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51单片机C语言编程之内存优化

① 超过变量128后必须使用compact模式编译
实际的情况是只要内存占用量不超过 256.0 就可以用 small 模式编译
② 128以上的某些地址为特殊寄存器使用,不能给程序用
与 PC 机不同,51 单片机不使用线性编址,特殊寄存器与 RAM 使用重复的重复的地址。但访问时采用不同的指令,所以并不会占用 RAM 空间。

本文引用地址:

由于内存比较小,一般要进行内存优化,尽量提高内存的使用效率。

以 Keil C 编译器为例,small 模式下未指存储类型的变量默认为data型,即直接寻址,只能访问低 128 个字节,但这 128 个字节也不是全为我们的程序所用,寄存器 R0-R7必须映射到低RAM,要占去 8 个字节,如果使用寄存组切换,占用的更多。

所以可以使用 data 区最大为 120 字节,超出 120 个字节则必须用 idata 显式的指定为间接寻址,另外堆栈至少要占用一个字节,所以极限情况下可以定义的变量可占 247 个字节。当然,实际应用中堆栈为一个字节肯定是不够用的,但如果嵌套调用层数不深,有十几个字节也够有了。
为了验上面的观点,写了个例子

#define LEN 120
data UCHAR tt1[LEN];
idata UCHAR tt2[127];

void main()
{
UCHAR i,j;

for(i = 0; i < LEN; ++i )
{
j = i;
tt1[j] = 0x55;
}
}

可以计算 R0-7(8) + tt1(120) + tt2(127) + SP(1) 总共 256 个字节

keil 编译的结果如下:
Program Size: data=256.0 xdata=0 code=30
creating hex file from ".\Debug\Test"...
".\Debug\Test" - 0 Error(s), 0 Warning(s).
(测试环境为 XP + Keil C 7.5)

这段代码已经达到了内存分配的极限,再定义任何全局变量或将数组加大,编译都会报错 107

这里要引出一个问题:为什么变量 i、j 不计算在内?
这是因为 i、j 是局部变量,编译器会试着将其优化到寄存器 Rx 或栈。问题也就在这了,如果局部变量过多或定义了局部数组,编译器无法将其优化,就必须使用 RAM 空间,虽然全局变量的分配经过精心计算没有超出使用范围,仍会产生内存溢出的错误!

而编译器是否能成功的优化变量是根据代码来的
上面的代码中,循环是臃肿的,变量 j 完全不必要,那么将代码改成

UCHAR i;
UCHAR j;

for(i = 0; i < LEN; ++i )
{
tt1[i] = 0x55;
}

再编译看看,出错了吧!
因为编译器不知道该如何使用 j,所以没能优化,j 须占 RAM 空间,RAM 就溢出了。
(智能一点的编译器会自动将这个无用的变量去掉,但这个不在讨论之列了)

另外,对 idata 的定义的变量最好放在 data 变量之后

对于这一种定义
uchar c1;
idata uchar c2;
uchar c3;
变量 c2 肯定会以间接寻址,但它有可能落在 data 区域,就浪费了一个可直接寻址的空间
变量优化一般要注意几点:

①让尽可能多的变量使用直接寻址,提高速度
假如有两个单字节的变量,一个长119的字符型数组
因为总长超过 120 字节,不可能都定义在 data 区
按这条原则,定义的方式如下:


data UCHAR tab[119];
data UCAHR c1;
idata UCHaR c2;
但也不是绝的,如果 c1, c2 需要以极高的频率访问,而 tab 访问不那么频繁
则应该让访问量大的变量使用直接寻址:

data UCAHR c1;
data UCHaR c2;
idata UCHAR tab[119];
这个是要根据具体项目需求来确定的

②提高内存的重复利用率
就是尽可能的利用局部变量,局部变量还有个好处是访问速度比较快
由前面的例子可以看出,局部变量 i, j 是没有单独占用内存的
子程序中使用内存数目不大的变量尽量定义为局部变量

③对于指针数组的定义,尽可能指明存储类型
尽量使用无符号类型变量

一般指针需要一个字节额外的字节指明存储类型
8051 系列本身不支持符号数,需要外加库来处理符号数,一是大大降低程序运行效率,二是需要额外的内
④避免出现内存空洞

可以通过查看编译器输出符号表文件(.M51)查看
对前面的代码,M51文件中关于内存一节如下:
* * * * * * * D A T A M E M O R Y * * * * * * *
REG 0000H 0008H ABSOLUTE "REG BANK 0"
DATA 0008H 0078H UNIT ?DT?TEST
IDATA 0080H 007FH UNIT ?ID?TEST
IDATA 00FFH 0001H UNIT ?STACK
第一行显示寄存器组0从地址0000H开始,占用0008H个字节
第二行显示DATA区变量从0008H开始,占用0078H个字节
第三行显示IDATA区变量从0080H开始,占用007F个字节
第四行显示堆栈从00FFH开始,占0001H个字节

由于前面代码中变量定义比较简单,且连续用完了所有空间,所以这里显示比较简单
变量定义较多时,这里会有很多行

如果全局变量与局部变量分配不合理,就有可能出现类似下面的行

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