探讨Keil中优化等级与运行效率关系
本帖最后由 DKENNY 于 2024-6-26 14:23 编辑#申请原创# @21小跑堂
在软件开发中，编译器优化选项是提高程序执行效率的关键工具。特别是在嵌入式系统开发中，不同编译器的优化选项可以对代码的性能产生显著影响，本文将探讨Keil编译器中不同优化等级对代码执行效率的关系。
## Keil优化等级说明Keil编译器的优化等级是编译过程中一个重要的设置，它可以显著影响程序的性能和大小。
为什么需要进行编译优化？进行编译优化是为了提高程序的性能和效率。编译优化的主要用途包括： - 提高执行速度：通过优化代码，减少程序运行时的指令数量，从而加快程序的执行速度。 - 减少内存占用：优化可以帮助减少程序的大小，降低对内存的需求，这在资源受限的嵌入式系统中尤为重要。 - 电源管理：优化后的代码可以更有效地使用处理器资源，这有助于降低能耗，延长电池寿命。 - 提高可靠性和稳定性：优化可以消除代码中的冗余和不必要的部分，有助于提高程序的稳定性和可靠性。
Keil有几个不同的优化等级： - O0：这是无优化等级，编译器不会尝试优化代码。这对于调试非常有用，因为生成的代码会非常接近你的原始代码，使得跟踪和理解程序的行为变得容易。 - O1：这个等级提供了基本优化。编译器会尝试不影响代码可读性的前提下，进行一些基本的性能改进。 - O2：在这个等级，编译器会进行更多的优化，如代码重排和循环优化，以提高执行速度和减少代码大小。 - O3：这是最高的优化等级，编译器会尝试所有可能的优化技术来提高程序的运行效率，即使这可能会增加代码的大小。
## 测试环境： 开发板：APM32F407 主频：168MHz
### 1.Test_add测试
一个简单的加法运算。
核心代码：void add(u32 n)
{
u32 a = 0, b = 0;
while (n-- > 0)
{
a = b + n;
}
}
//执行100000次
void test_add(void)
{
u32 n = 100000;
while (n-- > 0)
{
add(100000);
}
return;
}
测试结果： 如下图是依次选择-O0，-O1，-O2，-O3得到的代码执行时间。
### 2.Test_FFT测试
这是一个较复杂的运算，FFT代表快速傅里叶变换。
核心代码：#define PI 3.14159265358979323846
#define N 1024 // 定义FFT的点数
typedef struct
{
double real;
double imag;
} complex32;
//typedef unsigned int u32;
int count = 0;
// 位反转置换函数
void bitReversal(complex32 *pSrc, u32 n)
{
u32 i, j, k;
for (i = 1, j = 0; i < n; i++)
{
for (k = n >> 1; k > (j ^= k); k >>= 1)
{
}
if (i < j)
{
complex32 temp = pSrc;
pSrc = pSrc;
pSrc = temp;
}
}
}
// 迭代FFT函数
void iterativeFFT(complex32 *pSrc, u32 n)
{
// 预先计算Wn数组
complex32 *Wn = (complex32 *)malloc(sizeof(complex32) * n / 2);
for (u32 i = 0; i < n / 2; i++)
{
Wn.real = cos(2 * PI * i / n);
Wn.imag = -sin(2 * PI * i / n);
}
// 位反转置换
bitReversal(pSrc, n);
// FFT主循环
for (u32 s = 1; s <= log2(n); s++)
{
u32 m = 1 << s;
u32 m2 = m >> 1;
complex32 w;
w.real = 1.0;
w.imag = 0.0;
for (u32 j = 0; j < m2; j++)
{
for (u32 k = j; k < n; k += m)
{
u32 t = k + m2;
complex32 u = pSrc;
complex32 v;
v.real = w.real * pSrc.real - w.imag * pSrc.imag;
v.imag = w.real * pSrc.imag + w.imag * pSrc.real;
pSrc.real = u.real + v.real;
pSrc.imag = u.imag + v.imag;
pSrc.real = u.real - v.real;
pSrc.imag = u.imag - v.imag;
}
complex32 wn = Wn;
w.real = w.real * wn.real - w.imag * wn.imag;
w.imag = w.real * wn.imag + w.imag * wn.real;
}
}
free(Wn);
}
测试结果：
如下图是依次选择-O0，-O1，-O2，-O3得到的代码执行时间。
### 测试数据对比：
优化等级Test_add（单位：秒）Test_fft（单位：秒）
-O0298.97819068.000412
-O1239.97147462.022487
-O2179.98768061.009636
-O3179.98768061.985575
### 测试数据分析: - 对于简单的加法操作（test_add），随着编译优化等级的提升，执行时间显著减少。特别是从 -O0 到 -O1 ，以及从 -O1 到 -O2，我们看到了明显的性能提升。然而，从 -O2 到 -O3，性能提升不再明显，执行时间保持不变，这表明对于简单运算，-O2 已经足够优化。
- 对于复杂的运算，如快速傅里叶变换（test_fft），优化等级的提升同样带来了性能的提升，但提升幅度相对较小。从 -O0 到 -O1 有一定的性能提升，而从 -O1 到 -O2，我们看到了最佳的执行时间，但从 -O2 到 -O3，执行时间反而略有增加。
打个简单的比方，当你让电脑做一些非常基本的事情，比如简单的加法，提高编译器的优化水平就像是给电脑喝了能量饮料，它会变得更快。但是，就像人在喝了太多能量饮料后不会变得更聪明一样，电脑在处理复杂的数学问题时，即使优化了，也不会有太大的提升。这是因为复杂的问题本身就很难处理，就像是需要解决一个超级难的数独谜题，而不仅仅是数数那么简单。 所以，当你让电脑做更复杂的事情，比如快速傅里叶变换（一种复杂的运算），即使你给它更多的能量饮料（也就是更高级的优化），它也只能快那么一点点。因为这时候，电脑不仅要算数，还要记住很多东西，还要做很多决定，这些都会让它慢下来。 总之，让电脑做简单的事情时，优化可以大大提高速度。但是对于复杂的任务，优化帮助不大，因为任务本身就很难。
## 总结 总的来说，随着编译优化等级的提高，简单和复杂的运算都有性能提升，但简单运算的提升更为显著。这可能是因为编译器优化更容易对简单的重复操作进行优化，如循环展开、指令重排等。而对于复杂运算，尽管优化也有帮助，但由于算法本身的复杂性，优化空间可能不如简单运算那么大。此外，复杂运算可能涉及更多的内存访问和分支预测，这些因素也会影响优化的效果。
附件为该测试的工程源码，有需要的可自行下载。
学习了 不能乱优化，有时候会适得其反。 优化等级会影响程序的运行效率，但并非总是直接对应。 在开发阶段，你可能希望使用较低的优化等级以方便调试；而在产品化阶段，为了提高性能和减少功耗，你可能需要使用较高的优化等级。 优化等级越高，编译器越倾向于生成更小、更快、更高效的代码，但同时也可能增加编译时间和调试难度。 低级别的优化保留更多的调试信息，使代码在调试时更容易理解和追踪。 在实际应用中，通常需要在程序大小和运行速度之间做出权衡。例如，嵌入式系统可能更注重程序的大小，以便节省内存资源；而性能敏感的应用则可能更注重程序的运行速度。 在Keil编译器中，优化等级与运行效率之间存在着密切的关系。优化等级是编译过程中一个重要的设置，它可以显著影响程序的性能和大小 在Keil MDK（Microcontroller Development Kit）中，编译器的优化等级对生成的代码的运行效率有着直接的影响 优化等级1和2都会提高程序的运行效率，但它们的方式不同。等级1通过减少程序体积来提高效率，而等级2通过优化代码运行速度来提高效率。 优化可能会改变代码的结构和顺序，有时会让生成的汇编代码难以与源代码对应，影响调试和维护。 高级别的优化往往会导致更短的执行时间和更小的代码尺寸，但这通常是以牺牲编译时间和调试信息的可读性为代价的。 Keil编译器（包括Keil C51和针对ARM的Keil MDK等）提供了多个优化等级，从低到高主要包括：
-O0（无优化）：不进行任何优化，主要用于调试和开发阶段。代码生成快，但生成的代码质量较低，程序执行效率较慢，且生成的代码体积可能较大。
-O1（基本优化）：提供基本的优化，如去除未引用的代码和常量折叠等，以提高程序执行效率。相对于-O0，程序执行效率更高，但代码大小可能略有增加。
-O2（中等优化）：进行更多的优化，如代码重排和循环优化，以进一步提高执行速度和减少代码大小。
-O3（高级优化）：最高的优化等级，尝试所有可能的优化技术来提高程序的运行效率，即使这可能增加代码的大小。从-O2到-O3，优化可能会更加激进，如更复杂的循环展开和函数内联。 在选择优化等级时，需要权衡以下因素：
调试需求：如果需要频繁调试，可能需要降低优化等级以保持代码的可调试性。
性能要求：如果对运行效率有严格要求，可以选择更高的优化等级。
编译时间：高优化等级会增加编译时间，这在开发过程中可能会影响迭代速度。
目标硬件：不同的微控制器可能有不同的最佳优化策略，需要根据硬件特性选择合适的优化等级。 优化等级的选择也应该考虑目标平台的硬件资源。在资源有限的平台上，选择适当的优化等级以避免过度优化导致的资源浪费。 无优化（Optimization Level 0）：
不进行任何优化，保留原始代码的所有细节。
适合调试，因为生成的代码与源代码一一对应，便于定位问题。
运行效率最低，因为代码可能包含冗余和不必要的操作。
优化级别1（Optimization Level 1）：
基本的优化，如删除未使用的代码、简化表达式等。
对代码结构的影响较小，仍保持较好的可读性和可调试性。
运行效率有所提升，但提升幅度不大。
优化级别2（Optimization Level 2）：
中级优化，包括循环展开、寄存器分配优化、内联函数等。
代码结构可能会有较大变化，调试时可能难以跟踪到源代码行。
运行效率显著提升，代码执行速度加快，内存占用减少。
优化级别3（Optimization Level 3）：
高级优化，包括更多的循环优化、指令调度、复杂的数据流分析等。
代码结构变化更大，调试更加困难，可能无法精确映射到源代码。
运行效率进一步提升，但提升幅度相比级别2可能不会太大。
优化级别4（Optimization Level 4）：
最高级别的优化，可能会引入一些激进的优化策略，如代码重排序、复杂的数据流和控制流分析等。
代码结构可能与源代码差异很大，几乎不可调试。
运行效率最高，但编译时间最长。 较高的优化等级通常能够带来更好的运行效率，但也可能使得调试变得更加困难。 等级0（No Optimization）：此等级不进行任何优化，主要用于调试。
等级1（Size Optimization）：此等级主要优化程序的大小，通过删除未使用的代码和数据来减少程序的体积。
等级2（Speed Optimization）：此等级主要优化程序的运行速度，通过优化代码结构和使用更高效的算法来提高执行效率。
等级3（Speed and Size Optimization）：此等级试图在保持程序运行速度的同时，尽可能减少程序的大小。 除了优化等级，还有其他因素会影响程序的运行效率，如算法复杂度、数据结构、编译器版本等。