c++ - 编译器优化如何加快简单操作之间的时间？

Question

我有一个使用 SPI 的嵌入式 C++ 项目。当我在没有优化 (-O0) 的情况下编译和运行我的程序时，外围设备(LCD 面板)工作正常。当我使用 优化(-O1) 编译它时，外围设备无法正常工作。

我用逻辑分析仪检查了这两种情况，唯一的区别是优化后的代码写入字节之间的时间要短得多(时钟速率、写入的字节数等相同)。编译器优化如何影响后续操作之间的时间，这些操作只是一个接一个地写入硬件寄存器？如果我在 SPI 类中的每个写入命令之后添加一个延迟，它会在优化的情况下工作。

与下面的示例不同，在原始代码中，对WriteCommand() 和WriteData() 的调用是通过一个指针。

代码片段，通过 SPI 连续写入外设:

{
    SPI m_spiPort();
    m_spiPort.Init();

    m_spiPort.WriteCommand(SLEEPOUT);

    // Color Interface Pixel Format (command 0x3A)
    m_spiPort.WriteCommand(COLMOD);
    m_spiPort.WriteData(0x03); // 0x03 = 12 bits-per-pixel

    // Memory access controller (command 0x36)
    m_spiPort.WriteCommand(MADCTL);
    m_spiPort.WriteData(0x00);

    // Write contrast (command 0x25)
    m_spiPort.WriteCommand(SETCON);
    m_spiPort.WriteData(0x39); // contrast 0x30

    // Display On (command 0x29)
    m_spiPort.WriteCommand(DISPON);

}

SPI 类:

class SPI {
public:
    void Init();
    void WriteCommand(unsigned int command);
    void WriteData(unsigned int data);
private:
    void Write(unsigned int value);
};

这个类的实现是:

void SPI::WriteCommand(unsigned int command)
{
    command &= ~0x100;   //clear bit 8
    Write(command);
}

void SPI::WriteData(unsigned int data)
{
    data |= 0x100;   //set bit 8
    Write(data);
}

void SPI::Write(unsigned int value)
{
    LPC_SSP->DR = value;
}
void SPI::Init( void )
{
  LPC_SYSCON->SYSAHBCLKCTRL |= (1<<11);  //Enables clock for SPI
  LPC_SYSCON->SSPCLKDIV = 0x01;

  LPC_IOCON->PIO0_14 &= ~(0x7); // SCK
  LPC_IOCON->PIO0_14 |= 0x2;

  LPC_IOCON->PIO0_17 &= ~(0x7); // MOSI
  LPC_IOCON->PIO0_17 |= 0x2;

  /* SSP SSEL is a GPIO pin */
  LPC_IOCON->PIO0_27 = 0x0;     // configure as GPIO pin
  LPC_GPIO0->MASK = (1<<27);
  LPC_GPIO0->DIR |= (1<<27);    // set in output mode */
  LPC_GPIO0->CLR = 1 << 27;

  /* Set DSS data to 9-bit, Frame format SPI, CPOL = 0, CPHA = 0, and SCR is 0 */
  LPC_SSP->CR0 = 0x0008;

  /* SSPCPSR clock prescale register, master mode, minimum divisor is 0x02 */
  LPC_SSP->CPSR = 0x4;  // SPI clock will run at 6 MHz

  /* set Master mode and enable the SPI */
  LPC_SSP->CR1 = 0x2;
}

编辑 - 从 SPI::Write() 中删除了 DelayInCycles()。没有它，差异仍然很明显，我并不是要将它包括在这篇文章中。

Answer 1

对于每个命令和数据字节，您的代码调用两个函数，并且两个函数都没有局部变量或许多临时变量。

当忠实地实现时，这些函数中的每一个都将创建一个堆栈帧(需要一些指令来设置和拆除)来存储不能保存在寄存器中的任何局部变量和临时变量。这可能是在 -O0 编译模式下发生的情况。

影响此类代码执行时间的两个重要优化是:

• 堆栈帧遗漏:编译器注意到Write(可能还有WriteCommand 和WriteData)的堆栈帧未被使用，因此决定消除设置(和拆除)堆栈框架的说明。

• 函数内联:由于Write、WriteCommand和WriteData都是非常简单的函数，编译器可以决定去掉该函数完全调用并生成代码，就像您编写的一样(忽略任何可访问性问题):

  {
      SPI m_spiPort();
      m_spiPort.Init();
  
      m_spiPort.LPC_SSP->DR = (SLEEPOUT & ~0x100);
  
      // Color Interface Pixel Format (command 0x3A)
      m_spiPort.LPC_SSP->DR = (COLMOD & ~0x100);
      m_spiPort.LPC_SSP->DR = (0x03 & 0x100);
  
      // Memory access controller (command 0x36)
      m_spiPort.LPC_SSP->DR = (MADCTL & ~0x100);
      m_spiPort.LPC_SSP->DR = (0x00 & 0x100);
  
      // Write contrast (command 0x25)
      m_spiPort.LPC_SSP->DR = (SETCON & ~0x100);
      m_spiPort.LPC_SSP->DR = (0x39 & 0x100);
  
      // Display On (command 0x29)
      m_spiPort.LPC_SSP->DR = (DISPON & ~0x100);
  }
  

这两种优化都消除了实际写入寄存器之间的许多(簿记)指令，从而使写入速度更快。