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嵌入式系统的性能该如何优化和进步?

  • 发布:嵌入式培训
  • 来源:嵌入式教程
  • 时间:2017-12-29 16:05

嵌入式系统的启动速度因设备的性能和代码的质量而异,但总体而言,从消费者的角度考虑,系统的启动速度肯定是越快越好。因此,对嵌入式系统进行性能优化,加快设备的启动时间为项目后期必须进行的一项工作。需要注意的是:嵌入式Linux设备的优化不是一蹴而就的,而是一个不断优化,不断改进的过程。

启动快慢的标准

设备启动的快慢目前还没有一个统一的标准。在项目中一般按照客户的标准。

性能的评测

对于开发人员来说,评价设备的性能一般是通过在代码中增加log的方式。这种方式具有以下几点优点:

1.精确度高

通常能够精确到毫秒。有特殊需求的情况下,可以精确到毫秒,比如使用gettimeofday函数。

2.灵活性强

可以测出代码中任意部分的代码运行所耗费的时间。

在嵌入式设备中,导入设备启动时间过长,性能低下的原因一般包括如下几个方面:

1.硬件的原因

硬件的原因一般指的是设备的CPU及Flash性能。如果代码的运算量很大,碍于CPU和Flash的性能,会导致CPU过于繁忙。有些设备碍于成本的原因,Flash太小,很多东西都需要压缩存放,那么在设备启动过程中,解压也需要一定的时间。

2.程序的原因

代码需要进行大量的IO操作,比如读写文件,内存访问等等,CPU更多的时候处于等待状态。而有些代码,由于编写的原因,导师各个进程之间相互等待,CPU利用率低下,制约了设备的性能。

优化的原则

优化并不能盲目的优化,盲目追求性能,还要统筹考虑。一般要遵循以下原则:

1.等效性原则

优化前后的代码实现的功能要完全一致。

2.有效性原则

优化后的代码一定要比原先的代码运行速度快,占用存储空间小,或者二者兼有,否则就是毫无意义的优化。

3.经济性原则

很多代码性能低下的部分原因也是由于硬件性能的限制,比如将文件压缩存放以节约存储成本。优化要在现有的条件下考虑,不要以更换存储空间的大小来换取解压的时间。优化要付出较小的代价,很多程序员在做优化的时候,抱怨设备的性能有限,要求提高设备的性能,这样只能是本末倒置。

优化的方法

此处提出的优化的方法主要是从代码的角度考虑,不包括升级硬件。

shell 脚本优化:

绝大多数的嵌入式设备都会使用busybox作为实现Linux命令的工具,因此BusyBox提供了一个比较完善的环境,可以适用于任何小的嵌入式系统。

BusyBox 是一个集成了一百多个最常用linux命令和工具的软件。BusyBox 包含了一些简单的工具,例如ls、cat和echo等等,还包含了一些更大、更复杂的工具,例grep、find、mount以及telnet。有些人将BusyBox称为Linux工具里的瑞士军刀。简单的说BusyBox就好像是个大工具箱,它集成压缩了Linux的许多工具和命令,也包含了Android系统的自带的shell。

BusyBox包含三种类型的命令:

APPLET

即为人所熟知的applets,它由BusyBox创建一个子进程,然后调用exec执行相应的功能,在执行完毕后,返回控制给父进程。

APPLET_NOEXEC

系统将调用fork创建子进程,然后执行BusyBox中相应的功能,在执行完毕后,返回控制给父进程。

APPLET_NOFORK

它相当于builts-in,只是执行BusyBox的内部函数,不必创建子进程,所以其效率极高。

众所周知,在Linux中调用fork,exec是很耗费时间的,所以我们应该尽可能的使用APPLET_NOFORK命令,其次是APPLET_NOEXEC,最后是APPLET。

在BusyBox1.9中,属于APPLET_NOFORK的功能有:

属于APPLET_NOEXEC的功能有:

所以优化shell脚本的策略一般有:

优化进程启动速度

进程的启动过程如下:

要加快的进程的启动速度,可以从以下几方面入手:

1.减少加载的动态库的数量

a) 使用dlopen,将启动时不需要的动态库延后加载

b) 将一些动态库改为静态库

优点:减少了加载动态库的数量;在与其他动态库合并之后,动态库内部的函数之间不必再进行动态链接、符号查找,从而提高速度

缺点:该动态库如果被多个动态库或进程所依赖的话,那么该动态库将被复制多份合并到新的动态库中,导致整体的文件大小增加,占用更多的Flash。

失去了动态库原有的代码段内存共享,因此可能会导致内存使用上的增加。

2 优化加载动态库时的搜索路径

a) 设置LD_HWCAP_MASK,禁掉一些不用的硬件特性。

b) 将所有的动态库都放在一个目录下,并且将目录放在LD_LIBRARY_PATH的开始。

c) 不能放在一个目录下,在进程中加入-rpath选项,指定搜索路径。如果做了之前的工作仍然无法满足进程启动速度的要求,那就从进程的调度上下功夫,可以:进程改为线程;可以把原来的进程分割为两个部分。

常驻内存部分:其为daemon进程,主要负责加载进程所需要的动态库,侦听用户信号,创建和销毁用户逻辑线程。完成用户逻辑部分: 由daemon部分创建线程,按用户需求完成用户逻辑,这样就节省掉了加载动态库、初始化动态库和全局变量部分,可以缩短进程的响应时间,来满足用户的需求。

还可以再引申一下,将原来的多个daemon进程的常驻内存部分进行合并,根据用户逻辑需求,创建不同的进程。

优点:创建线程时,不需要重新加载动态库,故缩短了进程的响应时间;多个业务逻辑共享动态库时,避免了系统为每个业务逻辑创建动态库的数据段,从而节省了大量的内存。

缺点:由原来的进程改为线程,工作量比较大,代码修改上存在一定的风险,多个业务逻辑线程之间共享动态库时,有可能会带来全局变量的冲突。

由于还是存在daemon进程部分,所以其堆栈内存不会被释放,多个业务逻辑线程所存在内存泄露会纠缠在一起,从而使问题更加复杂。

3.preload进程

在进程的main函数中插入一行语句:

pause();

这样,当进程启动时,加载完动态库后,就会停在这里,不会运行用户逻辑。当我们需要相应用户时,向该进程发送一个信号,这样用户就会继续前进,处理用户逻辑,这样就节省了进程加载动态库的过程。

当用户逻辑执行完成后,就退出进程,同时再启动该进程,这是进程会在加载完动态库后,停留在那里。

提前加载,延后退出。

当进程启动需要较长时间时,很多程序员仅仅想到了将其提前加载(在开机时启动),却没有想到退出条件,而导致进程中又多了一个daemon进程。 因此提前加载,延后退出需要更加精确的控制进程的生命周期。

调整CPU频率:

嵌入式设备中,CPU一般有几个工作频率

CPU频率越高,运行速度越快,耗电量越高

可以再启动前调高CPU频率,在完成后再调低CPU频率

这种方法以耗电量增加为代价,在某些场合下不适用

4.优化代码

if表达式

从左到右对表达式求值,当结果确定后也就不在需要计算其他的表达式,也就是常说的“短路”机制,因此对于if语句可以做以下优化:

删除冗余条件

删除肯定不成立的条件

利用短路机制,将计算速度最快的表达式放在左边

循环语句的优化:

将不变的代码移到循环之外

将分支语句提到循环的外面

通过循环分支的展开,可以降低循环次数,从而减少分支语句对循环的影响

用减1指令替代循环加1指令

寄存器的使用遵循ATPCS标准。

ATPCS标准是嵌入式开发应尽量遵循的标准。

子程序间通过寄存器R0——R3来传递参数。

被调用的子程序在返回前无需恢复寄存器R0——R3的内容。

在子程序中,使用寄存器R4——R11来保存局部变量。

如果在子程序中使用了寄存器R4——R11的某些寄存器,子程序进入时必须保存这些寄存器的值,在返回前必须恢复这些寄存器的值,对于子程序中没有用到的寄存器则不必进行这些操作。

R12用作子程序间scratch寄存器,记作ip。

在子程序间的连接代码段经常使用这些规则。

R13用作数据栈指针,记作sp。

在子程序间寄存器R13不能用作其他用途。

R14成为连接寄存器,记作lr。

它用来保存子程序的返回地址。

R15是程序计数器,记作pc。

子程序返回结果为一个32位整数时,可以通过寄存器R0返回;结果为一个64位整数时,可以通过寄存器R0和R1返回,以此类推。

5.函数参数优化

函数的参数最好不超过4个;4个以下的形参可以通过寄存器来传递,4个以上的参数,则需要通过栈来传递。同时,如果参数小于4个,R0-R4中剩余的寄存器可以保存函数中的局部变量。

6.减少局部变量的个数

尽量限制函数内部循环所用的局部变量的数目,最多不超过12个,以便编译器能把变量分配到寄存器。

如果没有局部变量保存到栈中,系统也将不必设置和恢复栈指针。

当函数内部寄存器变量多于12个时,并不意味着只是将前面的12个临时变量分配寄存器,之后的临时变量都是通过栈内存来操作。

当寄存器分配完内存后,遇到新的临时变量时,先查看已分配寄存器的局部变量是否有在后面的代码中不会被使用,则新的局部变量使用其所占用的寄存器。如果也纷纷寄存器的局部变量在后面的代码中都要使用,则要选择出一个临时变量,将其保存到栈中,之后将其使用的寄存器分配给局部变量。

7.文件操作的优化

读写文件时,缓冲区的buffer为2048或4096时,速度最快

利用mmap读写文件

mmap的基本流程是:

8.线程的优化

线程的创建是要付出代价的,如果创建的线程只做很少的事情,而又频繁的创建和销毁线程,是得不偿失的

使用异步IO,来取代多线程+同步IO的方式

使用线程池取代线程的创建和销毁

9.内存操作的优化

内存访问流程 :

CPU试图访问一块内存

CPU首先确认该内存是否已经被加载到cache中

如果加载到cache中,则直接在cache中定位

如果未加载到cache中,则通过CPU和内存直接的地址总线,向内存发送地址的高27位地址

当内存收到高27位地址后,利用SDRAM的突发交换模式,将连续的32个字节传送给CPU的cache,填充一个缓存行

CPU可以通过地址的高27位来定位cache的缓存行,利用地址的低5位定位到缓存行中具体的字节

尽量使用占用内存少的算法

利用流水线内存存取与计算并行的特点,组合内存访问与计算

10.调整进程的优先级

Linux支持两种进程:实时进程和普通进程。

实时进程的优先级是静态设定的,而且始终大于普通进程的优先级。对于实时进程来讲,其使用绝对优先级的概念,绝对优先级的取值范围是0——99,数字越大,优先级越高。

普通进程的绝对优先级取值是0。在普通进程之间,其又具备静态优先级和动态优先级之分。静态优先级,我们可以通过程序来修改。同事系统在运行过程中,会在静态优先级基础上,不断动态计算出每个进程的动态优先级,拥有最高动态优先级的进程进程被调度器选中。一般来讲,静态优先级越高,进程所能分配的时间片越长。

尽量不要把某些进程放到启动脚本中,尝试daemon进程在第一次使用时启动。

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