寄存器按位优化 - 让大叔的红杏再出一次墙(最新版在31楼)

发表于 2011-4-30 01:39

本帖最后由 hotpower 于 2011-6-25 00:01 编辑

更新1：4楼的头文件更新，新增对IAR的支持。
更新2：19楼新的写法，更简洁。
更新3：22楼仿Lee老师的c++连续复制写法，简易且不容易出错。
         UART0s.UA_FSR()
               .BIF(1)
               .FEF(1)
               .PEF(1);
更新4：24楼发布新版，
         支持在gcc底下使用，在gcc编译器下也达到了很好的优化效果。
         重新整理了代码，让发布的头文件更具有可读性。
更新5：31楼发布新版。
         寄存器定义，在gcc下用变量代替宏定义。这样调试时有可能感应出变量的值（又是向Lee老师学的，哈哈。。）。
      05/14做小更新，减少了一些重复定义。因为无法解决重复链接的问题，Keil下变量还是用宏代替，调试时无法感应变量的值。

===========================================

一、要做什么（背景介绍）
首先定义两个类型
typedef unsigned int          _reg32_t;
typedef volatile unsigned int  reg32_t;

菜农老师的红杏这么写的：
1. 定义每个寄存器中的每位

复制

  typedef struct {

    ...

    reg32_t PEF             : 1;

    reg32_t FEF             : 1;

    reg32_t BIF             : 1;

    ...

  } uart0_ua_fsr_bits_t;

2. 用union定义寄存器

复制

  typedef union {

    uart0_ua_fsr_bits_t       b;

    reg32_t                   v;

  } uart0_ua_fsr_t;

3. 将寄存器分组

复制

 

typedef struct {

  ...

  /*0x40050010*/ uart0_ua_mcr_t                 UA_MCR;

  /*0x40050014*/ uart0_ua_msr_t                 UA_MSR;

  /*0x40050018*/ uart0_ua_fsr_t                 UA_FSR;

  ...

} uart0_t;

#define UART0s      (*(uart0_t *)0x40050000)

(以上跟菜农老师的代码略有不同，意思应该没有表达错。)
于是要访问fsr寄存器，可以按位访问（写法一）

复制

      UART0s.UA_FSR.b.BIF = 1;

      UART0s.UA_FSR.b.FEF = 1;

      UART0s.UA_FSR.b.PEF = 1;

也可以按完整32位值访问（写法二）

复制

      unsigned int v = UART0s.UA_FSR.v;

      v |= 0x00000070;

      UART0s.UA_FSR.v = v;

两个代码效果是一样的，但是效率却完全不一样，
在Keil O2优化下，写法一花费了13条指令，写法二只花费了5条。

第二个虽然很优化，写起来却不那么痛快，
需要仔细对比每个bit所在的位置。

那么有没办法，做到如写法一，又有写法二的效率呢。
答案是肯定的，我们来玩魔术，让大叔的红杏再出一次墙。

登录 · 发表于 2011-4-30 02:17

本帖最后由 hotpower 于 2011-5-4 21:09 编辑

三、友情提醒
1. 用到下划线_表示的bit位，最后要触发实际写动作，需要加一个 REG_COMMIT 操作。
2. 如果实在看 REG_COMMIT 不爽，也可以在最后一个操作用 “不优化的位定义”，
同样能达到目标，但指令数会稍多一点。

复制

      UART0s.UA_FSR._.BIF = 1;

      UART0s.UA_FSR._.FEF = 1;

      UART0s.UA_FSR.b.PEF = 1;

3. 不用编译器优化，可能达不到预期目标。
4. 有些寄存器的位读写次序有讲究的，请留意优化陷阱
5. 头文件不必那么累手工生成，附上javascript自动工具一枚，
酒鬼最喜欢的语言还是js啊，
点击《Export as optimized header》，即可生成本文格式的NUC100头文件。

用文中所描述格式创建的NUC100和M051的两个头文件。

发表于 2011-4-30 02:30

X-Hawk高明，我也来凑个热闹：

复制

inline void uart_t::SetBaudRate(uint32_t baudrate, uint32_t clock)

{

    if (__builtin_constant_p(baudrate) && __builtin_constant_p(clock)) {

        __typeof__(BAUD) data = { 0 };

        uint32_t div;

        if ((clock / baudrate) % 16 < 2) {      // Source Clock mod 16 < 2 => Using Divider X =16 (MODE#0)

            div = 15;

        } else {                                // Source Clock mod 16 >2 => Up 5% Error BaudRate

            data.DIV_X_EN = 1;                  // Try to Set Divider X = 1 (MODE#2)

            data.DIV_X_ONE = 1;

            div = 0;

            if (clock / baudrate - 2 > 0xffff) {// If Divider > Range

                data.DIV_X_ONE = 0;             // Try to Set Divider X up 10 (MODE#1)

                div = 8;

                if ((clock / baudrate) % (div + 1) >= 3) {

                    div++;

                    if ((clock / baudrate) % (div + 1) >= 3) {

                        div++;

                        if ((clock / baudrate) % (div + 1) >= 3) {

                            div++;

                            if ((clock / baudrate) % (div + 1) >= 3) {

                                div++;

                                if ((clock / baudrate) % (div + 1) >= 3) {

                                    div++;

                                    if ((clock / baudrate) % (div + 1) >= 3) {

                                        div++;

                                        if ((clock / baudrate) % (div + 1) >= 3)

                                            div++;

                                    }

                                }

                            }

                        }

                    }

                }

                data.DIVIDER_X = div;

            }

        }

        data.BRD = clock / baudrate / (div + 1) - 2;

        BAUD = data;

    } else

        .... // 调用DrvUART的波特率初始化

}

登录 · 发表于 2011-5-1 23:50

本帖最后由 hotpower 于 2011-5-4 21:09 编辑

实际酒鬼很早就提到此问题了。
酒鬼的方法很好，就是头文件要加倍。
hotpower 发表于 2011-5-1 18:38

回菜农老师，继续改进新的写法，去掉加倍的头文件。。并且，上面的写法统统作废。。作废。。
还是用1楼的例子，这是1楼的写法：

复制

 UART0s.UA_FSR.b.BIF = 1;

UART0s.UA_FSR.b.FEF = 1;

UART0s.UA_FSR.b.PEF = 1;

其中有个.b, 略显麻烦。

新的写法如下：
新写法一：非优化版本 - 13条汇编指令：

复制

 UART0s.UA_FSR.BIF = 1;

UART0s.UA_FSR.FEF = 1;

UART0s.UA_FSR.PEF = 1;

新写法二：优化版本（带下划线）- 5条汇编指令：

复制

 UART0s.UA_FSR_.BIF = 1;

UART0s.UA_FSR_.FEF = 1;

UART0s.UA_FSR_.PEF = 1;

REG_COMMIT(UART0s.UA_FSR); //或 REG_COMMIT(UART0s.UA_FSR_);

新写法三：直接32位赋值（仅c++有效）- 5条汇编指令

复制

 unsigned int v = UART0s.UA_FSR;

v |= 0x00000070;

UART0s.UA_FSR = v;

写法三只用于c++, 如果在c程序用，需要加上.v，和1楼的旧写法一样，并且Keil同样编译出5条汇编指令

复制

 unsigned int v = UART0s.UA_FSR.v;

v |= 0x00000070;

UART0s.UA_FSR.v = v;

支持新写法的寄存器头文件下载

登录 · 发表于 2011-5-2 11:13

本帖最后由 hotpower 于 2011-5-4 21:10 编辑

继续毫无节制的现宝。。。

昨天看Lee老师的写法，用流的方式复制，大受启发。

复制

uart0_baud << clear

<< setbit<NU_UART_BAUD_t>(NU_UART_BAUD_t::BIT_DIV_X_EN)

<< setbit<NU_UART_BAUD_t>(NU_UART_BAUD_t::BIT_DIV_X_ONE)

<< apply;

于是想到换个形式：

复制

UART0s.UA_BAUD()

    .DIV_X_EN(1)

    .DIV_X_ONE(1);

酒鬼只是给换个碗装，汤药还是Lee老师的汤药。

这个形式的编译效果，相当于以下伪代码

复制

  unsigned int v = UART0s.UA_BAUD;

  v |= BIT_DIV_X_EN | BIT_DIV_X_ONE;

  UART0s.UA_BAUD = v;

共6条asm指令。

或者，另一个形式，UA_BAUD先赋个初值0的

复制

UART0s.UA_BAUD(0)

    .DIV_X_EN(1)

    .DIV_X_ONE(1);

这个形式的编译效果，相当于以下伪代码

复制

  unsigned int v;

  v = BIT_DIV_X_EN | BIT_DIV_X_ONE;

  UART0s.UA_BAUD = v;

少一次读取动作，共4条asm指令。

这个新的代码方式，实现了按语句优化。
在这个连续的函数调用语句内，
只读/写寄存器一次，中间多次对位赋值，都可以实现完全的优化。

如果要实现1楼的赋值功能（13条指令）：

复制

UART0s.UA_FSR.b.BIF = 1;

UART0s.UA_FSR.b.FEF = 1;

UART0s.UA_FSR.b.PEF = 1;

只需要写

复制

UART0s.UA_FSR()

    .BIF(1)

    .FEF(1)

    .PEF(1);

编译出来共计5条asm指令。

效果和19楼的写法二、写法三一样，但是更简洁、更不容易写错。

注：
1. 支持上述功能，需要c++, 并用新的头文件。
2. 编译器需要开优化，测试的优化级别
Keil 4.10: -O3 + Optimize for Time
IAR 6: High, blanced

登录 · 发表于 2011-5-12 14:12

本帖最后由 X-Hawk 于 2011-5-14 23:00 编辑

学习李老师的办法，将gcc下宏定义改为变量。
这样gcc的程序在调试时，也能感应到变量内容了。

将

复制

#define USBs        (*((usb_t *)    0x40060000))

改为

复制

extern usb_t       USBs;

__asm__ (".global USBs    \n.weak USBs   \n,set USBs,        0x40060000");

更新版头文件下载(NUC100和M051系列)：

发表于 2011-4-30 01:56

且听下回分解？？？

发表于 2011-4-30 02:06

本帖最后由 hotpower 于 2011-5-4 21:08 编辑

二、如何做（从volatile下手）

其实也很简单，让编译器的优化为我们做事情。
上面写法一有14条指令，乃是因为每一个bit，都用reg32_t修饰，具有volatile属性。
我们将volatile去掉即可。
重新定义一个下划线版本，不带volatile的

复制

  typedef struct {

    ...

    _reg32_t PEF             : 1;

    _reg32_t FEF             : 1;

    _reg32_t BIF             : 1;

    ...

  } _uart0_ua_fsr_bits_t;

并将这些位加入寄存器中：

复制

  typedef union {

    _uart0_ua_fsr_bits_t      _; //可优化的位定义

    uart0_ua_fsr_bits_t       b; //不优化的位定义

    reg32_t                   v;

  } uart0_ua_fsr_t;

定义一个宏，将寄存器的“可优化的值”赋值给“不优化的值”，该宏可保证触发一次实际的写动作。

复制

  #define REG_COMMIT(reg) do{(reg).v = *(_reg32_t *)&(reg);} while(0)

我们代码这么写

复制

      UART0s.UA_FSR._.BIF = 1;

      UART0s.UA_FSR._.FEF = 1;

      UART0s.UA_FSR._.PEF = 1;

      REG_COMMIT(UART0s.UA_FSR);

以上代码，经Keil O2编译，只要5条指令，和上面写法二的效果一样。
但是代码更清晰了，完美实现了目标。

发表于 2011-4-30 02:24

2# hotpower

嗯，分解完了，感谢大叔支持！

发表于 2011-4-30 02:39

俺主要是担心被优化了。
一般编译器认为一个变量不经过读写一个轮回，就可能视为无用变量被优化掉了。
再当一个变量被连续赋予一个相同值时优化也可能发生。
故考虑了还是加入volatile属性稳妥些，这样不管任何优化级别，都不会出现莫名其妙的错误。
等李老师来讨论。看来是否一个将volatile属性去掉。

发表于 2011-4-30 02:47

本帖最后由 hotpower 于 2011-5-13 00:38 编辑

李老师这个好像能自动算出波特率的设定值，很不错！

发表于 2011-4-30 02:50

本帖最后由 hotpower 于 2011-5-13 00:39 编辑

7# hotpower
没错了。这个在同时读写多个位域时比较有用。
要实际写进去，
最后还是要调用一个加了volatile的语句，如
REG_COMMIT(UART0s.UA_FSR);
或：
UART0s.UA_FSR.b.PEF = 1;

发表于 2011-4-30 03:09

本帖最后由 hotpower 于 2011-5-13 00:39 编辑

只要假想，.b 形式的位操作，真正对实际设备读写。

而下划线 ._ 形式的位操作，是从临时空间上读写，
临时空间的结果，只有REG_COMMIT之后，或写过 .b形式的操作，
才会真正写到寄存器上。

这样就不会用错。

例如，官方BSP中DrvFMC操作flash的一段，

复制



FMC->ISPCMD.FCTRL = 2;

FMC->ISPCMD.FCEN = 0;

FMC->ISPCMD.FOEN = 1;

FMC->ISPADR = u32addr;

FMC->ISPTRG.ISPGO = 1;

__ISB();

while (FMC->ISPTRG.ISPGO);

如果改成新的头文件，更优化的写法，则写成

复制



FMCs.ISPCMD._.FCTRL = 2;

FMCs.ISPCMD._.FCEN = 0;

FMCs.ISPCMD._.FOEN = 1;

REG_COMMIT(FMCs.ISPCMD);

FMCs.ISPADR = u32addr;



//此处用下划线形式，FMCs.ISPTRG._.ISPGO, 可能会无法工作

//因为下划线形式有可能只写到“临时空间”

FMCs.ISPTRG.b.ISPGO = 1;  



__ISB();

while (FMCs.ISPTRG.b.ISPGO);

发表于 2011-4-30 07:50

学习受教了

发表于 2011-4-30 07:55

流口水！:P

发表于 2011-4-30 09:32

我写的那个函数，基本上就是根据新唐的函数 BaudRateCalculator() 稍微修改一下，如果参数 baudrate 和 clock 都是常数，就可以利用编译器的 Constant folding(常量叠算) 优化，中间所有的计算全部在编译时完成，最后生成仅两三条汇编指令。

对波特率寄存器的赋值，使用了一个缓冲数据：

复制

__typeof__(BAUD) data = { 0 };

这个值不会分配在 RAM 中，甚至不在 CPU 寄存器中，编译器只是将它作为常量叠算的暂存值，中间所有的操作，如：

复制

data.DIV_X_EN = 1;

data.DIV_X_ONE = 1;

等，都是对这个缓冲进行操作。最后真正的赋值在：

复制

BAUD = data;

缓冲数据 data 表现为一个常量（立即数），与 0x30000066 之类没有什么分别。

发表于 2011-4-30 09:52

本帖最后由 hotpower 于 2011-5-13 00:39 编辑

13# john_lee
这个非常强悍！
昨晚我在狐疑，这个__builtin_constant_p究竟是什么。
经李老师这么一说，再加goolge, 终于明白了。

发表于 2011-4-30 10:28

哈哈，都是夜猫子了~~~
总之用中间变量缓冲，只从文字池中取一次硬件结构指针地址，在此变量中折腾最后再写入必然优化。
所以当时就考虑了Regs和Bits两种写法。

发表于 2011-4-30 11:10

太厉害了你们

发表于 2011-5-1 12:01

来到火星了~~~

发表于 2011-5-1 18:38

实际酒鬼很早就提到此问题了。
酒鬼的方法很好，就是头文件要加倍。

发表于 2011-5-2 07:13

这次很好！
在任何优化级别都行吗？

[电路设计] 寄存器按位优化 - 让大叔的红杏再出一次墙(最新版在31楼)

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