牡丹雖好，仍需綠葉扶持；RT雖快，仍需優(yōu)化。本文將分享在i.MX RT飛行學(xué)習(xí)板中的軟件優(yōu)化辦法，讓C代碼在ARM Cortex-M7內(nèi)核上極速飛奔！01

概述

i.MX RT飛行學(xué)習(xí)板，是真的會(huì)飛的處理器學(xué)習(xí)板！它的核心是恩智浦公司的跨界處理器i.MX RT1052， 基于ARM Cortex-M7內(nèi)核，主頻達(dá)600 MHz！對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，雖然速度驚人，但是這個(gè)學(xué)習(xí)板要同時(shí)運(yùn)行“4無刷電機(jī)FOC驅(qū)動(dòng) + 飛控算法”，所以依然不是輕易的事情。

牡丹雖好，仍需綠葉扶持，下面將分享多種優(yōu)化手段，讓C代碼在i.MX RT上極速飛奔，實(shí)現(xiàn)這個(gè)“單芯片無人機(jī)”。先上段熱身視頻。

視頻1 熱身視頻

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加快代碼速度的秘訣

1、選擇硬件浮點(diǎn)

重要而簡單的第一步是：在編譯器中選擇“硬件雙精度浮點(diǎn)”，圖1是在KEIL中的選擇配置。

圖1 雙精度浮點(diǎn)

選擇“硬件雙精度浮點(diǎn)”的作用是，當(dāng)C代碼需要雙精度、單精度浮點(diǎn)運(yùn)算，編譯器就選擇最優(yōu)的浮點(diǎn)指令，速度最快！如果選擇“硬件單精度浮點(diǎn)”，單精度浮點(diǎn)運(yùn)算就用單精度浮點(diǎn)指令，但雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算只能結(jié)合多條單精度指令完成，速度較慢。如果不選擇任何硬件浮點(diǎn)，編譯器僅能用定點(diǎn)指令完成浮點(diǎn)運(yùn)算，速度非常慢。

但要注意，不是任意處理器都支持“硬件浮點(diǎn)”，即便同樣是ARM Cortex-M7內(nèi)核，有些半導(dǎo)體廠家為了降低成本，會(huì)裁掉“雙精度浮點(diǎn)”單元，只留下“單精度浮點(diǎn)”。而i.MX RT支持完整的單、雙精度浮點(diǎn)單元。得益于這個(gè)優(yōu)勢，飛行學(xué)習(xí)板中的ZLG-Soar飛控軟件，全部核心代碼都使用雙精度浮點(diǎn)指令，不單止精度高、而且速度超快，在相同主頻下，比定點(diǎn)指令的Cortex-M3快20倍以上！

2、關(guān)鍵代碼RAM中運(yùn)行

將代碼放在ITCM相連的RAM中運(yùn)行，速度最快！

Cortex-M7的中ITCM（Instruction-Tightly Coupled Memories）是專門的指令總線。我們?cè)趇.MX RT1052中分配了256Kbytes的內(nèi)部RAM在ITCM上，而且和Flash相比，內(nèi)部RAM沒有明顯的讀取延時(shí)，所以代碼在這段RAM中運(yùn)行，速度是最快的，沒有更快！

程序清單1是飛行學(xué)習(xí)板在KEIL中的分散加載的配置，全部只讀RO數(shù)據(jù)（即代碼和CONST變量等）放在0x00000400地址開始的ITCM RAM里面。KEIL編譯后，其實(shí)全部原始數(shù)據(jù)都是存在Flash中，但 KEIL自動(dòng)在main函數(shù)前插入一段Flash函數(shù)，該函數(shù)將相關(guān)的代碼從Flash復(fù)制到RAM，最后將PC指針改到RAM。這樣代碼就從RAM開始運(yùn)行。

程序清單1 ITCM RAM分散加載

如果代碼很大，無法全部復(fù)制到RAM中運(yùn)行，那么可以修改分散加載，僅將必要的代碼放在RAM中運(yùn)行，其他代碼在Flash中運(yùn)行。

3、關(guān)鍵算法寫成宏定義

在ZLG-FOC電機(jī)矢量控制庫中，全部核心算法都寫成宏定義的形式，如程序清單2的Clarke變換。

程序清單2 宏定義算法

如果寫成C函數(shù)，那么上層代碼調(diào)用時(shí)，一般先進(jìn)行入棧操作、保護(hù)現(xiàn)場，接著跳轉(zhuǎn)到該函數(shù)運(yùn)行，然后調(diào)用返回指令回到上層代碼，最后進(jìn)行出棧操作、恢復(fù)現(xiàn)場。這個(gè)過程必然會(huì)延長爭分奪秒的算法執(zhí)行時(shí)間。

可能有的人會(huì)說：在函數(shù)前面聲明inline，函數(shù)不就直接嵌入到上層代碼中，省去這些啰嗦過程嗎？其實(shí)不一定，編譯器也是很無奈的，KEIL和IAR的編譯手冊(cè)都說得很明白：根據(jù)代碼調(diào)用與被調(diào)用的復(fù)雜程度，能嵌進(jìn)去的，編譯器就幫忙嵌進(jìn)去，不能嵌進(jìn)去的，只能按普通函數(shù)那樣處理！

但如果將算法寫成宏定義，那么編譯會(huì)100%保證代碼會(huì)被直接嵌入到上層代碼中！只是對(duì)于過長的代碼，宏定義編寫不方便，這時(shí)候可以將代碼分拆成多個(gè)宏定義組合使用，或者僅把最必要的部分寫成宏定義。

4、盡量用C，少用匯編

盡量用C，少用匯編？晚上加班眼花，寫反了吧？沒寫錯(cuò)，“匯編比C快”是好多年前、奔騰電腦時(shí)代的事情！現(xiàn)在是人工智能、大數(shù)據(jù)的時(shí)代，KEIL和IAR 的C編譯器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，都變得非常聰明了（GCC筆者使用不多，不敢莽加評(píng)論）。首先，人腦能想到的最優(yōu)指令，C編譯器很多時(shí)候也能想到，可能比人腦想得更優(yōu)！再者，用匯編寫代碼，即便絞盡腦汁，頂多就單個(gè)函數(shù)速度最優(yōu)，僅此而已！而C編譯器還會(huì)“綜合統(tǒng)籌”，例如，前后重復(fù)的代碼，它會(huì)合拼在一起；廢話、沒用的代碼，它會(huì)刪除；函數(shù)反復(fù)跳轉(zhuǎn)時(shí)的出入棧過程，它會(huì)想辦法減少……再配合上面提到的“算法寫成宏定義”，C代碼的運(yùn)行速度將更快！

就如我們敬愛的周工教導(dǎo)說：豬腦不如人腦、人腦不如電腦，i.MX RT在極速飛奔下就是很好的體現(xiàn)。

5、巧妙浮點(diǎn)出入棧

圖2顯示了Cortex-M7的浮點(diǎn)寄存器，S0-S31是浮點(diǎn)的通用寄存器，其他是控制或狀態(tài)等寄存器。如果軟件使能了浮點(diǎn)單元，那么在中斷發(fā)生后，M7默認(rèn)會(huì)將S0-S15、FPSCR等17個(gè)浮點(diǎn)寄存器硬件入棧，中斷完成后硬件出棧。雖然說是“硬件”，其實(shí)硬件也要花時(shí)間一個(gè)一個(gè)寄存器弄的，只不過比軟件處理，省了調(diào)用指令的時(shí)間。

圖2 Cortex-M7浮點(diǎn)寄存器

這里提出一個(gè)問題：假如有10個(gè)中斷程序輪流產(chǎn)生，處理器就自動(dòng)對(duì)17個(gè)浮點(diǎn)寄存器出入棧操作，但如果僅只有一個(gè)中斷使用了浮點(diǎn)指令，其他9個(gè)都不使用，那么大部分浮點(diǎn)出入棧的操作都是浪費(fèi)時(shí)間的！

如何解決這個(gè)問題呢？

ARM提出一種LAZY模式（其實(shí)一點(diǎn)都不懶），在中斷發(fā)生后，硬件只給17個(gè)浮點(diǎn)寄存器預(yù)留堆?？臻g，但不入棧，只有中斷函數(shù)調(diào)用了第一條浮點(diǎn)指令前（例如浮點(diǎn)加、減、乘、除），硬件才補(bǔ)充入棧；中斷完成后，如果真的發(fā)生過硬件浮點(diǎn)入棧，才會(huì)相應(yīng)地出棧。這樣大大提高了浮點(diǎn)出入棧的效率！這種LAZY模式夠聰明吧，真不知ARM怎樣起名的，可能懶的極端就是聰明吧。

6、代碼清晰、聰明

圖3中的兩條蛇在樹上互相糾纏，分不清尾巴是誰的。寫代碼也同樣道理，如果習(xí)慣性地想到一點(diǎn)寫一點(diǎn)、寫前不規(guī)劃、寫后懶修改，就像圖3左邊的代碼，一堆if/else，邏輯模糊、難懂、難改，運(yùn)行速度沒保證。而右邊的代碼是經(jīng)過分析推理的聰明辦法，用switch case替代一堆if/else，邏輯清晰、易懂、易改，運(yùn)行速度有保證！

圖3 清晰聰明的代碼

前面介紹了很多在i.MX RT上加快代碼速度的方法，但都是輔助的，最核心的還是：花點(diǎn)心思規(guī)劃代碼要怎樣寫，代碼要清晰、聰明。

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總結(jié)

牡丹雖好，仍需綠葉扶持，RT雖快，但仍需優(yōu)化才能發(fā)揮到極致的速度，將不可能的事情變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)！就如我們ZLG的i.MX RT飛行學(xué)習(xí)板，是業(yè)界唯一的“4無刷電機(jī)FOC +飛控算法”的無人機(jī)方案。

11月初期的廣州還是茵茵綠草，我們踏青放飛去。

視頻2 踏青放飛