NiosII处理器软件代码优化方法

   引言

   Altera公司的NiosII软核处理器具有完全可定制特性、高性能、较低的产品和实施成本、易用性、适应性以及不会过时等优势。使用NiosII处理器，将不会局限于预先制造的处理器技术，而是根据用户的标准定制处理器，按照需要选择合适的外设、存储器和接口。此外，还可以轻松集成用户专有的功能，使设计具有独特的竞争优势。
 　NiosII处理器的软件开发是建立在ANSI C基础上的。NiosII IDE是NiosII系列嵌入式处理器的主要软件开发工具。用户可以在NiosII IDE中完成所有的软件开发任务，如编辑、编译、下载、调试和闪存编程。NiosII嵌入式系统的一个重要问题就是软件代码量的大小，这关系到存放代码的存储器件容量大小，因此控制和减小程序代码量是降低系统成本的重要方法，必须首先从处理器的启动顺序开始研究。

   1 NiosII处理器启动顺序和程序入口地址

   NiosII处理器的启动可采用两种方式： 自动初始化和用户自定义初始化。ANSI C标准定义应用程序可以通过调用main()来开始执行。在调用main()之前，应用程序假定运行环境和所有的服务系统都被初始化并准备运行。初始化可以被硬件抽象层（HAL）系统库自动执行。程序员不需要考虑系统的输出设备以及如何初始化每一个外设，HAL会自动初始化整个系统。

   另外，ANSI C标准也提供了一个可变的入口点程序，以避免自动初始化。ANSI C标准还定义程序员能手动初始化任何所用的硬件。alt_main()函数提供了一个独立式的编程环境，能够完全控制系统的初始化。独立式编程环境可以使程序员手动编写初始化系统的代码。
HAL提供的系统初始化代码按以下启动顺序运行：

   ① 启动指令和数据高速缓冲存储器；
   ② 配置堆栈；
   ③ 配置全局指针；
   ④ 通过链接器提供的_bss_start和_bss_end来零初始化BSS层，_bss_start和_bss_end 是开始和结束BSS的命令；
   ⑤ 如果当前系统没有启动下载器，就复制.rwdata、.rodata，或者剩下的部分到RAM；
   ⑥ 调用alt_main()。

   如果不调用alt_main()函数，则系统默认运行步骤如下：

   ① 调用ALT_OS_INIT()来执行任何操作系统所特有的初始化。如果HAL是在操作系统里运行的，那么初始化alt_fd_list_lock命令。它可以控制访问HAL文件系统，初始化中断控制器并执行中断。
   ② 调用alt_sys_init()函数，以初始化系统里所有的驱动装置和软件组成部分。
   ③ 重新设置C标准I/O通道（stdin，stdout，stderr）,以使用合适的器件。
   ④ 调用main()。
   ⑤ 调用exit()。main()的返回代码作为exit()的输入。

　　在NiosII IDE工程中，只需简单定义alt_main()就可以实现用户的启动顺序，而且能够选择HAL的服务程序。如果应用程序需要一个alt_main()入口点程序，可以复制默认的执行作为开始点，根据要求来定制它。

   alt_main()这个函数是不能返回的,其原型是： void alt_main()。

   使用独立式编程环境会增加NiosII程序编写的复杂性。独立式编程环境的主要作用在于减小代码量，但要使用这种方法，需要对NiosII处理器的外设和驱动编写都非常熟悉才行。在NiosII IDE中也可以通过某些选项来减小HAL系统库容量，从而达到减小代码量的目的，比使用独立式编程环境容易得多。

   2 减小代码量的方法

   2.1  打开编译器优化选项

   在nios2-elf-gcc编译器中使用“-O3”选项，代码可以被最大限度地优化，包括代码的大小和执行速度。需要注意的是，编译器优化可能会带来一些意想不到的结果。另外,必须在用户工程和系统库中都使用-O3选项,如图1所示。

图1  使用-O3选项

   2.2  使用小封装的驱动库

   HAL为处理器的外设提供了两种驱动库： 一种是执行速度快，但代码量大的版本；另一种是小封装版本。默认情况下，HAL系统使用是代码量大的版本。可以选择Reduced device drivers选项来选择小封装版本，从而减小代码量，如图2所示。

图2  选择小封装版本

   2.3  使用新的C语言库

   完整的ANSI C标准库通常不适用于嵌入式系统，HAL提供了一系列经过裁减的新的ANSI C标准库，占用非常小的代码量。可以选择Small C library选项来选择新的ANSI C标准库，如图3所示。

图3  选择新的ANSI C标准库

   2.4  去掉不使用的驱动库

   当NiosII系统中有外设时，NiosII IDE认为这些设备需要驱动，因此在HAL系统中加入了相应的驱动库。如果在用户的程序中并不需要使用到这些外设，也可以在初始化时不加载这些驱动库。

   当用户的程序并没有使用到NiosII系统中某些设备（如SPI通信接口）时，应在系统中将这些设备完全移除。这样，既可以减小软件代码量，又可以减少占用的FPGA资源。最常见的一个例子就是系统中的Flash存储芯片。在用户程序中通常不会对Flash芯片进行写操作，因此不需要加载Flash驱动库，可以在工程属性的preprocessor选项中加入“DALT_NO_CFI_FLASH”，使得HAL系统不将Flash芯片驱动加入系统库中。

   2.5  使用_exit()函数

   在默认情况下，HAL系统会调用exit()函数作为用户程序的结束。exit()函数主要完成两部分工作： 清除所有C语言库中的I/O缓存；调用在atexit()函数中的所有函数。实际上，相当于main()函数中return语句在执行之前必须要完成的工作。

   而在嵌入式系统中用户程序是不会退出main()函数的，所以exit()这段代码是多余的，可以去掉。在用户程序中可以用_exit()来代替exit()，_exit()程序不执行任何操作且无需对用户程序做改动，只需在工程属性的preprocessor选项中加入“Dexit=_exit”。

   3  总结

   　通过上述方法，对一个简单的helloworld程序进行代码量优化。程序如下：

   #include<stdio.h>
　　int main() {
　　　　printf("Hello from NiosII!\n");
　　　　return 0;
　　}
   在未进行任何优化之前，编译完成后代码量为68 KB；在经过上述优化方法编译之后，代码量变为7 044字节。由此可见，上述优化方法十分有效，代码量减小为原来的1/10，在NiosII嵌入式系统中有重要的实用价值。

  参考文献

   [1] 任爱锋. 基于FPGA的嵌入式系统设计[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,2005：2633.
   [2] Altera. NiosII Processor Reference Handbook [EB/OL]. http://www.altera.com, 200605.
   [3] Altera. NiosII Software Developers Handbook [EB/OL]. http://www.altera.com, 200605.
   [4] 褚振勇. FPGA设计及应用[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,2002:1316.

    徐洋(讲师)，主要研究方向为嵌入式系统开发以及汽车电子。

本文来源：互联网     作者：重庆邮电大学 徐洋 向敏

隐藏原文↑