算机硬件来完成，单片机是大规模集成电路，它只认识高低两个电平（电压），假设高电平为 3.3V，用1表示，低电平为 0V，用0表示。也就是说，在单片机底层，只有 0 和 1 两个二进制数字，这就是机器语言。

使用机器语言编程，十分繁琐又耗时，并且很容易出错。如果程序包含了多个源文件，就很可能会有跨文件的跳转、在程序拥有多个模块时会导致更加严重的问题。于是大神们发明了汇编语言，这相比机器语言来说是个很大的进步。汇编语言使用接近人类的各种标号来帮助记忆，比如用jmp表示跳转指令，用func表示一个子程序（C语言中的函数就是一个子程序）的起始地址，标号的方法使得人们从具体的机器指令和二进制地址中解放出来。标号这个概念随着汇编语言的普及被广泛接受，它用来表示一个地址，这个地址可能是一段子程序的起始地址，也可以是一个变量的地址。

随着软件规模的日渐庞大，代码量开始疯长，汇编语言的缺点逐渐暴露出来。汇编虽然提供了多种标号，但它依然非常接近计算机硬件，程序员要考虑很多细节问题和边界问题，而且不利于模块化开发，所以后来人们发明了C语言。C语言是比汇编更加高级的编程语言，极大地提高了开发效率，以加法为例，C语言只需要一条语句，汇编却需要四五条。

单片机编程中，程序员通过会把很多功能分散到成许多个模块中。这些模块之间相互依赖又相互独立，原则上每个模块都可以单独开发、编译、测试，改变一个模块中的代码不需要编译整个程序。在程序被分隔成多个模块后，需要解决的一个重要问题是如何将这些模块组合成一个单一的可执行程序。在C语言中，模块之间的依赖关系主要有两种：一种是模块间的函数调用，另外一种是模块间的变量访问。函数调用需要知道函数的首地址，变量访问需要知道变量的地址，所以这两种方式可以归结为一种，那就是模块间的符号引用。这种通过符号将多个模块拼接为一个独立的可执行程序的过程就叫做链接（Linking）。
    在一个STM32项目中，代码被分为多个文件时，链接器可以链接ARM代码、Thumb代码、Thumb-2 代码，并自动生成交互操作中间代码，以便在需要时切换处理器状态。链接器还可以在需要时自动生成内联中间代码或长跳转中间代码，以扩展跳转指令的范围。

链接器还可以生成关于链接文件的调试和引用信息、生成静态调用图并列出堆栈的使用情况、控制输出映像中符号表的内容、显示输出中代码和数据的大小。链接器针对下一次文件编译提供反馈信息，提示编译器有关未使用函数的情况。 可以根据提示在后续编译中将未使用的函数放置在各自的节中，以便链接器将来删除这些函数。

使用链接器构建可执行映像时，链接器将解析输入对象文件之间的符号引用，从库中提取对象模块来满足还未满足的符号引用的需要，根据属性和名称排序输入节，并将属性和名称相似的节合并为相邻块，删除未使用节，删除重复的公共组和公共代码、数据及调试节，根据提供的分组和布局信息将对象片段组织为内存区，给可重定位值分配地址，最终生成可执行映像。

什么是USB的描述符？

USB只是一个总线，只提供一个数据通路而已。USB总线驱动程序并不知道一个设备具体如何操作，有哪些行为。具体的一个设备实现什么功能，要由设备自己来决定。那么，USB主机是如何知道一个设备的功能以及行为呢？这就要通过描述符来实现了。那么什么是USB的描述符呢？其实就是一些传递的协议信息，比如设备的类型、厂商ID、产品ID、端点情况、版本号等信息。

既然描述符是协议信息，那么不同的版本也会有所不同，比如USB1.1协议定义的标准描述符有设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符、类特殊描述符以及厂商自定义的描述符。那么USB2.0协议中又增加了两个新的标准描述符有设备限定符描述符和其他速度配置描述符。随着USB协议版本的提升，大家知道都是为了提升速度和可靠度，让用户有更快更高效的体验。那么USB1.1是全速设备，现在我们一起看下USB1.1协议定义的描述符吧。

一个USB设备只有一个设备描述符。设备描述符里决定了该设备有多少种配置，每种配置都有一个配置描述符；而在每个配置描述符中又决定了该配置里有多少个接口，每个接口都有一个接口描述符；在接口描述符里又定义了该接口有多少个端点，每个端点都有一个端点描述符；端点描述符定义了端点的大小、类型等。如果有类特殊描述符，它跟在相应的接口描述符之后。由此可以看出，USB的描述符之间的关系是一层一层的，最上一层是设备描述符，接下来是配置描述符，再下来是接口描述符，最下面是端点描述符。在主机获取描述符时，首先获取设备描述符，接着再获取配置描述符，然后根据配置描述符中的配置集合的总长度，一次将配置描述符、接口描述符、类特殊描述符（如果有）、端点描述符一次读回。对于字符串描述符，是单独获取的。主机通过发送获取字符串描述符的请求以及描述符的索引号、语言ID来获取对应的字符串描述符。

l 设备描述符主要记录的信息有：设备所使用的USB协议版本号、设备类型、端点0的最大包大小、厂商ID（VID）和产品ID（PID）、设备版本号、厂商字符串索引、产品字符串索引、设备序列号索引、可能的配置数等。

l 配置描述符主要记录的信息有：配置所包含的接口数、配置的编号、供电方式、是否支持远程唤醒、电流需求量等。

l 接口描述符主要记录的信息有：接口的编号、接口的端点数、接口所使用的类、子类、协议等。

l 端点描述符主要记录的信息有：端点号及方向、端点的传输类型、最大包长度、查寻时间间隔等。

l 字符串描述符主要是提供一些方便人们阅读的信息，它不是必需的。

说了半天，也许你还没搞清楚到底设备、配置、接口、端点等这些是什么东西。不要急，这些东西的确是有点晕人。特别是刚接触时，这么多的内容很容易让人搞混，或者似乎是懂了，然后再想想，似乎又没懂……这些所说的设备，就是一个实实在在的USB设备，例如一个USB鼠标。设备有一个设备地址，USB主机依靠这个设备地址来访问设备。而在设备内部还会分的更细。它会分出一些端点出来，例如端点0、端点1等。就是说，如果USB主机要和USB设备通信，光有设备地址是不够的，还需要一个端点地址。有了设备地址和端点地址，就能准确地对端点发送和读取数据了。好比你要去找8号教学楼的605教室，8号楼就是设备地址，而605教室就是端点地址。而配置和接口，是为了更方便地管理端点而抽象出来的概念。一个设备可以有多个配置，但是同一时刻只能有一个配置有效。每个配置下又可以有多个接口。当我们需要不同的功能时，只要选择不同的配置即可。拿刚才的教学楼来说，我们可以把它分成两个配置：平时上课用和考试用。考试用时，全部的教室都拿来作考场（即该配置下只有一个接口，接口下有很多端点---教室）；而平时上课用时，分成两类（即该配置下有两个接口，每个接口下有一些端点---教室）：教师休息室和上课的课室。教师休息室和课室是不能共用的（这在USB中也是如此，同一个端点号不能出现在同一个配置下的两个或者更多个不同的接口中）。但是平时用来做课室或者休息室的教室，考试时都可以拿来作考场（这在USB中也是如此，同一个端点号可用在不同的配置中）。具有多个接口并由接口来实现功能的设备把它叫做USB复合设备，例如一个USB音频设备，它具有一个音频控制接口，另外还可能具有一到多个音频流或MIDI流接口。在主机端会把USB复合设备的每个接口当作一个功能设备来看待。像常见的USB鼠标、U盘等，通常是单一的设备，即一个设备下只有一个配置描述符、一个接口描述符。

总结一下：由端点构成一个接口（或者反过来说，接口是端点的集合），由接口又构成一个配置（反过来说，配置是接口的集合），再由配置构成一个设备（设备是配置的集合）。学习USB，一定要把这些关系理清楚了，才能按照需要构造出一个合格的USB设备。如果一个设备的各种描述符成功返回了，那么可以说已经成功了大半。相反，只要描述符出现一点问题，哪怕只是一个bit的错误，都可能造成设备无法识别或者无法正常工作。

TTL通往RS232神奇之黑盒（二）

     延续前篇，跟大家分享了全隔离模块的通信接口转换原理设计过程，那么接下来就分享下我的PCB设计路程，有些过程看似简单，自己真正动手才发现自己可能会出错的点在哪里，这就是积累经验的过程。

PCB实现也是一样的，需要细致，需要根据实际情况做出调整。

首先是左进右出原则，根据实际需求，这个不是固定的。

在布局前还是要先把规则设置好，有了规则自然事情就会变得有了约束，做事就不会没条理了。那么规则设置是需要注意什么呢。

    1、电气特性是必要配置的，间距设置，常规设置为0.2mm，敷铜间距可以稍微大点，我会设置为0.5mm。（这个间距要根据实际项目需求）

    2、线宽需要设置，首先我常规走线都是用推荐值，但是电源和地的线宽我用的大点，所以这里需要把范围配置一下，主要还是规避错误嘛。

    3、过孔的孔径常规我用0.3mm/0.6mm，那么对于限制就要设置好，否则也会报错的吧。

    4、还有一些间距为了自己去把控，我一般会设置为0，比如孔到孔的间距，最小阻焊的间距，丝印到阻焊的间距，丝印到丝印的间距等。

    规则设置好，就可以开始布局了。

    有信号隔离，那么隔离电源和隔离芯片也是要考虑敷铜的问题，所以布局需要考虑摆放问题。

    由于RS232接口尺寸问题，需要考虑最大，那么右端整个部分就是要放RS232，所以考虑合理化，那么隔离芯片部分就放在上端了，先模块化说完，后面贴整个效果图，那么大家就可以理解了。

接下来看转换芯片和后端部分模块。

    这个布局除了要考虑放置问题，敷铜问题，还有就是走线。

    那么布局就实现了，接下来走线就不多说了，主要走线要先走信号线，最后走电源和地线，地常规都是通过敷铜方式实现，那么最终效果看下：

    最后需要提醒一点是泪滴效果。丝印调整以及版本号等信息的添加。

    到这里基本功能实现了，就是打板了，最后产品出来就可以通信使用了，如果大家感兴趣的话就持续关注我吧。后面会陆续分享出我的设计视频过程，随时欢迎大家跟我来探讨，或许还有其他实现方式。