一文搞懂单片机程序该如何优化

对程序进行优化，通常是指优化程序代码或程序执行速度。优化代码和优化速度实际上是一个予盾的统一。一般是优化了代码的尺寸，就会带来执行时间的增加;如果优化了程序的执行速度，通常会带来代码增加的副作用。很难鱼与熊掌兼得，只能在设计时掌握一个平衡点。

01

程序结构的优化

1、程序的书写结构

虽然书写格式并不会影响生成的代码质量，但是在实际编写程序时还是应该尊循一定的书写规则，一个书写清晰、明了的程序，有利于以后的维护。在书写程序时，特别是对于While、for、do…while、if…else、switch…case 等语句或这些语句嵌套组合时，应采用“缩格”的书写形式。

2、标识符

程序中使用的用户标识符除要遵循标识符的命名规则以外，一般不要用代数符号(如a、b、x1、y1)作为变量名，应选取具有相关含义的英文单词(或缩写)或汉语拼音作为标识符，以增加程序的可读性，如：count、number1、red、work 等。

3、程序结构

C 语言是一种高级程序设计语言，提供了十分完备的规范化流程控制结构。因此在采用C 语言设计单片机应用系统程序时，首先要注意尽可能采用结构化的程序设计方法，这样可使整个应用系统程序结构清晰，便于调试和维护。

对于一个较大的应用程序，通常将整个程序按功能分成若干个模块，不同模块完成不同的功能。各个模块可以分别编写，甚至还可以由不同的程序员编写，一般单个模块完成的功能较为简单，设计和调试也相对容易一些。在C 语言中，一个函数就可以认为是一个模块。

所谓程序模块化，不仅是要将整个程序划分成若干个功能模块，更重要的是，还应该注意保持各个模块之间变量的相对独立性，即保持模块的独立性，尽量少使用全局变量等。对于一些常用的功能模块，还可以封装为一个应用程序库，以便需要时可以直接调用。但是在使用模块化时，如果将模块分成太细太小，又会导致程序的执行效率变低(进入和退出一个函数时保护和恢复寄存器占用了一些时间)。

4、定义常数

在程序化设计过程中，对于经常使用的一些常数，如果将它直接写到程序中去，一旦常数的数值发生变化，就必须逐个找出程序中所有的常数，并逐一进行修改，这样必然会降低程序的可维护性。因此，应尽量当采用预处理命令方式来定义常数，而且还可以避免输入错误。

5、减少判断语句

能够使用条件编译(ifdef)的地方就使用条件编译而不使用if 语句，有利于减少编译生成的代码的长度。

6、表达式

对于一个表达式中各种运算执行的优先顺序不太明确或容易混淆的地方，应当采用圆括号明确指定它们的优先顺序。一个表达式通常不能写得太复杂，如果表达式太复杂，时间久了以后，自己也不容易看得懂，不利于以后的维护。

7、函数

对于程序中的函数，在使用之前，应对函数的类型进行说明，对函数类型的说明必须保证它与原来定义的函数类型一致，对于没有参数和没有返回值类型的函数应加上“void”说明。如果果需要缩短代码的长度，可以将程序中一些公共的程序段定义为函数。如果需要缩短程序的执行时间，在程序调试结束后，将部分函数用宏定义来代替。注意，应该在程序调试结束后再定义宏，因为大多数编译系统在宏展开之后才会报错，这样会增加排错的难度。

8、尽量少用全局变量，多用局部变量

因为全局变量是放在数据存储器中，定义一个全局变量，MCU 就少一个可以利用的数据存储器空间，如果定义了太多的全局变量，会导致编译器无足够的内存可以分配;而局部变量大多定位于MCU 内部的寄存器中，在绝大多数MCU 中，使用寄存器操作速度比数据存储器快，指令也更多更灵活，有利于生成质量更高的代码，而且局部变量所的占用的寄存器和数据存储器在不同的模块中可以重复利用。

9、设定合适的编译程序选项

许多编译程序有几种不同的优化选项，在使用前应理解各优化选项的含义，然后选用最合适的一种优化方式。通常情况下一旦选用最高级优化，编译程序会近乎病态地追求代码优化，可能会影响程序的正确性，导致程序运行出错。因此应熟悉所使用的编译器，应知道哪些参数在优化时会受到影响，哪些参数不会受到影响。

02

代码的优化

1、选择合适的算法和数据结构

应熟悉算法语言。将比较慢的顺序查找法用较快的二分查找法或乱序查找法代替，插入排序或冒泡排序法用快速排序、合并排序或根排序代替，这样可以大大提高程序执行的效率。

选择一种合适的数据结构也很重要，比如在一堆随机存放的数据中使用了大量的插入和删除指令，比使用链表要快得多。数组与指针具有十分密切的关系，一般来说指针比较灵活简洁，而数组则比较直观，容易理解。对于大部分分的编译器，使用指针比使用数组生成的代码更短，执行效率更高。

但是在Keil 中则相反，使用数组比使用的指针生成的代码更短。

2、使用尽量小的数据类型

能够使用字符型(char)定义的变量，就不要使用整型(int)变量来定义;能够使用整型变量定义的变量就不要用长整型(long int)，能不使用浮点型(float)变量就不要使用浮点型变量。当然，在定义变量后不要超过变量的作用范围，如果超过变量的范围赋值，C 编译器并不报错，但程序运行结果却错了，而且这样的错误很难发现。

3、使用自加、自减指令

通常使用自加、自减指令和复合赋值表达式(如a-=1 及a+=1 等)都能够生成高质量的程序代码，编译器通常都能够生成inc 和dec 之类的指令，而使用a=a+1 或a=a-1之类的指令，有很多C 编译器都会生成2~3个字节的指令。

4、减少运算的强度

可以使用运算量小但功能相同的表达式替换原来复杂的的表达式。

在单片机开发中优化代码是一个重要的环节，它可以帮助提高程序的运行效率，减少资源消耗，并提升整体性能。以下是一些优化代码的方法：

1. 代码精简：避免冗余代码，去除不必要的注释和未使用的变量，这样可以减少程序的体积，降低内存占用。

2. 算法优化：选择高效的算法和数据结构，减少不必要的计算和内存操作，尤其是在处理复杂逻辑时，优化算法可以显著提升性能。

3. 循环优化：在循环中避免使用复杂的计算和函数调用，尽量使用简单的操作，这样可以减少每次迭代的执行时间。

4. 中断服务程序优化：中断服务程序应该尽可能简短，避免在中断中执行耗时的操作，这样可以减少中断响应时间。

5. 位操作：在处理位级操作时，使用位操作符(如位与、位或、位异或等)可以比使用算术操作更快。

6. 使用宏定义：对于常量值和重复的代码块，使用宏定义可以减少代码量，并且提高代码的可读性。

7. 内存管理：合理分配内存，避免内存泄漏和不必要的内存分配，这样可以提高内存使用效率。

8. 条件编译：使用条件编译指令来排除调试代码或者在不同配置下选择不同的代码执行路径。

9. 代码重构：定期对代码进行重构，以提高代码的可维护性和可扩展性，同时去除代码中的坏味道。

10. 性能分析：使用性能分析工具来识别程序中的瓶颈，针对性地进行优化。

我们可以通过以下几个方面实现代码的简化和高效。

1、使用模块化结构：分解功能块

模块化编程让代码更清晰，并能提高代码的复用性。

例如，对于电子时钟程序，可以将代码分为显示模块、按键处理模块、计时模块、定时器中断服务程序等。

每个模块处理相对独立的任务，这样既能减少代码重复，也便于维护和调试。

计时模块：利用单片机的定时器，精确控制时钟的秒脉冲。

显示模块：用循环或查表法来实现不同的时间显示，这能减少不必要的分支跳转指令。

按键模块：按键去抖和按键事件处理可以用一个中断和简单的逻辑实现，而不是每个按键都独立编写逻辑。

2、指令优化与循环结构

在汇编中，循环和条件跳转往往会消耗更多指令周期，因此优化循环结构和减少分支跳转很关键。

例如：

查表法：可以用查表代替复杂的计算或条件判断，例如在秒数到分的进位处理时，通过预设查表减少计算操作。

延迟程序优化：如果需要用延迟实现定时，可以考虑定时器中断而非简单的循环延时。循环延时不仅增加代码量，运行效率也低。

3、利用宏指令和子程序

宏指令和子程序能够节省代码行数并提高复用性。

在汇编中，你可以把常用的指令集合定义成宏或子程序，如数码管的显示刷新代码，每次需要时直接调用即可，避免重复编写。

宏指令：编写重复代码块时，把它封装为宏指令，并用传参简化，比如显示数字(数码管号, 数值)。这样能让代码更简洁。

子程序调用：像时钟显示刷新这种逻辑，可以写成子程序调用。每次调用完后程序自动返回，避免重复书写。

4、巧用单片机的硬件资源

单片机自带一些硬件资源可以帮助简化代码、提升效率。

可以用硬件定时器实现秒脉冲的计数，这样省去大量延时循环。

比如按键去抖和计时逻辑，可以通过中断方式来完成，在中断服务程序中处理各个事件，而不需要在主程序里繁琐地处理。

例如某些单片机的寄存器可以直接进行简单运算，而不需要额外指令，提高执行效率。

5、精简指令和内存管理

尽量减少多余的指令，充分利用寄存器，避免频繁的数据搬移指令。

例如：

常量操作优化：对固定数值的操作，可以通过寄存器直接操作。比如固定加1操作可以用自增指令，而不是多步加法。

数据段和代码段优化：减少不必要的数据搬移，尽量将频繁用到的数据放在CPU易访问的内存区域。

6、调试与性能测试

因为汇编程序编写的核心就是“效率优先”，在程序写好后，调试和优化就尤为重要。

你可以用以下方法来测试和优化性能：

逐步测试：各个模块分别调试，确保它们的功能和性能，最后再把各个模块组合在一起。

耗时分析：分析程序在哪些地方消耗了较多指令，是否可以进一步优化。用硬件调试工具分析时钟频率和响应时间也非常有效。

代码的行数多并不一定意味着效率低。

关键在于写代码时避免冗余，灵活运用模块化设计和单片机资源。

最终程序既要高效运转，又不失结构清晰。