将未使用的元素添加到C/C++结构中，可以加快和减缓代码执行速度
将未使用的元素添加到C/C++结构中，可以加快和减缓代码执行速度
提问于 2015-05-04 19:14:34
我编写了以下结构，以便在我正在制作的Arduino软件PWM库中使用，可以同时PWM多达20个引脚(在Uno上)或同时使用70个引脚(在Mega上)。
正如所写的，代码的ISR部分(eRCaGuy_SoftwarePWMupdate())处理这个结构的数组，使用133 As来运行。然而，非常奇怪的是，如果我取消注释行“flags1;”(在结构中)，尽管flags1还没有在任何地方使用，那么ISR现在需要运行158 is 。然后，如果我取消注释“flags2;”，使的两个标志现在都取消注释，运行时将降回(133 was )之前的位置。
为什么会发生这种事？我该怎么解决呢？(我想确保持续快速的代码，对于这个特定的功能，而不是那些变幻莫测的代码)。添加一个字节会显着地降低代码的速度，而添加两个字节则不会有任何改变。
我正在尝试优化代码(我还需要添加另一个特性，需要一个字节作为标志)，但我不明白为什么添加一个未使用的字节会使代码降低25 at，但是添加两个未使用的字节根本不会改变运行时。
我需要理解这一点，以确保我的优化始终有效。
中的.h文件(我的原始结构，使用C风格的typedef‘’ed结构)：
typedef struct softPWMpin //global struct
{
//VOLATILE VARIBLES (WILL BE ACCESSED IN AND OUTSIDE OF ISRs)
//for pin write access:
volatile byte pinBitMask;
volatile byte* volatile p_PORT_out; //pointer to port output register; NB: the 1st "volatile" says the port itself (1 byte) is volatile, the 2nd "volatile" says the *pointer* itself (2 bytes, pointing to the port) is volatile.
//for PWM output:
volatile unsigned long resolution;
volatile unsigned long PWMvalue; //Note: duty cycle = PWMvalue/(resolution - 1) = PWMvalue/topValue;
//ex: if resolution is 256, topValue is 255
//if PWMvalue = 255, duty_cycle = PWMvalue/topValue = 255/255 = 1 = 100%
//if PWMvalue = 50, duty_cycle = PWMvalue/topValue = 50/255 = 0.196 = 19.6%
//byte flags1;
//byte flags2;
//NON-VOLATILE VARIABLES (WILL ONLY BE ACCESSED INSIDE AN ISR, OR OUTSIDE AN ISR, BUT NOT BOTH)
unsigned long counter; //incremented each time update() is called; goes back to zero after reaching topValue; does NOT need to be volatile, since only the update function updates this (it is read-to or written from nowhere else)
} softPWMpin_t; 在.h文件中(新的，使用C++样式的struct....to，查看它是否对注释有任何影响。它似乎在任何方面都没有什么区别，包括运行时和编译大小)。
struct softPWMpin //global struct
{
//VOLATILE VARIBLES (WILL BE ACCESSED IN AND OUTSIDE OF ISRs)
//for pin write access:
volatile byte pinBitMask;
volatile byte* volatile p_PORT_out; //pointer to port output register; NB: the 1st "volatile" says the port itself (1 byte) is volatile, the 2nd "volatile" says the *pointer* itself (2 bytes, pointing to the port) is volatile.
//for PWM output:
volatile unsigned long resolution;
volatile unsigned long PWMvalue; //Note: duty cycle = PWMvalue/(resolution - 1) = PWMvalue/topValue;
//ex: if resolution is 256, topValue is 255
//if PWMvalue = 255, duty_cycle = PWMvalue/topValue = 255/255 = 1 = 100%
//if PWMvalue = 50, duty_cycle = PWMvalue/topValue = 50/255 = 0.196 = 19.6%
//byte flags1;
//byte flags2;
//NON-VOLATILE VARIABLES (WILL ONLY BE ACCESSED INSIDE AN ISR, OR OUTSIDE AN ISR, BUT NOT BOTH)
unsigned long counter; //incremented each time update() is called; goes back to zero after reaching topValue; does NOT need to be volatile, since only the update function updates this (it is read-to or written from nowhere else)
}; 文件中的.cpp (这里我正在创建结构数组，下面是通过定时器中断以固定速率调用的更新函数)：
//static softPWMpin_t PWMpins[MAX_NUMBER_SOFTWARE_PWM_PINS]; //C-style, old, MAX_NUMBER_SOFTWARE_PWM_PINS = 20; static to give it file scope only
static softPWMpin PWMpins[MAX_NUMBER_SOFTWARE_PWM_PINS]; //C++-style, old, MAX_NUMBER_SOFTWARE_PWM_PINS = 20; static to give it file scope only
//This function must be placed within an ISR, to be called at a fixed interval
void eRCaGuy_SoftwarePWMupdate()
{
//Forced nonatomic block (ie: interrupts *enabled*)
byte SREG_old = SREG; //[1 clock cycle]
interrupts(); //[1 clock cycle] turn interrupts ON to allow *nested interrupts* (ex: handling of time-sensitive timing, such as reading incoming PWM signals or counting Timer2 overflows)
{
//first, increment all counters of attached pins (ie: where the value != PIN_NOT_ATTACHED)
//pinMapArray
for (byte pin=0; pin<NUM_DIGITAL_PINS; pin++)
{
byte i = pinMapArray[pin]; //[2 clock cycles: 0.125us]; No need to turn off interrupts to read this volatile variable here since reading pinMapArray[pin] is an atomic operation (since it's a single byte)
if (i != PIN_NOT_ATTACHED) //if the pin IS attached, increment counter and decide what to do with pin...
{
//Read volatile variables ONE time, all at once, to optimize code (volatile variables take more time to read [I know] since their values can't be recalled from registers [I believe]).
noInterrupts(); //[1 clock cycle] turn off interrupts to read non-atomic volatile variables that could be updated simultaneously right now in another ISR, since nested interrupts are enabled here
unsigned long resolution = PWMpins[i].resolution;
unsigned long PWMvalue = PWMpins[i].PWMvalue;
volatile byte* p_PORT_out = PWMpins[i].p_PORT_out; //[0.44us raw: 5 clock cycles, 0.3125us]
interrupts(); //[1 clock cycle]
//handle edge cases FIRST (PWMvalue==0 and PMWvalue==topValue), since if an edge case exists we should NOT do the main case handling below
if (PWMvalue==0) //the PWM command is 0% duty cycle
{
fastDigitalWrite(p_PORT_out,PWMpins[i].pinBitMask,LOW); //write LOW [1.19us raw: 17 clock cycles, 1.0625us]
}
else if (PWMvalue==resolution-1) //the PWM command is 100% duty cycle
{
fastDigitalWrite(p_PORT_out,PWMpins[i].pinBitMask,HIGH); //write HIGH [0.88us raw; 12 clock cycles, 0.75us]
}
//THEN handle main cases (PWMvalue is > 0 and < topValue)
else //(0% < PWM command < 100%)
{
PWMpins[i].counter++; //not volatile
if (PWMpins[i].counter >= resolution)
{
PWMpins[i].counter = 0; //reset
fastDigitalWrite(p_PORT_out,PWMpins[i].pinBitMask,HIGH);
}
else if (PWMpins[i].counter>=PWMvalue)
{
fastDigitalWrite(p_PORT_out,PWMpins[i].pinBitMask,LOW); //write LOW [1.18us raw: 17 clock cycles, 1.0625us]
}
}
}
}
}
SREG = SREG_old; //restore interrupt enable status
}更新(2015年4月5日，晚上8时58分)：
我尝试通过对齐属性更改对齐方式。我的编译器是gcc。
下面是我如何修改.h文件中的结构以添加属性(它位于最后一行)。注意:我还将结构成员的顺序更改为最大到最小的。
struct softPWMpin //C++ style
{
volatile unsigned long resolution;
volatile unsigned long PWMvalue; //Note: duty cycle = PWMvalue/(resolution - 1) = PWMvalue/topValue;
//ex: if resolution is 256, topValue is 255
//if PWMvalue = 255, duty_cycle = PWMvalue/topValue = 255/255 = 1 = 100%
//if PWMvalue = 50, duty_cycle = PWMvalue/topValue = 50/255 = 0.196 = 19.6%
unsigned long counter; //incremented each time update() is called; goes back to zero after reaching topValue; does NOT need to be volatile, since only the update function updates this (it is read-to or written from nowhere else)
volatile byte* volatile p_PORT_out; //pointer to port output register; NB: the 1st "volatile" says the port itself (1 byte) is volatile, the 2nd "volatile" says the *pointer* itself (2 bytes, pointing to the port) is volatile.
volatile byte pinBitMask;
// byte flags1;
// byte flags2;
} __attribute__ ((aligned));来源：https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-3.1/gcc/Type-Attributes.html
以下是我到目前为止尝试过的结果：
__attribute__ ((aligned));
__attribute__ ((aligned(1)));
__attribute__ ((aligned(2)));
__attribute__ ((aligned(4)));
__attribute__ ((aligned(8))); 当我添加一个标志字节时，它们似乎都没有解决我看到的问题。当保留注释掉的标志字节时，2-8个字节使运行时间超过133 is，而对齐1没有区别(运行时保持133 is )，这意味着没有添加属性就已经发生了什么。此外，即使我使用了2、4、8的对齐选项，PWMvalue函数仍然返回结构中的确切字节数，没有额外的填充。
...still不知道发生了什么..。
最新消息，晚上11:02pm：
(见下面的注释)优化级别肯定会产生影响。例如，当我将编译器优化级别从-Os改为-O2时，基本情况保持在133 vs(和以前一样)，取消注释的flags1给了我120 vs (vs 158 Vs)，取消注释的flags1和flags2同时给了我132 vs (vs 133 Vs)。这仍然没有回答我的问题，但我至少已经了解到，优化级别是存在的，以及如何改变它们。
上段摘要：
Processing time of (of eRCaGuy_SoftwarePWMupdate() function)
Optimization No flags w/flags1 w/flags1+flags2
Os 133us 158us 133us
O2 132us 120us 132us
Memory Use (bytes: flash/global vars SRAM/sizeof(softPWMpin)/sizeof(PWMpins))
Optimization No flags w/flags1 w/flags1+flags2
Os 4020/591/15/300 3950/611/16/320 4020/631/17/340
O2 4154/591/15/300 4064/611/16/320 4154/631/17/340更新(2015年5月5日下午4:05分)：
- 刚刚用更详细的信息更新了上面的表格。
- 增加了以下资源。
资源：
gcc编译器优化级别的源：
- https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Optimize-Options.html
- ugn/Optimization-Levels.html
- http://www.rapidtables.com/code/linux/gcc/gcc-o.htm
如何在Arduino IDE中更改编译器设置：
- http://www.instructables.com/id/Arduino-IDE-16x-compiler-optimisations-faster-code/
关于结构包装的信息：
- http://www.catb.org/esr/structure-packing/
数据对齐：
- http://www.songho.ca/misc/alignment/dataalign.html
为8位Atmel AVR单片机编写高效C代码
- AVR - doc1497 - http://www.atmel.com/images/doc1497.pdf的高效C编码
- 为8位AVR微控制器优化C代码的AVR4027提示和技巧- doc8453 - http://www.atmel.com/images/doc8453.pdf
更多的信息可能会帮助你解决我的问题：
表示无标志(flags1和flags2注释掉)，Os优化
构建首选项(来自buildprefs.txt文件，其中Arduino发出编译的代码)：
对我来说："C:\Users\Gabriel\AppData\Local\Temp\build8427371380606368699.tmp“
build.arch = AVR
build.board = AVR_UNO
build.core = arduino
build.core.path = C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\arduino\avr\cores\arduino
build.extra_flags =
build.f_cpu = 16000000L
build.mcu = atmega328p
build.path = C:\Users\Gabriel\AppData\Local\Temp\build8427371380606368699.tmp
build.project_name = software_PWM_fade13_speed_test2.cpp
build.system.path = C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\arduino\avr\system
build.usb_flags = -DUSB_VID={build.vid} -DUSB_PID={build.pid} '-DUSB_MANUFACTURER={build.usb_manufacturer}' '-DUSB_PRODUCT={build.usb_product}'
build.usb_manufacturer =
build.variant = standard
build.variant.path = C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\arduino\avr\variants\standard
build.verbose = true
build.warn_data_percentage = 75
compiler.S.extra_flags =
compiler.S.flags = -c -g -x assembler-with-cpp
compiler.ar.cmd = avr-ar
compiler.ar.extra_flags =
compiler.ar.flags = rcs
compiler.c.cmd = avr-gcc
compiler.c.elf.cmd = avr-gcc
compiler.c.elf.extra_flags =
compiler.c.elf.flags = -w -Os -Wl,--gc-sections
compiler.c.extra_flags =
compiler.c.flags = -c -g -Os -w -ffunction-sections -fdata-sections -MMD
compiler.cpp.cmd = avr-g++
compiler.cpp.extra_flags =
compiler.cpp.flags = -c -g -Os -w -fno-exceptions -ffunction-sections -fdata-sections -fno-threadsafe-statics -MMD
compiler.elf2hex.cmd = avr-objcopy
compiler.elf2hex.extra_flags =
compiler.elf2hex.flags = -O ihex -R .eeprom
compiler.ldflags =
compiler.objcopy.cmd = avr-objcopy
compiler.objcopy.eep.extra_flags =
compiler.objcopy.eep.flags = -O ihex -j .eeprom --set-section-flags=.eeprom=alloc,load --no-change-warnings --change-section-lma .eeprom=0
compiler.path = {runtime.ide.path}/hardware/tools/avr/bin/
compiler.size.cmd = avr-size一些大会：(操作系统，没有旗帜)：
00000328 <_Z25eRCaGuy_SoftwarePWMupdatev>:
328: 8f 92 push r8
32a: 9f 92 push r9
32c: af 92 push r10
32e: bf 92 push r11
330: cf 92 push r12
332: df 92 push r13
334: ef 92 push r14
336: ff 92 push r15
338: 0f 93 push r16
33a: 1f 93 push r17
33c: cf 93 push r28
33e: df 93 push r29
340: 0f b7 in r16, 0x3f ; 63
342: 78 94 sei
344: 20 e0 ldi r18, 0x00 ; 0
346: 30 e0 ldi r19, 0x00 ; 0
348: 1f e0 ldi r17, 0x0F ; 15
34a: f9 01 movw r30, r18
34c: e8 5a subi r30, 0xA8 ; 168
34e: fe 4f sbci r31, 0xFE ; 254
350: 80 81 ld r24, Z
352: 8f 3f cpi r24, 0xFF ; 255
354: 09 f4 brne .+2 ; 0x358 <_Z25eRCaGuy_SoftwarePWMupdatev+0x30>
356: 67 c0 rjmp .+206 ; 0x426 <_Z25eRCaGuy_SoftwarePWMupdatev+0xfe>
358: f8 94 cli
35a: 90 e0 ldi r25, 0x00 ; 0
35c: 18 9f mul r17, r24
35e: f0 01 movw r30, r0
360: 19 9f mul r17, r25
362: f0 0d add r31, r0
364: 11 24 eor r1, r1
366: e4 59 subi r30, 0x94 ; 148
368: fe 4f sbci r31, 0xFE ; 254
36a: c0 80 ld r12, Z
36c: d1 80 ldd r13, Z+1 ; 0x01
36e: e2 80 ldd r14, Z+2 ; 0x02
370: f3 80 ldd r15, Z+3 ; 0x03
372: 44 81 ldd r20, Z+4 ; 0x04
374: 55 81 ldd r21, Z+5 ; 0x05
376: 66 81 ldd r22, Z+6 ; 0x06
378: 77 81 ldd r23, Z+7 ; 0x07
37a: 04 84 ldd r0, Z+12 ; 0x0c
37c: f5 85 ldd r31, Z+13 ; 0x0d
37e: e0 2d mov r30, r0
380: 78 94 sei
382: 41 15 cp r20, r1
384: 51 05 cpc r21, r1
386: 61 05 cpc r22, r1
388: 71 05 cpc r23, r1
38a: 51 f4 brne .+20 ; 0x3a0 <_Z25eRCaGuy_SoftwarePWMupdatev+0x78>
38c: 18 9f mul r17, r24
38e: d0 01 movw r26, r0
390: 19 9f mul r17, r25
392: b0 0d add r27, r0
394: 11 24 eor r1, r1
396: a4 59 subi r26, 0x94 ; 148
398: be 4f sbci r27, 0xFE ; 254
39a: 1e 96 adiw r26, 0x0e ; 14
39c: 4c 91 ld r20, X
39e: 3b c0 rjmp .+118 ; 0x416 <_Z25eRCaGuy_SoftwarePWMupdatev+0xee>
3a0: 46 01 movw r8, r12
3a2: 57 01 movw r10, r14
3a4: a1 e0 ldi r26, 0x01 ; 1
3a6: 8a 1a sub r8, r26
3a8: 91 08 sbc r9, r1
3aa: a1 08 sbc r10, r1
3ac: b1 08 sbc r11, r1
3ae: 48 15 cp r20, r8
3b0: 59 05 cpc r21, r9
3b2: 6a 05 cpc r22, r10
3b4: 7b 05 cpc r23, r11
3b6: 51 f4 brne .+20 ; 0x3cc <_Z25eRCaGuy_SoftwarePWMupdatev+0xa4>
3b8: 18 9f mul r17, r24
3ba: d0 01 movw r26, r0
3bc: 19 9f mul r17, r25
3be: b0 0d add r27, r0
3c0: 11 24 eor r1, r1
3c2: a4 59 subi r26, 0x94 ; 148
3c4: be 4f sbci r27, 0xFE ; 254
3c6: 1e 96 adiw r26, 0x0e ; 14
3c8: 9c 91 ld r25, X
3ca: 1c c0 rjmp .+56 ; 0x404 <_Z25eRCaGuy_SoftwarePWMupdatev+0xdc>
3cc: 18 9f mul r17, r24
3ce: e0 01 movw r28, r0
3d0: 19 9f mul r17, r25
3d2: d0 0d add r29, r0
3d4: 11 24 eor r1, r1
3d6: c4 59 subi r28, 0x94 ; 148
3d8: de 4f sbci r29, 0xFE ; 254
3da: 88 85 ldd r24, Y+8 ; 0x08
3dc: 99 85 ldd r25, Y+9 ; 0x09
3de: aa 85 ldd r26, Y+10 ; 0x0a
3e0: bb 85 ldd r27, Y+11 ; 0x0b
3e2: 01 96 adiw r24, 0x01 ; 1
3e4: a1 1d adc r26, r1
3e6: b1 1d adc r27, r1
3e8: 88 87 std Y+8, r24 ; 0x08
3ea: 99 87 std Y+9, r25 ; 0x09
3ec: aa 87 std Y+10, r26 ; 0x0a
3ee: bb 87 std Y+11, r27 ; 0x0b
3f0: 8c 15 cp r24, r12
3f2: 9d 05 cpc r25, r13
3f4: ae 05 cpc r26, r14
3f6: bf 05 cpc r27, r15
3f8: 40 f0 brcs .+16 ; 0x40a <_Z25eRCaGuy_SoftwarePWMupdatev+0xe2>
3fa: 18 86 std Y+8, r1 ; 0x08
3fc: 19 86 std Y+9, r1 ; 0x09
3fe: 1a 86 std Y+10, r1 ; 0x0a
400: 1b 86 std Y+11, r1 ; 0x0b
402: 9e 85 ldd r25, Y+14 ; 0x0e
404: 80 81 ld r24, Z
406: 89 2b or r24, r25
408: 0d c0 rjmp .+26 ; 0x424 <_Z25eRCaGuy_SoftwarePWMupdatev+0xfc>
40a: 84 17 cp r24, r20
40c: 95 07 cpc r25, r21
40e: a6 07 cpc r26, r22
410: b7 07 cpc r27, r23
412: 48 f0 brcs .+18 ; 0x426 <_Z25eRCaGuy_SoftwarePWMupdatev+0xfe>
414: 4e 85 ldd r20, Y+14 ; 0x0e
416: 80 81 ld r24, Z
418: 90 e0 ldi r25, 0x00 ; 0
41a: 50 e0 ldi r21, 0x00 ; 0
41c: 40 95 com r20
41e: 50 95 com r21
420: 84 23 and r24, r20
422: 95 23 and r25, r21
424: 80 83 st Z, r24
426: 2f 5f subi r18, 0xFF ; 255
428: 3f 4f sbci r19, 0xFF ; 255
42a: 24 31 cpi r18, 0x14 ; 20
42c: 31 05 cpc r19, r1
42e: 09 f0 breq .+2 ; 0x432 <_Z25eRCaGuy_SoftwarePWMupdatev+0x10a>
430: 8c cf rjmp .-232 ; 0x34a <_Z25eRCaGuy_SoftwarePWMupdatev+0x22>
432: 0f bf out 0x3f, r16 ; 63
434: df 91 pop r29
436: cf 91 pop r28
438: 1f 91 pop r17
43a: 0f 91 pop r16
43c: ff 90 pop r15
43e: ef 90 pop r14
440: df 90 pop r13
442: cf 90 pop r12
444: bf 90 pop r11
446: af 90 pop r10
448: 9f 90 pop r9
44a: 8f 90 pop r8
44c: 08 95 ret回答 1
Stack Overflow用户
发布于 2015-05-05 04:51:54
这几乎可以肯定是一个调整问题。从您的结构大小判断，您的编译器似乎是自动打包它。
LDR指令将一个4字节值加载到寄存器中，并在4字节边界上操作.如果它需要加载一个不在4字节边界上的内存地址，它实际上执行两个加载并组合它们以获得该地址的值。
例如，如果您想在0x02加载4字节值，处理器将执行两次加载，因为0x02不会落在4字节边界上。
假设在address 0x00上有以下内存，我们希望将0x02上的4字节值加载到寄存器r0中。
Address |0x00|0x01|0x02|0x03|0x04|0x05|0x06|0x07|0x08|
Value | 12 | 34 | 56 | 78 | 90 | AB | CD | EF | 12 |
------------------------------------------------------
r0: 00 00 00 00它将首先在0x00加载4字节，因为这是包含0x02的4字节段，并将2字节存储在0x02和0x03的寄存器中：
Address |0x00|0x01|0x02|0x03|0x04|0x05|0x06|0x07|
Value | 12 | 34 | 56 | 78 | 90 | AB | CD | EF |
Load 1 | ** ** |
------------------------------------------------------
r0: 56 78 00 00然后，它将在0x04 (即下一个4字节段)加载这4个字节，并将这2个字节存储在0x04和0x05中。
Address |0x00|0x01|0x02|0x03|0x04|0x05|0x06|0x07|
Value | 12 | 34 | 56 | 78 | 90 | AB | CD | EF |
Load 2 | ** ** |
------------------------------------------------------
r0: 56 78 90 AB如您所见，每次您想在0x02上访问该值时，处理器实际上必须将您的指令分成两个操作。但是，如果您想访问0x04上的值，处理器可以在一个操作中完成：
Address |0x00|0x01|0x02|0x03|0x04|0x05|0x06|0x07|
Value | 12 | 34 | 56 | 78 | 90 | AB | CD | EF |
Load 1 | ** ** ** ** |
------------------------------------------------------
r0: 90 AB CD EF在您的示例中，flags1和flags2都注释掉了，您的结构的大小为15。这意味着数组中的每秒钟的结构都将位于奇数地址，因此它的指针或长成员都不会正确对齐。
通过引入一个flags变量，您的结构的大小将增加到16，这是4的倍数。这确保了所有的结构都从一个4字节的边界开始，因此很可能不会遇到对齐问题。
可能有一个编译器标记可以帮助您处理这个问题，但是一般来说，了解结构的布局是很好的。对齐是一个棘手的问题，只有符合当前标准的编译器才有定义良好的行为。
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原文链接：
https://stackoverflow.com/questions/30038172
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