NiosII处理器软件代码优化方法

引 言
    Altcra公司的NiosII软核处理器具有完全可定制特性、高性能、较低的产品和实旌成本、易用性、适应性以及不会过时等优势。使用NiosII处理器，将不会局限于预先制造的处理器技术，而是根据用户的标准定制处理器，按照需要选择合适的外设、存储器和接口。此外，还可以轻松集成用户专有的功能，使设计具有独特的竞争优势。
    NiosII处理器的软件开发是建立在ANSl C基础上的。NiosII IDE是NiosⅡ系列嵌入式处理器的主要软件开发工具。用户可以在NiosII IDE中完成所有的软件开发任务，如编辑、编译、下载、调试和闪存编程。NiosII嵌入式系统的一个重要问题就是软件代码量的大小，这关系到存放代码的存储器件容量大小，因此控制和减小程序代码量是降低系统成本的重要方法，必须首先从处理器的启动顺序开始研究。

1 NiosII处理器启动顺序和程序入口地址
    NiosII处理器的启动可采用两种方式：自动初始化和用户自定义初始化。ANSI C标准定义应用程序可以通过调用main()来开始执行。在调用main()之前，应用程序假定运行环境和所有的服务系统都被初始化并准备运行。初始化可以被硬件抽象层(HAL)系统库自动执行。程序员不需要考虑系统的输出设备以及如何初始化每一个外设，HAL会自动初始化整个系统。
    另外，ANSIC标准也提供了一个可变的入口点程序，以避免自动初始化。ANSI C标准还定义程序员能手动初始化任何所用的硬件。alt_main()函数提供了一个独立式的编程环境，能够完全控制系统的初始化。独立式编程环境可以使程序员手动编写初始化系统的代码。
    HAL提供的系统初始化代码按以下启动顺序运行：
    ①启动指令和数据高速缓冲存储器；
    ②配置堆栈；
    ③配置全局指针；
    ④通过链接器提供的_bss_start和_bss_end来零初始化BSS层，_bss_stan和_bss_end是开始和结束BSS的命令；
    ⑤如果当前系统没有启动下载器，就复制．rwdata、．rodata，或者剩下的部分到RAM；
    ⑥调用alt_main()。
    如果不调用alt_main()函数，则系统默认运行步骤如下：
    ①调用ALT_OS_INIT()来执行任何操作系统所特有的初始化。如果HAL是在操作系统里运行的，那么初始化alt_fd_list_lock命令。它町以控制访问HAL文件系统，初始化中断控制器并执行中断。
    ②调用alt_sys_init()函数，以初始化系统里所有的驱动装置和软件组成部分。
    ③重新设置C标准I／O通道(stdin，stdout，stderr)，以使用合适的器件。
    ④调用main()。
    ⑤调用exit()。rnain()的返回代码作为exit()的输入。
    在NiosII IDE工程中，只需简单定义alt_main()就可以实现用户的启动顺序，而且能够选择HAL的服务程序。如果应用程序需要一个alt_main()入口点程序，可以复制默认的执行作为开始点，根据要求来定制它。
    alt_main()这个函数是不能返回的，其原型是：voidalt_main()。
    使用独立式编程环境会增加NiosII程序编写的复杂性。独立式编程环境的主要作用在于减小代码量，但要使用这种方法，需要对NiosII处理器的外设和驱动编写都非常熟悉才行。
    在NiosII IDE中也可以通过某些选项来减小HAL系统库容量，从而达到减小代码量的目的，比使用独立式编程环境容易得多。

2 减小代码量的方法
2．1 打开编译器优化选项
    在nios2-elf-gcc编译器中使用“-O3”选项，代码可以被最大限度地优化，包括代码的大小和执行速度。需要注意的是，编译器优化可能会带来一些意想不到的结果。另外，必须在用户工程和系统库中都使用-O3选项，如图l所示。

2．2 使用小封装的驱动库
    HAL为处理器的外没提供了两种驱动库：一种是执行速度快，但代码量大的版本；另一种是小封装版本。默认情况下，HAL系统使用是代码量大的版本，可以选择Reduced device drivers选项来选择小封装版本，从而减小代码量，如图2所示。

2．3 使用新的C语言库
    完整的ANST C标准库通常不适用于嵌入式系统，HAL提供了一系列经过裁减的新的ANSI C标准库，占用非常小的代码量。可以选择Small C library选项来选择新的ANSI C标准库，如图3所示。

图3  选择新的ANSI C标准库

2．4 去掉不使用的驱动库
    当NiosIl系统中有外设时，NiosII IDE认为这些设备需要驱动，因此在HAL系统中加入了相应的驱动库。如果在用户的程序中并不需要使用到这些外设，也可以在初始化时不加载这些驱动库。
    当用户的程序并没有使用到NiosII系统中某些设备(如SPI通信接口)时，应在系统中将这些设备完全移除。这样，既可以减小软件代码量，又可以减少占用的FPGA资源。最常见的一个例子就是系统中的F1ash存储芯片。在用户程序中通常不会对Flash芯片进行写操作，因此不需要加载Flash驱动库，可以在工程属性的preprocessor选项中加入“-DALT_NO_CFI_FLASH”，使得HAL系统不将Flash芯片驱动加入系统库中。
2．5 使用_exit()函数
    在默认情况下，HAL系统会调用exit()函数作为用户程序的结束。exit()函数主要完成两部分工作：清除所有C语言库中的I／O缓存；调用在atexit()函数中的所有函数。实际上，相当于main()函数中return语句在执行之前必须要完成的工作。 
    而在嵌入式系统中用户程序是不会退出main()函数的，所以exit()这段代码是多余的，可以去掉。在用户程序中可以用_exit()来代替exit()，_exit()程序不执行任何操作且无需对用户程序做改动，只需在工程属性的pre-processor选项中加入“-Dexit=_exit”。 

3 总 结
    通过上述方法，对一个简单的helloworld程序进行代码量优化。程序如下：

   
    在未进行任何优化之前，编译完成后代码量为68 KB：在经过上述优化方法编译之后，代码量变为7044字节。由此可见，上述优化方法十分有效，代码量减小为原来的1/10，在NosII嵌入式系统中有重要的实用价值。