量化節(jié)約的最簡(jiǎn)單方法之一是BML：低成本零件要求公司花費(fèi)更少的錢來制造產(chǎn)品。在大多數(shù)嵌入式設(shè)計(jì)中，兩個(gè)最昂貴的部件通常是屏幕（如果設(shè)備有，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備沒有）和處理器。隨著您向處理器添加更多內(nèi)存（閃存和 RAM），處理器的成本也會(huì)增加。雖然成本增加多少的具體細(xì)節(jié)因半導(dǎo)體公司而異，但粗略的經(jīng)驗(yàn)法則是，每增加一倍內(nèi)存，處理器單位成本就會(huì)增加約一美元。

使這個(gè)問題變得更糟的是，嵌入式工程師通常不太擅長(zhǎng)在應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)內(nèi)存需求。這些對(duì)所需內(nèi)存量的最佳“猜測(cè)”是處理器選擇的關(guān)鍵因素。鑒于許多生產(chǎn)運(yùn)行每年達(dá)到數(shù)十萬或數(shù)百萬臺(tái)，在BML中增加不必要的美元會(huì)對(duì)公司的底線產(chǎn)生有害影響。

結(jié)果，無數(shù)項(xiàng)目“資源緊張”，這是“我們沒有正確預(yù)測(cè)內(nèi)存需求”的代碼。加劇這個(gè)問題的是，BML通常在項(xiàng)目開始時(shí)就被推薦給高層管理人員。一旦發(fā)生這種情況，成本就變得不可侵犯。這使人們爭(zhēng)先恐后地減少內(nèi)存占用，或者依靠采購(gòu)來保持BML成本與管理層預(yù)期的相同，通過協(xié)商其他組件的更好價(jià)格。為了減少內(nèi)存占用，團(tuán)隊(duì)經(jīng)常求助于編譯器的優(yōu)化引擎來減小生成的代碼的大小。

提高編譯器優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)

一些工程師非常不愿意加快優(yōu)化，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為優(yōu)化會(huì)給系統(tǒng)帶來錯(cuò)誤。這種情況很少發(fā)生，根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，大約 5% 的優(yōu)化器問題最終是優(yōu)化器的問題。

當(dāng)優(yōu)化級(jí)別提高時(shí)，編譯器對(duì) C 和 C++ 語(yǔ)言的語(yǔ)義非常挑剔。優(yōu)化決策是基于對(duì)語(yǔ)言規(guī)則的嚴(yán)格解釋做出的。通常，工程師并沒有以他們看起來很自然的方式完全了解語(yǔ)言和代碼的所有細(xì)微差別。

例如，如果函數(shù)調(diào)用是這樣編寫的：

myFunc（varA， varB， varC， varD）;

自然的假設(shè)是從左到右讀取變量：varA 將從內(nèi)存中讀取，然后是 varB 等。

但是，C 或 C++ 中沒有任何內(nèi)容表明必須如此。如果內(nèi)存是有目的地布置的，或者是偶然的，其中varB位于varD旁邊，那么高級(jí)優(yōu)化可能會(huì)使用索引寄存器來讀取連續(xù)的內(nèi)存空間，以節(jié)省代碼大小和速度。

在大多數(shù)情況下，這不會(huì)對(duì)代碼產(chǎn)生影響。但是，如果您依賴于從左到右編寫時(shí)要訪問的變量，則可能會(huì)出現(xiàn)代碼在較低優(yōu)化下運(yùn)行良好但在高級(jí)別無法正常運(yùn)行的情況。這就是工具供應(yīng)商提供的良好支持結(jié)構(gòu)可以幫助發(fā)現(xiàn)這些類型的問題并重寫代碼部分以更好地優(yōu)化和正常工作的地方，而與優(yōu)化設(shè)置無關(guān)。

此外，如果您的代碼可以在高優(yōu)化下工作，那么它編寫正確并且經(jīng)過更好的測(cè)試。如果代碼在更高的優(yōu)化下不起作用，則很有可能潛在缺陷正在等待“咬你”。

當(dāng)設(shè)置為高尺寸優(yōu)化時(shí)，好的工具可以節(jié)省 10-40% 的代碼大小。但是，并非所有優(yōu)化轉(zhuǎn)換都是任何代碼段的好選擇 - 某些轉(zhuǎn)換實(shí)際上可能會(huì)增加某些類型代碼的代碼大小。這本身就是一篇文章。

目前，有一些資源可以解決“從編譯器中獲得最少的資源”，這意味著最小大小的代碼和最緊湊的執(zhí)行時(shí)間。節(jié)省如此多的代碼空間可能是剝離功能以保持在設(shè)備尺寸內(nèi)、由于手動(dòng)優(yōu)化代碼而錯(cuò)過計(jì)劃或超出 BML 預(yù)算之間的區(qū)別。

雖然好的代碼可以在任何優(yōu)化級(jí)別上運(yùn)行相同的操作，但調(diào)試高度優(yōu)化的代碼在最好的情況下是很棘手的。例如，整個(gè)代碼段可以折疊到完全不同的位置的其他代碼段中。這就是為什么必須在低優(yōu)化或無優(yōu)化下調(diào)試代碼，并在增加優(yōu)化以運(yùn)行全部測(cè)試之前驗(yàn)證代碼是否正常運(yùn)行的原因。

在 BML 中調(diào)試成本

使嵌入式調(diào)試變得困難的部分原因是，大多數(shù)人根本不知道他們武器庫(kù)中的所有調(diào)試工具。它們傾向于默認(rèn)使用 printf 語(yǔ)句和代碼斷點(diǎn)。在嘗試隔離硬故障、查找發(fā)生堆棧溢出的位置或找出變量不斷被破壞的原因時(shí)，這些默認(rèn)值無濟(jì)于事。

好消息是，存在特殊的工具可以幫助發(fā)現(xiàn)這些類型的問題。

處理硬故障

讓我們從硬故障開始。許多現(xiàn)代MCU都具有實(shí)時(shí)指令跟蹤功能，可讓您跟蹤指令流。在基于 Arm 的設(shè)備上，用于實(shí)現(xiàn)此目的的技術(shù)是嵌入式跟蹤宏單元 （ETM）。參考手冊(cè)將指示設(shè)備是否支持 ETM。如果是這樣，請(qǐng)將跟蹤引腳拉到調(diào)試標(biāo)頭，并使用啟用跟蹤的調(diào)試器（如 IAR I-jet 跟蹤），該調(diào)試器可以捕獲該實(shí)時(shí)指令流并將其顯示在調(diào)試器窗口中。

要查找導(dǎo)致硬故障的原因，只需滾動(dòng)跟蹤窗口并找到在轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤處理程序之前執(zhí)行的指令。瞧！這個(gè)指示是罪魁禍?zhǔn)?。如果可以可靠地重現(xiàn)錯(cuò)誤，請(qǐng)?jiān)阱e(cuò)誤處理程序處設(shè)置斷點(diǎn)并消除跟蹤窗口中的所有滾動(dòng) - 罪魁禍?zhǔn)资歉櫞翱谥械牡箶?shù)第二條指令。

現(xiàn)在原因已知，因此可以在罪魁禍?zhǔn)咨显O(shè)置斷點(diǎn)，并再次運(yùn)行測(cè)試用例，以查看導(dǎo)致異常的代碼出了什么問題。

但是，如果您沒有 ETM 怎么辦？大多數(shù)基于 Arm 的設(shè)備都具有串行線輸出 （SWO），允許采樣、低速跟蹤。雖然您沒有收到每一條指令，但這可以提供足夠的跟蹤信息來縮小范圍并定位問題。此外，嘗試降低MCU時(shí)鐘和/或調(diào)整SWO設(shè)置，以便從調(diào)試器中獲取更精細(xì)的跟蹤信息粒度，以查明問題發(fā)生的位置。

其他設(shè)備架構(gòu)具有與 ETM 或 SWO 類似的功能。因此，使用高質(zhì)量的工具可以利用這些信息并快速隔離和消除問題。此外，可用的支持資源有助于提高 SWO 的性能，以保護(hù)更多的跟蹤數(shù)據(jù)。

停止堆棧溢出

堆棧溢出或找出變量神秘丟失其內(nèi)容的原因怎么樣？使用相同的技術(shù)來診斷這兩種情況。

在 Arm 領(lǐng)域，大多數(shù)處理器在其調(diào)試接口中都有一個(gè)數(shù)據(jù)觀察點(diǎn)和跟蹤 （DWT） 塊，可用于快速隔離這些類型的問題。在這種情況下，請(qǐng)使用數(shù)據(jù)觀察點(diǎn)來找出壞事發(fā)生的地方。每當(dāng)接觸一段數(shù)據(jù)時(shí)，此觀察點(diǎn)本質(zhì)上就是一個(gè)斷點(diǎn)。

將選項(xiàng)配置為僅在讀取和/或?qū)懭霐?shù)據(jù)時(shí)中斷執(zhí)行。此外，甚至可以將其限制為僅在數(shù)據(jù)是具有特定位掩碼的特定值時(shí)才中斷。在避免每次訪問數(shù)據(jù)時(shí)都停止時(shí)，這非常方便。

在堆棧溢出的情況下，我們希望在堆棧頂部設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)觀察點(diǎn)。讀取或?qū)懭朐撝挡⒉恢匾驗(yàn)槎褩Ｔ诖a中的那個(gè)點(diǎn)已經(jīng)吹響了。處理器將在堆棧頂部停止執(zhí)行，提供一個(gè)完全保留的調(diào)用堆棧，允許查看哪一段代碼正在吹堆棧以及您如何到達(dá)該點(diǎn)。這是確定如何修復(fù)錯(cuò)誤的關(guān)鍵。

清理整理數(shù)據(jù)

對(duì)于被破壞的數(shù)據(jù)，我們使用基本相同的技術(shù)，只是在該變量經(jīng)歷寫入時(shí)設(shè)置數(shù)據(jù)觀察點(diǎn)。如果始終使用相同的值進(jìn)行破壞，則進(jìn)一步縮小斷點(diǎn)的范圍，僅在將該值寫入變量時(shí)跳閘。然后，再次運(yùn)行我們的測(cè)試用例，找出導(dǎo)致問題的代碼。

同樣，許多其他架構(gòu)（如瑞薩電子RL78、RX和許多其他芯片供應(yīng)商的器件）具有類似的功能，可用于實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果。使用高質(zhì)量的工具，查找這些類型的問題變得更加容易，并增加了滿足緊迫的時(shí)間表和截止日期的幾率。

讓采購(gòu)知道您的關(guān)心

事半功倍似乎是一個(gè)矛盾，但通過使用正確的工具可以輕松實(shí)現(xiàn)。通過使用編譯器優(yōu)化，您可以將代碼硬塞到盡可能小的空間中，以便為您的應(yīng)用程序使用最便宜的設(shè)備。

優(yōu)化還可以幫助桌面檢查您的代碼，以查看它在高優(yōu)化下是否運(yùn)行相同，以便在您將代碼簽入構(gòu)建之前找到潛在的代碼缺陷（從而使每個(gè)缺陷都計(jì)入您的發(fā)布指標(biāo)）。它還通過使用完整的工具箱更快地查找錯(cuò)誤來幫助您更有效地進(jìn)行調(diào)試，從而縮短測(cè)試和修復(fù)周期并更快地啟動(dòng)項(xiàng)目。

如果您知道工具箱中有哪些工具（以及如何正確使用它們），您就可以讓每一分錢都為您的組織發(fā)揮作用。

審核編輯：郭婷