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浅谈C51内存优化

时间:2013-11-23??来源:123485.com??作者:9stone

??? 对 51 单片机内存的认识,很多人有误解,最常见的是以下两种

  1. ?超过变量128后必须使用compact模式编译
    ?? 实际的情况是只要内存占用量不超过 256.0 就可以用 small 模式编译
  2. ?128以上的某些地址为特殊寄存器使用,不能给程序用
    ?? 与 PC 机不同,51 单片机不使用线性编址,特殊寄存器与 RAM 使用重复的重复的地址。但访问时采用不同的指令,所以并不会占用 RAM 空间。

??? 由于内存比较小,一般要进行内存优化,尽量提高内存的使用效率。

??? 以 Keil C 编译器为例,small 模式下未指存储类型的变量默认为data型,即直接寻址,只能访问低 128 个字节,但这? 128 个字节也不是全为我们的程序所用,寄存器 R0-R7必须映射到低RAM,要占去 8 个字节,如果使用寄存组切换,占用的更多。

??? 所以可以使用 data 区最大为 120 字节,超出 120 个字节则必须用 idata 显式的指定为间接寻址,另外堆栈至少要占用一个字节,所以极限情况下可以定义的变量可占 247 个字节。当然,实际应用中堆栈为一个字节肯定是不够用的,但如果嵌套调用层数不深,有十几个字节也够有了。


为了验上面的观点,写了个例子

#define LEN 120
data UCHAR tt1[LEN];
idata UCHAR tt2[127];

void main()
{
??? UCHAR i,j;

??? for(i = 0;? i < LEN; ++i )
??? {
??????? j = i;
??????? tt1[j] = 0x55;
??? }
}

可以计算 R0-7(8) + tt1(120) + tt2(127) + SP(1) 总共 256 个字节

keil 编译的结果如下:
Program Size: data=256.0 xdata=0 code=30
creating hex file from "./Debug/Test"...
"./Debug/Test" - 0 Error(s), 0 Warning(s).
(测试环境为 XP + Keil C 7.5)

??? 这段代码已经达到了内存分配的极限,再定义任何全局变量或将数组加大,编译都会报错 107

??? 这里要引出一个问题:为什么变量 i、j 不计算在内?
??? 这是因为 i、j 是局部变量,编译器会试着将其优化到寄存器 Rx 或栈。问题也就在这了,如果局部变量过多或定义了局部数组,编译器无法将其优化,就必须使用 RAM 空间,虽然全局变量的分配经过精心计算没有超出使用范围,仍会产生内存溢出的错误!

??? 而编译器是否能成功的优化变量是根据代码来的
??? 上面的代码中,循环是臃肿的,变量 j 完全不必要,那么将代码改成

UCHAR i;
UCHAR j;

for(i = 0;? i < LEN; ++i )
{
??? tt1[i] = 0x55;
}

再编译看看,出错了吧!
因为编译器不知道该如何使用 j,所以没能优化,j 须占 RAM 空间,RAM 就溢出了。
(智能一点的编译器会自动将这个无用的变量去掉,但这个不在讨论之列了)

另外,对 idata 的定义的变量最好放在 data 变量之后

对于这一种定义


uchar c1;
idata uchar c2;
uchar c3;
变量 c2 肯定会以间接寻址,但它有可能落在 data 区域,就浪费了一个可直接寻址的空间


变量优化一般要注意几点:

??? ①让尽可能多的变量使用直接寻址,提高速度
????? 假如有两个单字节的变量,一个长119的字符型数组
????? 因为总长超过 120 字节,不可能都定义在 data 区
????? 按这条原则,定义的方式如下:

????? data UCHAR tab[119];
????? data UCAHR c1;
????? idata UCHaR c2;
????? 但也不是绝的,如果 c1, c2 需要以极高的频率访问,而 tab 访问不那么频繁
????? 则应该让访问量大的变量使用直接寻址:

????? data UCAHR c1;
????? data UCHaR c2;
????? idata UCHAR tab[119];
????? 这个是要根据具体项目需求来确定的

??? ②提高内存的重复利用率
????? 就是尽可能的利用局部变量,局部变量还有个好处是访问速度比较快
????? 由前面的例子可以看出,局部变量 i, j 是没有单独占用内存的
????? 子程序中使用内存数目不大的变量尽量定义为局部变量

??? ③对于指针数组的定义,尽可能指明存储类型
?????? 尽量使用无符号类型变量
????? 一般指针需要一个字节额外的字节指明存储类型
???? 8051 系列本身不支持符号数,需要外加库来处理符号数,一是大大降低程序运行效率,二是需要额外的内存

??? ④避免出现内存空洞
????? 可以通过查看编译器输出符号表文件(.M51)查看
????? 对前面的代码,M51文件中关于内存一节如下:

* * * * * * *?? D A T A?? M E M O R Y?? * * * * * * *
REG???? 0000H???? 0008H???? ABSOLUTE???? "REG BANK 0"
DATA??? 0008H???? 0078H???? UNIT???????? ?DT?TEST
IDATA?? 0080H???? 007FH???? UNIT???????? ?ID?TEST
IDATA?? 00FFH???? 0001H???? UNIT???????? ?STACK

第一行显示寄存器组0从地址0000H开始,占用0008H个字节
第二行显示DATA区变量从0008H开始,占用0078H个字节
第三行显示IDATA区变量从0080H开始,占用007F个字节
第四行显示堆栈从00FFH开始,占0001H个字节

由于前面代码中变量定义比较简单,且连续用完了所有空间,所以这里显示比较简单
变量定义较多时,这里会有很多行

如果全局变量与局部变量分配不合理,就有可能出现类似下面的行

0010H???? 0012H????????????????? *** GAP ***
????? 该行表示从0010H开始连续0012H个字节未充分利用或根本未用到
出现这种情况最常见的原因是局变量太多、多个子程序中的局部变量数目差异太大、使用了寄存器切换但未充分利用


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