嵌入式C语言循环展开

1、分析：

        每次循环过程中，在循环体中都增加了两条指令，一条减法指令（1个机器周期），一条分支指令（3个机器周期），共4个机器周期，这是系统的开销。

2、改进：

        （1）重复循环体多次，减小开销比例。

          （2）循环体内代码增多，循环次数减少。

3、循环展开的例子：

int checksum_v9(int *data, unsigned int N)
{
    int sum = 0;
    do  
    {
            sum += *(data++);
            sum += *(data++);
            sum += *(data++);
            sum += *(data++);
            N-=4;        //假设需要累加的数据的个数是4的倍数
    } while (N!=0);        
    return sum;
}

上述程序的汇编代码为：

checksum_v9_s

        MOV r2,#0                ；sum = 0

checksum_v9_loop

       LDR r3,[r0] #4               ;r3 = *(data++)

       SUBS r1,r1,#4                ;N-=4 and set flags

        ADD r2,r3,r2                ;sum +=  r3
        
        LDR r3,[r0] #4               ;r3 = *(data++)
        
        ADD r2,r3,r2                ;sum +=  r3
        
        LDR r3,[r0] #4               ;r3 = *(data++)
        
        ADD r2,r3,r2                ;sum +=  r3
        
        LDR r3,[r0] #4               ;r3 = *(data++)
        
        ADD r2,r3,r2                ;sum +=  r3

        BNE checksum_v9_loop        ;if(N != 0) goto loop      

        MOV r0,#r2                ；r0 = sum
        
        MOV pc,r14                 ;return r0

4、讨论

 改进后：总的循环开销从4N个机器周期减小为N个机器周期（每次循环需要4个机器周期的循环开销，减小为原来的1/4）。如果循环体越小，此方法效果越明显，甚至可以提高效率近1倍。

        假设N=20，优化前执行83条语句，则优化后执行53条语句。

5、问题

（1）应该展开多少？

（2）展开次数不是4的倍数？

6、循环展开的思路

（1）循环展开的缺点

①代码量增加，占用更多的内存

②Cache空间占用问题

（2）所以需要具体问题具体分析，找到平衡点

7、举例：
        例如：程序中循环体执行需要128个机器周期，循环开销一般是4个机器周期，
        占3%，如果循环体占总程序的30%，那么循环开销占总程序的约1%，此时展开
        循环，性能提高很有限。
        循环的展开，有可能破坏cache中的内容，导致抖动，使程序性能急剧下降。

8、假设需要累加的数据的个数不是4的整数倍

    
        int checksum_v10(int *data, unsigned int N)
{
    unsigned int i;
    int sum = 0;
    for(i = N/4; i != 0; i --)  
    {
            sum += *(data++);
            sum += *(data++);
            sum += *(data++);
            sum += *(data++);
    };   

    for(i = N&3; i != 0; i--)
    {
        sum += *(data++);    //假设需要累加的数据的个数不是4的倍数
    }     
    return sum;
}

9、结论

（1）循环计数值要用递减方式，计数器采用无符号数时，终止条件用(i!=0)，不要用(i >= 0)

(2)如果确定循环次数大于1，则使用do{}while循环结构

（3）对于小循环体，可以进行循环展开，减小系统开销

（4）尽量使数组的大小为展开系数N的倍数