NiosII處理器軟件代碼優(yōu)化方法
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Altcra公司的NiosII軟核處理器具有完全可定制特性、高性能、較低的產(chǎn)品和實(shí)旌成本、易用性、適應性以及不會(huì )過(guò)時(shí)等優(yōu)勢。使用NiosII處理器，將不會(huì )局限于預先制造的處理器技術(shù)，而是根據用戶(hù)的標準定制處理器，按照需要選擇合適的外設、存儲器和接口。此外，還可以輕松集成用戶(hù)專(zhuān)有的功能，使設計具有獨特的競爭優(yōu)勢。
NiosII處理器的軟件開(kāi)發(fā)是建立在A(yíng)NSl C基礎上的。NiosII IDE是NiosⅡ系列嵌入式處理器的主要軟件開(kāi)發(fā)工具。用戶(hù)可以在NiosII IDE中完成所有的軟件開(kāi)發(fā)任務(wù)，如編輯、編譯、下載、調試和閃存編程。NiosII嵌入式系統的一個(gè)重要問(wèn)題就是軟件代碼量的大小，這關(guān)系到存放代碼的存儲器件容量大小，因此控制和減小程序代碼量是降低系統成本的重要方法，必須首先從處理器的啟動(dòng)順序開(kāi)始研究。
1 NiosII處理器啟動(dòng)順序和程序入口地址
NiosII處理器的啟動(dòng)可采用兩種方式：自動(dòng)初始化和用戶(hù)自定義初始化。ANSI C標準定義應用程序可以通過(guò)調用main()來(lái)開(kāi)始執行。在調用main()之前，應用程序假定運行環(huán)境和所有的服務(wù)系統都被初始化并準備運行。初始化可以被硬件抽象層(HAL)系統庫自動(dòng)執行。程序員不需要考慮系統的輸出設備以及如何初始化每一個(gè)外設，HAL會(huì )自動(dòng)初始化整個(gè)系統。
另外，ANSIC標準也提供了一個(gè)可變的入口點(diǎn)程序，以避免自動(dòng)初始化。ANSI C標準還定義程序員能手動(dòng)初始化任何所用的硬件。alt_main()函數提供了一個(gè)獨立式的編程環(huán)境，能夠完全控制系統的初始化。獨立式編程環(huán)境可以使程序員手動(dòng)編寫(xiě)初始化系統的代碼。
HAL提供的系統初始化代碼按以下啟動(dòng)順序運行：
①啟動(dòng)指令和數據高速緩沖存儲器；
②配置堆棧；
③配置全局指針；
④通過(guò)鏈接器提供的_bss_start和_bss_end來(lái)零初始化BSS層，_bss_stan和_bss_end是開(kāi)始和結束B(niǎo)SS的命令；
⑤如果當前系統沒(méi)有啟動(dòng)下載器，就復制．rwdata、．rodata，或者剩下的部分到RAM；
⑥調用alt_main()。
如果不調用alt_main()函數，則系統默認運行步驟如下：
①調用ALT_OS_INIT()來(lái)執行任何操作系統所特有的初始化。如果HAL是在操作系統里運行的，那么初始化alt_fd_list_lock命令。它町以控制訪(fǎng)問(wèn)HAL文件系統，初始化中斷控制器并執行中斷。
②調用alt_sys_init()函數，以初始化系統里所有的驅動(dòng)裝置和軟件組成部分。
③重新設置C標準I／O通道(stdin，stdout，stderr)，以使用合適的器件。
④調用main()。
⑤調用exit()。rnain()的返回代碼作為exit()的輸入。
在NiosII IDE工程中，只需簡(jiǎn)單定義alt_main()就可以實(shí)現用戶(hù)的啟動(dòng)順序，而且能夠選擇HAL的服務(wù)程序。如果應用程序需要一個(gè)alt_main()入口點(diǎn)程序，可以復制默認的執行作為開(kāi)始點(diǎn)，根據要求來(lái)定制它。
alt_main()這個(gè)函數是不能返回的，其原型是：voidalt_main()。
使用獨立式編程環(huán)境會(huì )增加NiosII程序編寫(xiě)的復雜性。獨立式編程環(huán)境的主要作用在于減小代碼量，但要使用這種方法，需要對NiosII處理器的外設和驅動(dòng)編寫(xiě)都非常熟悉才行。
在NiosII IDE中也可以通過(guò)某些選項來(lái)減小HAL系統庫容量，從而達到減小代碼量的目的，比使用獨立式編程環(huán)境容易得多。
2 減小代碼量的方法
2．1 打開(kāi)編譯器優(yōu)化選項
在nios2-elf-gcc編譯器中使用“-O3”選項，代碼可以被最大限度地優(yōu)化，包括代碼的大小和執行速度。需要注意的是，編譯器優(yōu)化可能會(huì )帶來(lái)一些意想不到的結果。另外，必須在用戶(hù)工程和系統庫中都使用-O3選項，如圖l所示。
2．2 使用小封裝的驅動(dòng)庫
HAL為處理器的外沒(méi)提供了兩種驅動(dòng)庫：一種是執行速度快，但代碼量大的版本；另一種是小封裝版本。默認情況下，HAL系統使用是代碼量大的版本，可以選擇Reduced device drivers選項來(lái)選擇小封裝版本，從而減小代碼量，如圖2所示。
2．3 使用新的C語(yǔ)言庫
完整的ANST C標準庫通常不適用于嵌入式系統，HAL提供了一系列經(jīng)過(guò)裁減的新的ANSI C標準庫，占用非常小的代碼量?？梢赃x擇Small C library選項來(lái)選擇新的ANSI C標準庫，如圖3所示。
圖3 選擇新的ANSI C標準庫
2．4 去掉不使用的驅動(dòng)庫
當NiosIl系統中有外設時(shí)，NiosII IDE認為這些設備需要驅動(dòng)，因此在HAL系統中加入了相應的驅動(dòng)庫。如果在用戶(hù)的程序中并不需要使用到這些外設，也可以在初始化時(shí)不加載這些驅動(dòng)庫。
當用戶(hù)的程序并沒(méi)有使用到NiosII系統中某些設備(如SPI通信接口)時(shí)，應在系統中將這些設備完全移除。這樣，既可以減小軟件代碼量，又可以減少占用的FPGA資源。最常見(jiàn)的一個(gè)例子就是系統中的F1ash存儲芯片。在用戶(hù)程序中通常不會(huì )對Flash芯片進(jìn)行寫(xiě)操作，因此不需要加載Flash驅動(dòng)庫，可以在工程屬性的preprocessor選項中加入“-DALT_NO_CFI_FLASH”，使得HAL系統不將Flash芯片驅動(dòng)加入系統庫中。
2．5 使用_exit()函數
在默認情況下，HAL系統會(huì )調用exit()函數作為用戶(hù)程序的結束。exit()函數主要完成兩部分工作：清除所有C語(yǔ)言庫中的I／O緩存；調用在atexit()函數中的所有函數。實(shí)際上，相當于main()函數中return語(yǔ)句在執行之前必須要完成的工作。
而在嵌入式系統中用戶(hù)程序是不會(huì )退出main()函數的，所以exit()這段代碼是多余的，可以去掉。在用戶(hù)程序中可以用_exit()來(lái)代替exit()，_exit()程序不執行任何操作且無(wú)需對用戶(hù)程序做改動(dòng)，只需在工程屬性的pre-processor選項中加入“-Dexit=_exit”。
3 總 結
通過(guò)上述方法，對一個(gè)簡(jiǎn)單的helloworld程序進(jìn)行代碼量?jì)?yōu)化。程序如下：
在未進(jìn)行任何優(yōu)化之前，編譯完成后代碼量為68 KB：在經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化方法編譯之后，代碼量變?yōu)?044字節。由此可見(jiàn)，上述優(yōu)化方法十分有效，代碼量減小為原來(lái)的1/10，在NosII嵌入式系統中有重要的實(shí)用價(jià)值。
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