嵌入式软件代码压缩手艺分解

在32位嵌入式措置器中，arm、mips以及powerpc曾是首先寻找出降低其存储器耗损、提高代码密度体例的几种措置器。更早一些的措置器，如摩托罗拉的68k系列以及英特尔的x86系列，并不需要代码压缩。事实上，其尺度代码密度都比risc措置器的代码压缩模式还要高。
易于使用的thumb手艺
我们先从arm的代码压缩方案(thumb)讲起，因为其使用普遍、有很好的撑持，是一个典型措置器代码压缩方案，并相当精练、有用。
thumb现实上是添加到arm的尺度risc指令集之上的自力指令集。在你的代码中，你可以经由过程一条模式切换指令在这两种指令集之间进行切换。thumb指令集架构(instruction set architecture, isa)是由年夜约36条16位指令组成，仅靠这些指令是完成不了太多使命的，但thumb指令集搜罗了根基的加法、减法、轮回移位以及跳转指令。经由过程使用这些较短的指令替代arm尺度的32位指令，可以将某些代码的规模减小年夜约20%到30%。但有一些问题需要引起注重：
首先，thumb代码和尺度arm代码不能混杂使用，必需显式地在两种模式间进行切换，就仿佛thumb是一套完全分歧的指令集(现实上也是)。这迫使轨范员将所有的16位代码与32位代码分隔并隔离到自力的模块中。
其次，因为thumb是经由简化和精简的指令集架构，在thumb模式中无法完成所有你但愿的工作。thumb模式无法进行诸如措置间断、长跳转、原子存储器(atomic memory)操作，或协措置器操作等。thumb有限的指令意味着仅对根基的算术和逻辑操作有用，其他的任何工作必需使用arm的尺度32位指令集来完成。
thumb的限制不仅默示在指令集上，当处于thumb模式中，arm措置器将仅有8个寄放器(而不是16个)，这些寄放器无法像尺度模式下 arm代码那样进行前提执行和移位或轮回移位操作。在尺度arm代码和thumb代码间进行参数传递并不坚苦，只要将参数放到仓库中或经由过程措置器的前8个寄放器就可以了。
从尺度模式到thumb模式之间的往返切换也要耗损时刻，而且还要增添代码。此外，还需要几十个前导(preamble)以及后同步指令 (postamble)来组织指针并清空cpu的流水线。若是在thumb模式中运行的代码小于几十条指令，就不值得为之支出这样的开销。
最后，thumb还对于机能有着少许的影响。凡是，使用thumb指令对代码进行压缩会导致代码运行速度降低年夜约15%，这主若是因为在16位模式和32位模式间切换所引起的。thumb指令还不如32位的尺度指令矫捷，是以，和32位代码对比，经常需要更多的指令来完成同样的工作。从积极的一方面来说，因为其指令长度只有32位指令集的一半，thumb使得缓存的使用效率更高。
若是使命能够在这些限制下完成，thumb可以节约不少成本。thumb手艺已经获得每一款arm措置器的撑持，无论用户使用与否，年夜都arm编译器以及汇编轨范都撑持thumb指令集。是以，采用thumb的体验应该相当轻松。
mips措置器
理解了thumb手艺后，mips16e就没什么别致的了。一些mips措置器中增添了此外的16位指令集，与arm系统很是近似。 mips16e指令集搜罗了一组16位的尺度mips算法、逻辑以及跳转指令的简化版本。其使用和thumb一样，也需要在尺度模式和mips16e模式之间往返切换，这也将导致支出时刻和增添代码的开销。除非能在“压缩”模式上运行相当长时刻，否则没有需要进行模式切换。其代码压缩效率和arm差不多，对于年夜都轨范而言，也是20%到30%。
mips16e和thumb都不能对代码进行真正的压缩，它们只是对部门指令供给了可替代的操作码，而且获得的压缩比是依靠于短操作码和长操作码的总长度的比值。也就是说，依靠于代码所完成的使命，诸如操作系统和间断措置例程等系统级代码根柢就不能使用16位指令，是以不能获得代码压缩下场。一般的算法，只要不使用任何年夜操作数，就能获得很好的压缩效率。最后，别忘了数据是无法进行压缩的，只有代码能够被压缩。若是你应用代码中搜罗了年夜量的静态数据结构，所能获得的总存储器节约长短常小的。还有，15%的机能损失踪也许很不值得。另一方面，mips16e和thumb都是免费的(假定你的措置器已经包含了它们)，选用它们的成本很是低。
powerpc的codepack手艺
值得提前声名的是，ibm的codepack体例是各类代码压缩手艺中最复杂的。与thumb和mips16e分歧，codepack系统是真正对运行代码进行压缩，就仿佛在powerpc软件中运行winzip。codepack会剖析并压缩整个轨范，生成的用户代码必需在运行中解压缩并执行压缩版本。尽管很复杂，codepack和其它手艺一样供给20%到30%的空间节约。
codepack是一项很有吸引力的手艺。在使用该手艺时，只须和泛泛一样使用尺度工具编译嵌入式powerpc代码就行，codepack甚至对已有的代码也能使用(无论有没有源代码)。在将代码写入rom或装入磁盘之前，运行codepack压缩工具对代码进行压缩。压缩工具会剖析代码指令的分布并生成一对专门针对这个轨范代码的键值。当运行压缩后的代码时，拥有codepack功能的措置器使用这一对键值来在运行中解开压缩的代码，就仿佛直接运行压缩后的代码。解压缩会对措置器的流水线发生很小的延迟，可是其影响被取指延迟以及其它延迟所袒护。对于绝年夜年夜都应用，codepack带来的性能影响是可以忽略的。
可是，codepack还有一些其它的影响。因为每一个压缩的轨范都有其零丁的压缩键值，codepack素质上既是压缩系统也是加密系统。没有键值，无论你自己仍是其它任何人都无法运行响应的轨范。若是丢失踪了或者未获得响应的键值，压缩后的轨范只是一堆无用的乱码，这也意味着压缩后的 powerpc轨范不是二进制代码兼容的。除非同时搜罗其解压缩键值，否则无法等闲地和其它系统交流压缩后的轨范。这会使嵌入式系统软件的现场分配稍微有些复杂。
此外，codepack为每个轨范生成两个键值是因为指令的高16位和低16位是分袂进行压缩的。ibm的工程师发现每一条powerpc指令的高半字(操作码就在其中)和低半字(其内容凡是为操作数、偏移量或掩码)的分布频度是纷歧样的。对它们分袂使用分歧的压缩算法会使压缩下场比仅使用任何单一算法要好，这就是codepack对轨范所做的事。
arcompact
arc international公司又采用了此外的代码压缩体例。因为arctangent措置器有用户可界说的指令集，arc(及其用户)可以对指令集进行随心所欲的改削。作为arcompact，arc公司抉择插手一组16位指令来改良其措置器的代码密度。
而arcompact与thumb以及mips16e的区别在于可以将16位代码和32位代码肆意混杂。因为没有模式切换，代码中肆意分布的少许16位指令无须为之支出什么开销。在任何可能的情形下，arc的编译器的默认设置装备摆设会发生16位操作(为了强制编译器生成32位代码或与旧的措置器连结兼容，你可以关失踪这个功能)。
arc可以同化分歧长度代码而不必支出响应的开销，是因为其指令架构要比arm和mips新。那些risc架构的指令集(搜罗powerpc) 在指令字中没有指明指令长度的位。诸如arc或tensilica的新伪risc架构，以及像x86和68k旧的架构拥有这些位。无论是出于无意仍是远见，变长度指令架构因为更紧凑的代码而具优势。
thumb的改良版--thumb-2
就在比来，arm对其代码压缩系统进行了刷新并发布了thumb-2。thumb-2并不是thumb的进级，相反，它是另起炉灶，而且可以完全庖代thumb和原先的arm指令集。thumb-2有些近似arcompact或摩托罗拉的68k，可以无需模式切换就运行16位与32位同化代码。总的来说，thumb-2供给的代码压缩效率要略差，但其机能损失踪也较小。
为了做到这一点，arm需要在其操作码映射中找到一个打破口(hole)，他们在bl指令(条转并毗连指令，是thumb和arm模式之间切换的指令)中找到了需要的打破口。在原有的指令集中，bl指令有一些位没有使用，这些原先不决义的位给全新的指令集供给了切换进口。其编码确实不怎么样，但确实很有用。
thumb-2最年夜的优势在于它是一套完整的指令集，轨范无需切换回“尺度”32位arm模式，原先thumb模式的限制再也没有了。轨范此刻可以措置间断、设置mmu、打点缓存，和真正的微措置器并没什么分歧。
thumb-2仍是需要损失踪必然的机能。尽管没有了模式切换开销，与尺度arm代码对比，它仍是要破耗多一些的thumb-2指令来完成特定的使命。对于arm措置器而言，这些额外的指令(以及额外的周期)会使速度降低年夜约15%到20%