СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПИЛЯТОРОВ ДЛЯ ATMEL AVR

Пользователь habrahabr.ru Дмитрий Int_13h

В статье habrahabr.ru/post/151544/ и комментариях к ней возник вопрос, почему разные компиляторы выдают код не только разного размера, но и разной эффективности. Если с первым фактором еще можно мириться, то второй может свести все ваши усилия в написании программы на нет. Это на PC еще можно добавить памяти до 32 Гб и поставить 16 ядерный процессор на 10 ГГц, чтобы косынка на NET8.0 не тормозила, а embedded система — девица более изысканная и утонченная.

Итак, сравниваем компиляторы:

1. BASCOM-AVR

2. Wiring

3. С CodeVisionAVR.

Прошивки, любезно предоставленные для исследования товарищем vvzvlad, дизассемблируем с помощью инструмента всех времен и народов IDA. Исходные коды приведены в комментарии habrahabr.ru/post/151544/#comment_5141741. В результате изучения ассемблерных «исходников» можно отметить, что BASCOM и С CVAVR делают практически одинаковый и эффективный код, ардуиновский Wiring по сравнению с ними ловит тунцов. :)

Аперитив

Коды инициализации особого интереса не представляют, но они есть. BASCOM и C используют только то, что требуется программе, Wiring имеет чуть более чем больший инициализационный код, а также обрабатывает прерывание по таймеру Timer0, хотя в программе он нам не нужен.

К примеру, инициализация по версии BASCOM:

ROM:0034 __RESET: ; CODE XREF: ROM:0000 ROM:0034 ser r24 ROM:0035 out SPL, r24 ROM:0036 ldi r28, -0x20 ; 'р' ROM:0037 ldi r30, -0x38 ; 'L' ROM:0038 mov r4, r30 ROM:0039 ldi r24, 4 ROM:003A out SPH, r24 ROM:003B ldi r29, 4 ROM:003C ldi r31, 4 ROM:003D mov r5, r31 ROM:003E wdr ROM:003F in r24, MCUSR ROM:0040 mov r0, r24 ROM:0041 andi r24, -9 ROM:0042 out MCUSR, r24 ROM:0043 ldi r24, 0x18 ROM:0044 clr r25 ROM:0045 sts WDTCSR, r24 ROM:0047 sts WDTCSR, r25 ROM:0049 ldi r30, -2 ; '¦' ROM:004A ldi r31, 3 ROM:004B ldi r26, 0 ROM:004C ldi r27, 1 ROM:004D clr r24 ROM:004E ROM:004E loc_4E: ; CODE XREF: __RESET+1C ROM:004E st X+, r24 ROM:004F sbiw r30, 1 ROM:0050 brne loc_4E ROM:0051 clr r6 ROM:0052 sbi DDRB, DDB5

Cи CVAVR хочет от мелкоконтроллера почти того же самого, но кода побольше:

ROM:0034 __RESET: ; CODE XREF: ROM:0034 cli ROM:0035 clr r30 ROM:0036 out EECR, r30 ROM:0037 ldi r31, 1 ROM:0038 out MCUCR, r31 ROM:0039 out MCUCR, r30 ROM:003A ldi r31, 0x18 ROM:003B wdr ROM:003C in r26, MCUSR ROM:003D andi r26, -9 ROM:003E out MCUSR, r26 ROM:003F sts WDTCSR, r31 ROM:0041 sts WDTCSR, r30 ROM:0043 ldi r24, 0xD ROM:0044 ldi r26, 2 ROM:0045 clr r27 ROM:0046 ROM:0046 loc_46: ; CODE XREF: __RESET+14 ROM:0046 st X+, r30 ROM:0047 dec r24 ROM:0048 brne loc_46 ROM:0049 ldi r24, 0 ROM:004A ldi r25, 4 ROM:004B ldi r26, 0 ROM:004C ldi r27, 1 ROM:004D ROM:004D loc_4D: ; CODE XREF: __RESET+1B ROM:004D st X+, r30 ROM:004E sbiw r24, 1 ROM:004F brne loc_4D ROM:0050 ldi r30, 0 ROM:0051 out GPIOR0, r30 ROM:0052 ser r30 ROM:0053 out SPL, r30 ROM:0054 ldi r30, 4 ROM:0055 out SPH, r30 ROM:0056 ldi r28, 0 ROM:0057 ldi r29, 2 ROM:0058 jmp loc_5A ROM:005A ROM:005A loc_5A: ROM:005A ldi r30, -0x80 ; 'А' ROM:005B sts CLKPR, r30 ROM:005D ldi r30, 0 ROM:005E sts CLKPR, r30 ROM:0060 ldi r30, 0x20 ; ' ' ROM:0061 out DDRB, r30

Инициализация Wiring №7:

ROM:0061 __RESET: ; CODE XREF: j___RESET ROM:0061 ROM:0061 ; FUNCTION CHUNK AT ROM:015B SIZE 00000002 BYTES ROM:0061 ROM:0061 clr r1 ROM:0062 out SREG, r1 ROM:0063 ser r28 ROM:0064 ldi r29, 4 ROM:0065 out SPH, r29 ROM:0066 out SPL, r28 ROM:0067 ldi r17, 1 ROM:0068 ldi r26, 0 ROM:0069 ldi r27, 1 ROM:006A ldi r30, -0x46 ; '¦' ROM:006B ldi r31, 2 ROM:006C rjmp loc_6F ROM:006D ; --------------------------------------------------------------------------- ROM:006D ROM:006D loc_6D: ; CODE XREF: __RESET ROM:006D lpm r0, Z+ ROM:006E st X+, r0 ROM:006F ROM:006F loc_6F: ; CODE XREF: __RESET ROM:006F cpi r26, 0 ROM:0070 cpc r27, r17 ROM:0071 brne loc_6D ROM:0072 ldi r17, 1 ROM:0073 ldi r26, 0 ROM:0074 ldi r27, 1 ROM:0075 rjmp loc_77 ROM:0076 ; --------------------------------------------------------------------------- ROM:0076 ROM:0076 loc_76: ; CODE XREF: __RESET+18 ROM:0076 st X+, r1 ROM:0077 ROM:0077 loc_77: ; CODE XREF: __RESET+14 ROM:0077 cpi r26, 9 ROM:0078 cpc r27, r17 ROM:0079 brne loc_76 ROM:007A call sub_C9 ROM:007C jmp loc_15B

За строкой «007A call sub_C9» притаились вложенные функции, которые что-то зачем-то инициализируют ;) Но, собственно, какие проблемы, стартовать системе 1 мс или 10 мс или даже 100 мс? Подробные подробности следующим письмом оставим на закуску.

Основное блюдо

Что делает с полезным кодом компилятор BASCOM:

1.hex

Do Portb = 0 Portb = 255 Loop

Превращается в:

ROM:0053 loc_53: ; CODE XREF: __RESET+23 ROM:0053 ldi r23, 0 ROM:0054 out PORTB, r23 ROM:0055 ser r23 ROM:0056 out PORTB, r23 ROM:0057 jmp loc_53

Просто, надежно, эффективно.

И программа:

2.hex

Do Toggle Portb.5 Loop

Превратилась в:

ROM:0053 loc_53: ; CODE XREF: __RESET+21 ROM:0053 ldi r24, 0x20 ; ' ' ROM:0054 out PINB, r24 ROM:0055 jmp loc_53

Фокус с постоянным выводом «1» в порт возможен благодаря особенностям архитектуры (чудо просто эти AVR). Чистый ассемблер и никакого мошенничества.

Cи CVAVR сделал то, что ему сказали и ни грамма байта больше:

7.hex

while (1) { PORTB.5=1; PORTB.5=0; };

Ассемблерный код:

ROM:0062 loc_62: ; CODE XREF: __RESET+30 ROM:0062 sbi PORTB, PORTB5 ROM:0063 cbi PORTB, PORTB5 ROM:0064 rjmp loc_62

У кода Arduino найти полезный участок займет не одну минуту, я справился с этой задачей загнав прошивку в симулятор протеуса.

3.hex

void loop() { digitalWrite(13, HIGH); digitalWrite(13, LOW); }

Вот он, вызов функции digitalWrite:

ROM:0080 sub_80: ; CODE XREF: sub_121:loc_129 ROM:0080 ldi r24, 0xD ROM:0081 ldi r22, 1 ROM:0082 call sub_CD ; HERE<<<< ROM:0084 ldi r24, 0xD ROM:0085 ldi r22, 0 ROM:0086 call sub_CD ; HERE<<<< ROM:0088 ret

Саму функцию можно представить в виде следующей картинки (примите извинения за радикал, уважаемые читатели):

Кода много, код ветвист и изобилует коллами и джампами, смотрите его лучше сразу в дизассемблере.

Следующий вариант удачнее:

4.hex

void loop() { PORTB ^= 1<<5; }

Что мы имеем с этого супа:

Главный цикл:

ROM:00D1 loc_D1: ; CODE XREF: sub_C9 ROM:00D1 ; sub_C9 ROM:00D1 call sub_80 ROM:00D3 sbiw r28, 0 ROM:00D4 breq loc_D1 ROM:00D5 call j___RESET ROM:00D7 rjmp loc_D1

И функция вывода:

ROM:0080 sub_80: ; CODE XREF: sub_C9:loc_D1 ROM:0080 in r24, PORTB ROM:0081 ldi r25, 0x20 ; ' ' ROM:0082 eor r24, r25 ROM:0083 out PORTB, r24 ROM:0084 ret

Следующий! (с) анекдот

5.hex

void loop() { PORTB=1; PORTB=255; }

Напомнило первый случай BASCOM с точностью до бита:

ROM:0080 sub_80: ; CODE XREF: sub_C9:loc_D1 ROM:0080 ldi r24, 1 ROM:0081 out PORTB, r24 ROM:0082 ser r24 ROM:0083 out PORTB, r24 ROM:0084 ret

А вызывается оно вот отсюда, из главного цикла:

ROM:00D1 loc_D1: ; CODE XREF: sub_C9 ROM:00D1 ; sub_C9+E ROM:00D1 call sub_80 ROM:00D3 sbiw r28, 0 ROM:00D4 breq loc_D1 ROM:00D5 call j___RESET ROM:00D7 rjmp loc_D1

Еще парочку! (с) Булгаков

Почти то же, что и в прошивке номер 5:

6.hex

void loop() { while(1){ PORTB=1; PORTB=255; } }

И результат прогнозируем:

ROM:0080 sub_80: ; CODE XREF: sub_C9:loc_D1 ROM:0080 ldi r25, 1 ROM:0081 ser r24 ROM:0082 ROM:0082 loc_82: ; CODE XREF: sub_80 ROM:0082 out PORTB, r25 ROM:0083 out PORTB, r24 ROM:0084 rjmp loc_82

Второе блюдо

Почему мне не понравился Wiring? Ладно, вы уговорили меня не использовать тяжелые библиотечные функции, будем писать все на ассемблере напрямую в порты и регистры, и куда теперь идут все наработанные сообществом библиотеки? А вот эта фраза: «Управдом друг человека!» «ROM:0061; FUNCTION CHUNK AT ROM:01B3 SIZE 00000002 BYTES» А означает она, что выполняли мы код, а потом неожиданно свалили по джампу в другое место. Ради одной команды, между прочим.

ROM:015B loc_15B: ; CODE XREF: __RESET+1B ROM:015B cli ROM:015C ROM:015C loc_15C: ; CODE XREF: __RESET:loc_15C ROM:015C rjmp loc_15C

Wiring тут не одинок, видел я проекты на Сях и под AVR и под PIC, где функция разбита на кучу кусочков, распиханных в разные места памяти программ и связана кучей джампов (+2 такта на выполнение) и коллов (+1 место в стеке, + 4 такта на AVR). Переходим к тому кусочку — а нам затычка в виде ret ( + 4 такта на AVR) :), ибо компилятор так посчитал нужным. А вдруг возникает желание отладить не на языке высокого уровня, а в железе, потрогать, так сказать, его за регистры. И летает программа туда-сюда, с нулевого адреса на сотый и обратно, готовый антихакинг антиреверсинг… Эффективность? 640 кБ хватит всем ;)

Обещанная закуска

А на закуску я взял протеус, 7 чипов, 7 прошивок, запустил и сравнил. Сверху вниз 1, 2, 3, 4, 5, 6 и, конечно же, 7. Время старта (инициализация переда началом выполнения полезной функиции):

А в победителях у нас оказался....Wiring! Значит функция инициализации тут не такая уж и навороченная оказалась ;) Фавориты BASCOM и CVAVR идут ноздря в ноздрю, но на почетном втором месте.

Ну и время выполнения главной задачи — пульсирующий выход.

Впереди бесспорно CVAVR, на втором месте Wiring v.6, 3 и 4 места заслуженно у BASCOMа.

Подведем итоги. Что же выбрать в качестве языка? Если вы хотите использовать железо на 101% и не тратить впустую его ресурсы — ассемблер ваше все. Если вы доверяете трату ресурсов авторам компиляторов, а писать хотите быстро и эффективно — берите С или даже BASCOM. Если хотите создать код быстро, ресурсов у вас много, а задача состоит помигать светодиодом, нет острой необходимости в пошаговой отладке кода в железе, а также очень желательно защитить код от реверсинжиниринга и не давать никому исходников — используйте Wiring, библиотечные оптимизированные функции и прочие Це два плюса.

Всем пис :)