Nios II 軟體代碼優化方法

　Altera公司的NiosII軟核處理器具有完全可定製特性、高性能、較低的產品和實施成本、易用性、適應性以及不會過時等優勢。使用NiosII處理器，將不會局限於預先製造的處理器技術，而是根據用戶的標準定製處理器，按照需要選擇合適的外設、存儲器和介面。此外，還可以輕鬆集成用戶專有的功能，使設計具有獨特的競爭優勢。
　NiosII處理器的軟體開發是建立在ANSI C基礎上的。NiosII IDE是NiosII系列嵌入式處理器的主要軟體開發工具。用戶可以在NiosII IDE中完成所有的軟體開發任務，如編輯、編譯、下載、調試和快閃記憶體編程。NiosII嵌入式系統的一個重要問題就是軟體代碼量的大小，這關係到存放代碼的存儲器件容量大小，因此控制和減小程序代碼量是降低系統成本的重要方法，必須首先從處理器的啟動順序開始研究。

1  NiosII處理器啟動順序和程序入口地址
　NiosII處理器的啟動可採用兩種方式：自動初始化和用戶自定義初始化。ANSI C標準定義應用程序可以通過調用main()來開始執行。在調用main()之前，應用程序假定運行環境和所有的服務系統都被初始化並準備運行。初始化可以被硬體抽象層（HAL）系統庫自動執行。程序員不需要考慮系統的輸出設備以及如何初始化每一個外設，HAL會自動初始化整個系統。
　另外，ANSI C標準也提供了一個可變的入口點程序，以避免自動初始化。ANSI C標準還定義程序員能手動初始化任何所用的硬體。alt_main()函數提供了一個獨立式的編程環境，能夠完全控制系統的初始化。獨立式編程環境可以使程序員手動編寫初始化系統的代碼。
HAL提供的系統初始化代碼按以下啟動順序運行：

1.  啟動指令和數據高速緩衝存儲器；
2.  配置堆棧；
3.  配置全局指針；
4.  通過鏈接器提供的_bss_start和_bss_end來零初始化BSS層，_bss_start和_bss_end是開始和結束BSS的命令；
5.  如果當前系統沒有啟動下載器，就複製.rwdata、.rodata，或者剩下的部分到RAM；
6.  調用alt_main()。

　如果不調用alt_main()函數，則系統默認運行步驟如下：

1.  調用ALT_OS_INIT()來執行任何操作系統所特有的初始化。如果HAL是在操作系統里運行的，那麼初始化alt_fd_list_lock命令。它可以控制訪問HAL文件系統，初始化中斷控制器並執行中斷。
2.  調用alt_sys_init()函數，以初始化系統里所有的驅動裝置和軟體組成部分。
3.  重新設置C標準I/O通道（stdin，stdout，stderr）,以使用合適的器件。
4.  調用main()。
5.  調用exit()。main()的返回代碼作為exit()的輸入。

　在NiosII IDE工程中，只需簡單定義alt_main()就可以實現用戶的啟動順序，而且能夠選擇HAL的服務程序。如果應用程序需要一個alt_main()入口點程序，可以複製默認的執行作為開始點，根據要求來定製它。
　alt_main()這個函數是不能返回的,其原型是：void alt_main()。
　使用獨立式編程環境會增加NiosII程序編寫的複雜性。獨立式編程環境的主要作用在於減小代碼量，但要使用這種方法，需要對NiosII處理器的外設和驅動編寫都非常熟悉才行。在NiosII IDE中也可以通過某些選項來減小HAL系統庫容量，從而達到減小代碼量的目的，比使用獨立式編程環境容易得多。

2 減小代碼量的方法
2.1 打開編譯器優化選項
　在nios2-elf-gcc編譯器中使用“-O3”選項，代碼可以被最大限度地優化，包括代碼的大小和執行速度。需要注意的是，編譯器優化可能會帶來一些意想不到的結果。另外,必須在用戶工程和系統庫中都使用-O3選項,如圖1所示。
 
圖1 使用-O3選項

2.2 使用小封裝的驅動庫
　HAL為處理器的外設提供了兩種驅動庫：一種是執行速度快，但代碼量大的版本；另一種是小封裝版本。默認情況下，HAL系統使用是代碼量大的版本。可以選擇Reduced device drivers選項來選擇小封裝版本，從而減小代碼量，如圖2所示。
 
圖2 選擇小封裝版本

2.3 使用新的C語言庫
　完整的ANSI C標準庫通常不適用於嵌入式系統，HAL提供了一系列經過裁減的新的ANSI C標準庫，佔用非常小的代碼量。可以選擇Small C library選項來選擇新的ANSI C標準庫，如圖3所示。
 
圖3 選擇新的ANSI C標準庫

2.4 去掉不使用的驅動庫
　當NiosII系統中有外設時，NiosII IDE認為這些設備需要驅動，因此在HAL系統中加入了相應的驅動庫。如果在用戶的程序中並不需要使用到這些外設，也可以在初始化時不載入這些驅動庫。
　當用戶的程序並沒有使用到NiosII系統中某些設備（如SPI通信介面）時，應在系統中將這些設備完全移除。這樣，既可以減小軟體代碼量，又可以減少佔用的FPGA資源。最常見的一個例子就是系統中的Flash存儲晶元。在用戶程序中通常不會對Flash晶元進行寫操作，因此不需要載入Flash驅動庫，可以在工程屬性的preprocessor選項中加入“DALT_NO_CFI_FLASH”，使得HAL系統不將Flash晶元驅動加入系統庫中。

2.5 使用_exit()函數
　在默認情況下，HAL系統會調用exit()函數作為用戶程序的結束。exit()函數主要完成兩部分工作：清除所有C語言庫中的I/O緩存；調用在atexit()函數中的所有函數。實際上，相當於main()函數中return語句在執行之前必須要完成的工作。
　而在嵌入式系統中用戶程序是不會退出main()函數的，所以exit()這段代碼是多餘的，可以去掉。在用戶程序中可以用_exit()來代替exit()，_exit()程序不執行任何操作且無需對用戶程序做改動，只需在工程屬性的preprocessor選項中加入“Dexit=_exit”。

3 總結
　通過上述方法，對一個簡單的helloworld程序進行代碼量優化。程序如下：
#include<stdio.h>
int main()
{
　printf("Hello from NiosII! ");
　return 0;
}
　在未進行任何優化之前，編譯完成後代碼量為68 KB；在經過上述優化方法編譯之後，代碼量變為7044位元組。由此可見，上述優化方法十分有效，代碼量減小為原來的1/10，在NiosII嵌入式系統中有重要的實用價值。