Оптимизация кода

С ростом навыков и созданием всё более глобальных проектов вы столкнётесь с тем, что “Ардуина” перестанет справляться с тем объёмом работы, который вы хотите от неё получить. Может банально не хватать быстродействия в расчётах, обновлении информации на дисплеях, отправки данных и прочих ресурсозатратных действий, а ещё может просто закончиться память! Самое страшное, когда заканчивается оперативная память: она может это сделать абсолютно незаметно и устройство начнёт вести себя неадекватно, перезагрузится или попросту зависнет. Как этого избежать? Нужно оптимизировать свой код! Информации по этому поводу в Интернете очень мало, поэтому я опишу всё, с чем сталкивался лично.

С чем компилятор справится сам

Модификатор volatile

Компилятор оптимизирует действия с переменными, которые не помечены как volatile, так как это прямая команда “не оптимизируй меня”. Это важный момент, потому что действия с такими переменными (если они нужны) надо оптимизировать вручную. Компилятор не будет оптимизировать вычисления, вырезать неиспользуемые переменные и конструкции с их применением!

Вырезание неиспользуемых переменных и функций

Компилятор вырезает из кода переменные, а также реализацию функций и методов класса, если они не используются в коде. Таким образом даже если мы подключаем огромную библиотеку, но используем из неё лишь пару методов, объём памяти не увеличится на размер всей библиотеки. Компилятор возьмёт только то, что используется.

Оптимизация вычислений

Компилятор оптимизирует некоторые вычисления:

• Заменяет типы данных на более оптимальные там, где это возможно и не повлияет на результат. Например val /= 2.8345 выполняется в 4 раза дольше, чем val /= 2.0, потому что 2.0 была заменена на 2.
• Заменяет операции целочисленного умножения на степени двойки (2^n) битовым сдвигом. Например, val * 16 выполняется в два раза быстрее, чем val * 12, потому что будет заменена на val << 4.
  • Примечание: для операций целочисленного деления такая оптимизация не проводится и её можно сделать вручную: val >> 4 выполняется в 15 раз быстрее, чем val / 16.
• Заменяет операции взятия остатка от деления % на степени двойки битовой маской (остаток от деления на 2^n можно вычислить через битовую маску: val & (2^n - 1), например val % 8 == val & 7, val % 32 == val & 31 и так далее). Таким образом например 100 % 10 выполняется в 17 раз дольше, чем 100 % 8, учитывайте это.
  • Примечание: такая оптимизация производится не всегда (по моим тестам), поэтому лучше всё таки заменять взятие остатка от деления на битовую маску.
• Предварительно вычисляет всё, что можно вычислить (константы). Например val /= 7.8125 выполняется столько же, сколько val /= (2.5*10.0/3.2+12.28*3.2), потому что компилятор заранее посчитал и подставил результат всех действий с константами.
• Использует для умножения и деления целых чисел ячейку в два байта (знаковую). Это очень опасно, потому что результат может оказаться больше. Для выражений, результат которых превосходит 32’768, нужно принудительно приказать компилятору выделить больше памяти при помощи (long) или другими способами, мы разбирали это в уроке про математические операции.

Вырезание условий и свитчей

Компилятор вырежет целую ветку условий или свитчей, если заранее будет уверен в результате сравнения или выбора. Как его в этом убедить? Правильно, константой! Рассмотрим элементарный пример: условие или свитч с тремя вариантами:

switch (num) {
  case 0: Serial.println("Hello 0"); break;
  case 1: Serial.println("Hello 1"); break;
  case 2: Serial.println("Hello 2"); break;
}
// или
if (num == 0) Serial.println("Hello 0");
else if (num == 1) Serial.println("Hello 1");
else if (num == 2) Serial.println("Hello 2");

Если объявить num как обычную переменную – в скомпилированный код попадёт вся конструкция целиком, три условия или весь свитч. Если num сделать константой const или дефайном #define – компилятор вырежет весь блок условий или свитч и оставит только содержимое, которое получается при заданном num. В этом очень легко убедиться, скомпилировав код и посмотрев на объём занимаемой памяти в логе компилятора. При помощи данного трюка можно ускорить выполнение некоторых функций и уменьшить занимаемое ими место в памяти, например для создания универсальной библиотеки.

Рассмотрим весьма полезный пример: функция быстрого чтения состояния цифрового пина для ATmega328 (остальные быстрые аналоги ищи тут):

bool fastRead(uint8_t pin) {
  if (pin < 8) return bitRead(PIND, pin);
  else if (pin < 14) return bitRead(PINB, pin - 8);
  else if (pin < 20) return bitRead(PINC, pin - 14);
}

Вызов fastRead(переменная) занимает 6 тактов процессора (0.37 мкс), вызов fastRead(константа) – 1 такт (0.0625 мкс)! Для сравнения, вызов стандартной digitalRead(переменная) занимает 58 тактов, а digitalRead(константа) – 52 такта. То есть при помощи оптимального кода и понимания логики работы компилятора можно сделать “digitalRead()” в 58 раз быстрее, чем это предлагает библиотека Arduino.h, при том ничуть не теряя в удобстве использования!

Если вы пишете свою библиотеку или класс, то всё будет чуть труднее: константы внутри класса не являются для компилятора весомым поводом для вырезания условий и свитчей, даже если это const и он объявлен в списке инициализации класса. Для того, чтобы компилятор вырезал условие или свитч внутри реализации методов класса, ему нужна внешняя константа/дефайн или шаблон template. Напомню, что шаблон позволяет также создавать внутри класса массив заданного размера, об этом рассказывал в уроке про библиотеки.

Тестовый класс с дигиталРидами (для AVR) разных вариантов:

#define MY_PIN 3
const byte _pinCM = 3;

template <byte PIN>
class fast {
  public:
    fast(byte pin) : _pinC(pin) {_pin = _pinV = pin;}

    bool dreadVol() {return digitalRead(_pinV);}
    bool dreadVar() {return digitalRead(_pin);}
    bool dreadConst() {return digitalRead(_pinC);}
    bool dreadDefine() {return digitalRead(MY_PIN);}
    bool dreadExtConst() {return digitalRead(_pinCM);}
    bool dreadTempConst() {return digitalRead(PIN);}

    bool fastReadVol() {return fastRead(_pinV);}
    bool fastReadVar() {return fastRead(_pin);}
    bool fastReadConst() {return fastRead(_pinC);}
    bool fastReadDefine() {return fastRead(MY_PIN);}
    bool fastReadExtConst() {return fastRead(_pinCM);}
    bool fastReadTempConst() {return fastRead(PIN);}

    bool fastReadShortVol() {return fastReadShort(_pinV);}
    bool fastReadShortVar() {return fastReadShort(_pin);}
    bool fastReadShortConst() {return fastReadShort(_pinC);}
    bool fastReadShortDefine() {return fastReadShort(MY_PIN);}
    bool fastReadShortExtConst() {return fastReadShort(_pinCM);}
    bool fastReadShortTempConst() {return fastReadShort(PIN);}

    bool fastRead(uint8_t pin) {
      if (pin < 8) {
        return bitRead(PIND, pin);
      } else if (pin < 14) {
        return bitRead(PINB, pin - 8);
      } else if (pin < 20) {
        return bitRead(PINC, pin - 14);    // Return pin state
      }
    }
    bool fastReadShort(uint8_t pin) {
      return bitRead(PIND, pin); // <8
    }

  private:
    byte _pin;
    volatile byte _pinV;
    const byte _pinC=3;
};

Результаты бенчмарка в тактах процессора (для AVR):

Оптимизация скорости

Начнём с вопроса как измерить время выполнения кода. Для большинства случаев достаточно стандартной конструкции с millis()/micros() – запомнить текущее время, выполнить действие, вычесть запомненное время из текущего. Точность измерения тем выше, чем меньше в “измеряемом” коде используется запрет прерываний. Минимальная единица измерения (для AVR Arduino) – 4 микросекунды, это разрешение функции micros().

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  uint32_t us = micros();

  // измеряемый код
  delay(123);
  // измеряемый код

  us = micros() - us;
  Serial.println(us);
  delay(1000);
}

Для “взрослой” оптимизации кода (вычисления, IO) этой точности будет мало. Вот вам инструмент для замера времени выполнения кода с точностью до одного такта процессора (0.0625 микросекунды для 16 МГц тактирования), выводит время выполнения в тактах процессора и микросекундах. Код работает на таймере 1. Код для ATmega328 (Arduino NANO):

Обновлённая версия, без ограничения по времени выполнения

// Тест скорости выполнения команд Arduino
// Просто помести свой код внутри test() и загрузи прошивку!

inline __attribute__((always_inline))
void test(void) {
  asm ("nop");
}

// =========================================
volatile uint16_t cnt_ovf = 0;
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  TCCR1A = TCCR1B = TCNT1 = cnt_ovf = 0;  // Сброс таймера
  TIFR1 = (1 << TOV1);
  TIMSK1 = (1 << TOIE0);                  // Прерывание переполнения
  TCCR1B = (1 << CS10);                   // Старт таймера
  test();                                 // тест
  TCCR1B = 0;                             // остановить таймер
  uint32_t count = TCNT1 - 2;             // минус два такта на действия
  count += ((uint32_t)cnt_ovf * 0xFFFF);  // с учетом переполнений
  
  Serial.print("ticks: ");
  Serial.println(count);
  Serial.print("time (us): ");
  Serial.println(count * (float)(1000000.0f / F_CPU), 4);
}

ISR(TIMER1_OVF_vect) {
  cnt_ovf++;
}

void loop() {
}

Использовать переменные соответствующих типов

Тип переменной/константы не только влияет на занимаемый ей объём памяти, но и на скорость вычислений! Привожу таблицу для простейших не оптимизированных компилятором вычислений. В реальном коде время может быть меньше. Примечание: время приведено для AVR и кварца 16 МГц.

Как вы можете заметить, время вычислений отличается в разы даже для целочисленных типов данных, так что всегда нужно прикидывать, какая максимальная величина будет храниться в переменной и выбирать соответствующий тип данных. Стараться не использовать 32-битные числа там, где они не нужны, а также по возможности не использовать float. В то же время, умножить long на float будет выгоднее, чем делить long на целое число. Такие моменты можно считать заранее как 1/число и умножать вместо деления в критических ко времени выполнения моментах кода. Также читай об этом чуть ниже.

Отказаться от float

Из таблицы выше можно увидеть, что на действия с числами с плавающей точкой микроконтроллер тратит в несколько раз больше времени по сравнению с целочисленными типами. Дело в том, что у большинства микроконтроллеров AVR (что стоят на Ардуинах) нет аппаратной поддержки вычислений float чисел и эти вычисления производятся программными средствами. На взрослых микроконтроллерах ARM такая поддержка, к слову, имеется. Что же делать? Просто избегайте использования float там, где задачу можно решить целочисленными типами. Если нужно перемножить-переделить кучу float‘ов, то можно перевести их в целочисленный тип, умножив на 10-100-1000, смотря какая нужна точность, вычислить, а затем результат снова перевести в float. В большинстве случаев это получается быстрее, чем вычислять float напрямую:

// допустим, нам нужно хитро обработать значение float с датчика
// или хранить массив таких значений, не тратя лишнюю память.
// пусть sensorRead() возвращает float температуру с точностью до 1 знака.
// Превратим её в целочисленное, умножив на 10:
int val = sensorRead() * 10;

// теперь с целочисленным val можно работать без потери точности измерения и
// можно хранить его в двух байтах вместо 4-х.
// Чтобы превратить его обратно во float - просто делим на 10
float val_f = val / 10.0;

Существует также такая штука как fixed point – числа с фиксированной точкой. С точки зрения пользователя они являются обычными десятичными дробями, но по факту являются целочисленными типами и вычисляются соответственно быстрее. Нативной поддержки fixed point в Arduino нет, но можно работать с ними при помощи самописных функций, макросов или библиотек, под спойлером найдёте пример, который можно использовать на практике:

// макросы для работы с fixed point
#define FIX_BITS        8
#define FLOAT2FIX(a)    (int32_t)((a*(1 << FIX_BITS)))      // перевод из float в fixed
#define INT2FIX(a)      (int32_t)((a) << FIX_BITS)          // перевод из int в fixed
#define FIX2FLOAT(a)    (((float)(a)/(1 << FIX_BITS)))      // перевод из fixed в float
#define FIX2INT(a)      ((a) >> FIX_BITS)                   // перевод из fixed в int
#define FIX_MUL(a, b)   (((int32_t)(a) * (b)) >> FIX_BITS)  // перемножение двух fixed

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  float x = 8.3;
  float y = 2.34;
  float z = 0;

  // сначала переводим в fixed
  int32_t a = FLOAT2FIX(x);
  int32_t b = FLOAT2FIX(y);
  int32_t c = 0;

  z = x + y;    // складываем float
  c = a + b;    // складываем fixed

  // переводим fixed обратно в float
  float cFloat = FIX2FLOAT(c);

  // выводим для сравнения результата
  Serial.println(z);
  Serial.println(cFloat);
}

/*
   Тесты скорости выполнения:
   x = 8.3;             // 0.75 us  - присваивание float
   a = FLOAT2FIX(8.3);  // 0.75 us  - конвертация float числа в fixed
   a = FLOAT2FIX(x);    // 14.9 us  - конвертация float переменной в fixed

   z = x + y;           // 8.25 us  - сложение float
   c = a + b;           // 2.0 us   - сложение fixed

   z = x * y;           // 10.3 us  - умножение float
   c = FIX_MUL(a, b);   // 6.68 us  - умножение fixed

   z = FIX2FLOAT(c);    // 13.37 us - конвертация fixed в float
*/

void loop() {}

Также у меня есть простенькая библиотека для работы с такими числами.

Заменить умножение на 2^n битовым сдвигом

В операциях целочисленного умножения, где второй множитель является константой или числом (val / 10), можно ускорить вычисление в том случае, когда число состоит из степени двойки (2 4 8 16 32 64 128…). Для этого нужно заменить умножение на 2^n сдвигом влево на n:

• val * 2 == val << 1
• val * 8 == val << 3
• val * 32 == val << 5
• И так далее

Примечание: компилятор сам оптимизирует такие вычисления, так что нужно стараться писать свои алгоритмы так, чтобы в математических операциях были числа из степени двойки (например размеры буферов, размеры матрицы и т.д.).

Заменить деление на 2^n битовым сдвигом

В операциях целочисленного деления, где делитель является константой или числом (val / 10), можно ускорить вычисление в том случае, когда делитель состоит из степени двойки (2 4 8 16 32 64 128…). Для этого нужно заменить деление на 2^n сдвигом вправо на n:

• val / 2 == val >> 1
• val / 8 == val >> 3
• val / 32 == val >> 5
• И так далее

Вычисление выполняется в ~15 раз быстрее (AVR).

Примечание от Korugo:

Заменяя сдвигом деление на степень двойки помним, что это работает правильно только для положительных чисел.

64 / 8   // == 8
64 >> 3  // == 8
63 / 8   // == 7
63 >> 3  // == 7

-64 / 8   // == -8
-64 >> 3  // == -8
-63 / 8   // == -7
-63 >> 3  // == -8 (!)

Как быть: если число меньше нуля, и оно не делится на делитель нацело, надо добавить к результату единицу:

// делим знаковое val на 8 (2^3):
if ((val < 0) && (val & ((1 << 3) - 1))) result = (val >> 3) + 1;
else result = val >> 3;

Заменить остаток от деления на 2^n битовой маской

В операциях взятия целочисленного остатка от деления, где делитель является константой или числом (val % 10), можно ускорить вычисление в том случае, когда делитель состоит из степени двойки (2 4 8 16 32 64 128…). Для этого нужно заменить взятие остатка от 2^n на битовую маску (2^n - 1):

• val % 2 == val & 1
• val % 8 == val & 7
• val % 32 == val & 31
• И так далее

Вычисление выполняется в ~17 раз быстрее (AVR).

Примечание: компилятор сам оптимизирует такие вычисления, но не всегда, поэтому в критических ко времени вычислениях рекомендуется проводить такую оптимизацию самостоятельно.

Заменить деление умножением

В операциях целочисленного деления, где делитель является константой или числом (val / 10), можно заменить деление умножением на обратное число. Идея состоит в следующем:

a / b == a * (1 / b) == (a * x) >> n, где:

• x = (2^n) / b + 1
• a * x не должно превышать ячейку 32 бита (или 16 бит для более быстрого вычисления)
• n – “масштаб”. Чем больше n, тем выше точность. Нужно подобрать так, чтобы было максимальным для 32 или 16 бит, при известном максимальном значении a

Алгоритм:

1. Определить n. Выразим из формулы для x: 2^n < (MAX / a_max - 1) * b, где MAX – размер ячейки для операции умножения, имеет смысл 32 бит (4294967296) или 16 бит (65356)
2. Посчитать x по формуле выше
3. Заменить деление на (a * x) >> n для 16 бит или ((uint32_t)a * x) >> n для 32 бит
4. Бонус – поиск остатка от деления. Достаточно вычесть из делимого произведение результата от деления на делитель: a % b == a - q * b, где q = a / b, посчитанное способом выше

Вычисление выполняется в ~2 раза быстрее (AVR).

Пример расчёта:

• Хочу оптимизировать деление на 6
• Делить буду переменную, которая у меня в программе принимает значения от 0 до 130
• Вычисления ограничим в ячейке 16 бит (макс. 65536) для бОльшей скорости
• Ищем n: (65536 / 130 - 1) * 6 = 3018, то есть 2^n не должно превышать 3018, ближайшее n = 11
• Пересчитываем x: x = (2^11) / 6 + 1 = 342
• Получим выражение для вычисления a / 6: (a * 342) >> 11

Заменить деление умножением на float

Опять же по таблице выше можно увидеть, что деление для всех типов данных выполняется гораздо дольше умножения, поэтому иногда бывает выгоднее заменить деление на целое число умножением на float. И да, пытаться усидеть на двух стульях, стараясь не использовать float и использовать его вместо деления:

val / 10;	// выполняется 14.54 мкс
val * 0.1;	// выполняется 10.58 мкс

Заменить возведение в степень умножением

Для возведения в степень у нас есть удобная функция pow(a, b), но в целочисленных расчётах лучше ей не пользоваться: она выполняется гораздо дольше ручного перемножения, потому работает с float, даже если скормить ей целое:

val = pow(val, 5);                         // выполняется 20.33 us
val = (long)val * val * val * val * val;   // выполняется 4.47 us

Заменить сдвиг указателем

Очень часто при работе с данными бывает нужно “склеить” 16-32 бит переменную из отдельных байтов или наоборот разобрать её на байты. Обычно в таких случаях используются сдвиги:

// получить старший байт из 16 бит переменной a
b = a >> 8;

// склеить два байта в 16 бит int
v = a | (b << 8);

// разбить 24 бит цвет на каналы
r = ((uint32_t)color >> 16) & 0xFF;
g = ((uint32_t)color >> 8) & 0xFF;
b = (uint32_t)color & 0xFF;

// склеить 24 бит цвет из трёх каналов
color = ((uint32_t)r << 16) | (g << 8) | b;

Сдвиги можно заменить на доступ к байтам переменной по указателю, и уже оттуда их читать и писать (равноценный пример):

// получить старший (второй) байт из 16 бит переменной a
b = ((byte*)&a)[1];

// склеить два байта в 16 бит int
((byte*)&v)[0] = a;
((byte*)&v)[1] = b;

// разбить 24 бит цвет на каналы
r = ((byte*)&color)[2];
g = ((byte*)&color)[1];
b = ((byte*)&color)[0];

// склеить 24 бит цвет из трёх каналов
((byte*)&color)[2] = r;
((byte*)&color)[1] = g;
((byte*)&color)[0] = b;

Как это работает (на первом примере) – мы берём адрес переменной a – &a, затем преобразуем его к указателю на тип данных byte – (byte*)&a. Чтобы получить доступ к нужному байту в переменной, достаточно обратиться к полученной конструкции как к массиву – ((byte*)&a)[номер байта] для записи и чтения.

Такая конструкция работает в 2 раза быстрее сдвигов, но всё же это крохоборство: в примере со сборкой 3 байт доступ по указателю даёт экономию в 1.5 микросекунды (на AVR). В подавляющем большинстве случаев это настолько незначительно, что лучше не трогать привычные сдвиги. Но если таких преобразований нужно делать много, и важен каждый такт микроконтроллера, то можно и ускорить.

Предварительно вычислять то, что можно вычислить

Некоторые сложные вычисления требуют выполнения одних и тех же действий несколько раз. Гораздо быстрее будет создать локальную переменную, в неё “посчитать” и использовать в дальнейших расчётах. Примечание: большинство расчётов компилятор оптимизирует сам, например действия с константами и конкретными цифрами.

Ещё хороший пример: расчёт величин, которые ведут себя предсказуемо, например гармонические функции sin() и cos(). На их вычисление уходит довольно-таки много времени – 119.46 мкс! На практике синусы/косинусы практически никогда не вычисляют средствами микроконтроллера, их вычисляют заранее и сохраняют в виде массива. Да, опять два стула: тратить время на вычисление или занимать память уже посчитанными данными. Также не забываем, что компилятор сам оптимизирует вычисления и делает это весьма неплохо.

Оптимизировать действия со String строками

Подробно разбирали в уроке про String.

Не использовать delay() и подобные задержки

Вполне очевидный совет: не используйте delay() там, где можно обойтись без него. А это 99.99% случаев. Используйте таймер на millis(), как мы изучали в уроке про многозадачность.

Заменить Ардуино-функции их быстрыми аналогами

Если в проекте очень часто используется периферия микроконтроллера (АЦП, цифровые входы/выходы, генерация ШИМ…), то нужно знать одну вещь: Ардуино (на самом деле Wiring) функции написаны так, чтобы защитить пользователя от возможных ошибок. Внутри этих функций находится куча различных проверок и защит “от дурака”, поэтому они выполняются гораздо дольше, чем могли бы. Также некоторая периферия микроконтроллера настроена так, что работает очень медленно. Пример: digitalWrite() и digitalRead() выполняются около 3.5 мкс, когда прямая работа с портом микроконтроллера занимает 0.5 мкс, что почти на порядок быстрее. analogRead() выполняется 112 мкс, хотя если его настроить чуть по-другому, он будет выполняться почти в 10 раз быстрее, не особо потеряв в точности. О таком “разгоне” Ардуино мы поговорим в отдельном уроке. В статье полезные алгоритмы для Arduino я выложил несколько “быстрых и лёгких” аналогов Ардуино-функциям.

Использовать switch вместо else if

В ветвящихся конструкциях со множественным выбором по значению целочисленной переменной стоит отдавать предпочтение конструкции switch-case, она работает быстрее else if (изучали в уроках про условия и выбор). Но помните, что:

• switch работает только с целочисленными данными
• case должны быть константами

Причём чем дальше находится верное условие (через несколько сравнений), тем больше времени выполняется код. При использовании switch время каждый раз одинаковое!

Результаты теста для AVR:

// тест SWITCH
// keka равна 10
// время выполнения: 0.3 мкс (5 тактов)
switch (keka) {
  case 10: break;  // выбираем это
  case 20: break;
  case 30: break;
  case 40: break;
  case 50: break;
  case 60: break;
  case 70: break;
  case 80: break;
  case 90: break;
  case 100: break;
}

// keka равна 100
// время выполнения: 0.3 мкс (5 тактов)
switch (keka) {
  case 10: break;
  case 20: break;
  case 30: break;
  case 40: break;
  case 50: break;
  case 60: break;
  case 70: break;
  case 80: break;
  case 90: break;
  case 100: break;  // выбираем это
}

// тест ELSE IF
// keka равна 10
// время выполнения: 0.50 мкс (8 тактов)
if (keka == 10) {   // выбираем это
} else if (keka == 20) {
} else if (keka == 30) {
} else if (keka == 40) {
} else if (keka == 50) {
} else if (keka == 60) {
} else if (keka == 70) {
} else if (keka == 80) {
} else if (keka == 90) {
} else if (keka == 100) {
}

// keka равна 100
// время выполнения: 2.56 мкс (41 такт)
if (keka == 10) {
} else if (keka == 20) {
} else if (keka == 30) {
} else if (keka == 40) {
} else if (keka == 50) {
} else if (keka == 60) {
} else if (keka == 70) {
} else if (keka == 80) {
} else if (keka == 90) {
} else if (keka == 100) {   // выбираем это
}

Конструкции со сравнениями и диапазонами также можно заменить на switch-case:

// условия
if (a > 0 && a < 10) {код}
else if (a >= 11 && a < 20) {код}
else if (a >= 21 && a < 30) {код}

// switch с диапазонами
switch (a) {
  case  0 ... 10: код; break;
  case 11 ... 20: код; break;
  case 21 ... 30: код; break;
}

Такой код не только выглядит более читаемо, но и выполняется сильно быстрее, особенно при попадании в дальние диапазоны.

Помнить про порядок условий

Если проверяется одновременно несколько логических выражений, то при наступлении первого результата, при котором всё условие однозначно получит известное значение, остальные выражения даже не проверяются. Например:

if ( flag && getSensorState() ) {
  // какой-то код
}

Если flag имеет значение false, функция getSensorState() даже не будет вызвана! if будет сразу пропущен (или выполнен else, если он есть). Этим нужно пользоваться, расставляя условия в порядке возрастания процессорного времени, которое требуется для их вызова/выполнения, если это функции. Например, если наша getSensorState() тратит какое-то время для выполнения, то мы ставим её после флага, который является просто переменной. Это позволит сэкономить процессорное время в те моменты, когда флаг имеет значение false.

Использовать битовые операции

Используйте битовые трюки и вообще битовые операции, часто они помогают ускорить код. Читайте в отдельном уроке.

Использовать указатели и ссылки

Вместо передачи “объекта” в качестве аргумента функции, передавать его по ссылке или по указателю: процессор не будет выделять память под копию аргумента и создавать эту копию в качестве формальной переменной – это сэкономит время! Подробнее про указатели и ссылки читайте в отдельном уроке.

Использовать макро и встроенные функции

Каждая созданная функция имеет свой адрес в памяти, и для её вызова процессор обращается по этому адресу, что занимает время. Время очень малое, но иногда даже оно бывает критичным, поэтому такие критичные ко времени вызовы можно заменить на макро-функции или на встроенные функции, подробнее читайте в уроке про функции.

Использовать константы

Константы (const или #define) “работают” гораздо быстрее переменных при передаче их в качестве аргументов в функции. Делайте константами всё, что не будет меняться в процессе работы программы! Пример:

byte pin = 3;    // частота будет 128 кГц (GyverCore)
//const byte pin = 3; // частота будет 994 кГц (GyverCore)

void setup() {
  pinMode(pin, OUTPUT);
}
void loop() {
  for (;;) {
    digitalWrite(pin, 1);
    digitalWrite(pin, 0);
  }
}

Почему это происходит? Компилятор оптимизирует код, и с константными аргументами он может выбросить из функции почти весь лишний код (если там есть, например, блоки if-else) и она будет работать быстрее.

Миновать loop

Функция loop() является вложенной во внешний цикл с некоторыми дополнительными проверками, поэтому если вам очень важно минимальное время между итерациями loop() – просто работайте в своём цикле for(;;), например вот так:

void loop() {
  for (;;) {
  // ваш код
  }
}

Кодить на ассемблере (шутка)

Arduino IDE поддерживает ассемблерные вставки, в которых на одноимённом языке можно давать прямые команды процессору, что обеспечивает максимально быстрый и чёткий код. Но у нас в семье о таком не шутят =)

Оптимизация памяти

Чаще всего мы сталкиваемся с нехваткой памяти: постоянной Flash или оперативной SRAM. После компиляции кода мы получаем сообщение о занимаемом объёме Flash/SRAM, это ценная информация. Flash память можно забивать на 99%, её объём не изменяется в процессе работы устройства, чего не скажешь о SRAM. Допустим, на момент запуска программы у нас занято 80% оперативной памяти, но в процессе работы могут появляться и исчезать локальные переменные, которые добьют занимаемый объём до 100% и устройство скорее всего перезагрузится или зависнет. Опасность ещё в том, что “раздел” оперативной памяти начинает фрагментироваться, т.е. появляются маленькие пустые места, которые микроконтроллер не может занять новыми появляющимися данными. Да, всё как на компьютере, только кнопки “дефрагментировать” у нас нет. Поэтому нужно или учиться вручную заниматься менеджментом памяти, или стараться оставлять побольше свободной SRAM.

Прилагаю скетч-пример с функцией, которая выводит объём свободной SRAM. Скачать с FTP сайта (нажать правой кнопкой – сохранить файл).

/*
   Функция, возвращающая количество свободной оперативной памяти (SRAM)
   Примечание: данный способ проверки свободной оперативной памяти 
   работает некорректно в случае фрагментации памяти!
*/
void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Serial.println(memoryFree()); // печать количества свободной SRAM
  delay(1000);
}

extern int __bss_end;
extern void *__brkval;
// Функция, возвращающая количество свободного ОЗУ
int memoryFree() {
  int freeValue;
  if ((int)__brkval == 0)
    freeValue = ((int)&freeValue) - ((int)&__bss_end);
  else
    freeValue = ((int)&freeValue) - ((int)__brkval);
  return freeValue;
}

Использовать переменные соответствующих типов

Как вы помните из урока о типах данных, каждый тип имеет ограничение на максимально хранимое значение, от чего прямо зависит вес этого типа в памяти. Вот они все:

Просто не используйте переменные более тяжёлых типов там, где это не нужно.

Использовать define

Для хранения констант в стиле номеров пинов, каких-то настроек и постоянных значений используйте не глобальные переменные, а #define. Таким образом константа будет храниться в коде программы, во Flash памяти, которой много.

#define MOTOR_PIN 10
#define MOTOR_SPEED 120

Использовать директивы препроцессора

Если у вас какой-то комплексный проект, где перед прошивкой включаются/выключаются некоторые куски кода или библиотеки – используйте условную компиляцию при помощи директив #if, #elif, #ifdef и прочие, о которых мы говорили в уроке про условия

Использовать PROGMEM

Для хранения больших объемов постоянных данных (массив битмапов для вывода на дисплеи, строки с текстом, “таблицы” синуса или других корректирующих значений) используйте PROGMEM – возможность хранить и читать данные во Flash памяти микроконтроллера, которой гораздо больше, чем оперативной. Особенность состоит в том, что данные во Flash пишутся во время прошивки, и изменить их потом будет нельзя, можно только прочитать и использовать.

Читайте подробный урок по PROGMEM.

Использовать F() макро

Если в проекте используется вывод в COM порт фиксированных текстовых данных, то каждый символ будет занимать один байт оперативной памяти, также это относится к строковым данным и выводам на дисплей. У нас есть на вооружении встроенный инструмент, который позволяет хранить строки во Flash памяти, использовать его удобнее того же PROGMEM. Работает очень просто и эффективно, позволяя делать девайс с расширенным общением/отладкой через Serial порт и не думать о забитой оперативке:

// данный вывод (строка, текст) занимает в оперативной памяти 18 байт
Serial.println("Hello <username>!");

// данный вывод ничего не занимает в оперативной памяти, благодаря F()
Serial.println(F("Type /help to help"));

Не использовать float

Как мы обсуждали в уроке про типы данных, поддержка вычислений с float является программной (для AVR), то есть грубо говоря для вычислений “подключается библиотека”. Однократно использовав в коде все арифметические действия с float, вы подключите около 1000 байт кода во Flash память для поддержки этих вычислений. Также продублирую пример из предыдущей главы: если нужно хранить много float значений в оперативной или EEPROM памяти, то есть смысл заменить их целочисленными. Как это сделать без потери точности:

// допустим, нам нужно хранить массив таких значений, не тратя лишнюю память.
// пусть sensorRead() возвращает float температуру с точностью до 1 знака.
// Превратим её в целочисленное, умножив на 10 (или 100, смотря какая нужна точность):
vals[30] = sensorRead() * 10;

// целочисленные int vals занимают в два раза меньше памяти!
// Чтобы превратить их обратно во float - просто делим на 10
float val_f = vals[30] / 10.0;

Не использовать объекты классов Serial и String

Пожалуй самые “жирные” по занимаемой памяти библиотеки – это стандартные объекты Serial и String. Если в коде появляется Serial, он сразу же забирает себе минимум 998 байт Flash (3% для ATmega328) и 175 байт SRAM (8% для ATmega328). Как только начинаем использовать строки String – прощаемся с 1178 байтами Flash (4% для ATmega328). Если Serial всё таки нужен – попробуйте использовать сильно облегчённый аналог стандартной библиотеки – microUART.

Использовать однобитные флаги

Вы должны быть в курсе, что логический тип данных boolean занимает в памяти Arduino не 1 бит, как должен занимать, а целых 8, т.е. 1 байт. Это вселенская несправедливость, ведь по сути мы можем сохранить в одном байте 8 флагов true/false, а на деле храним только один. Но выход есть: паковать биты вручную в байт, для чего нужно добавить несколько макросов. Пользоваться этим не очень удобно, но в критической ситуации, когда важен каждый байт, можно и заморочиться. Смотрите примеры:

// храним флаги как 1 бит

// макросы
#define B_TRUE(bp,bb)    bp |= bb
#define B_FALSE(bp,bb)   bp &= ~(bb)
#define B_READ(bp,bb)    bool(bp & bb)

// вот так храним наши флаги, значения обязательно как степени двойки!
#define B_FLAG_1        1
#define B_FLAG_2        2
#define B_LED_STATE     4
#define B_BUTTON_STATE  8
#define B_BUTTON_FLAG   16
#define B_SUCCESS       32
#define B_END_FLAG      64
#define B_START_FLAG    128

// этот байт будет хранить 8 бит
byte boolPack1 = 0;

void setup() {
  // суть такая: макрос функциями мы ставим/читаем бит в байте boolPack1

  // записать true во флаг B_BUTTON_STATE
  B_TRUE(boolPack1, B_BUTTON_STATE);

  // записать false во флаг B_FLAG_1
  B_FALSE(boolPack1, B_FLAG_1);

  // прочитать флаг B_SUCCESS (для примера читаем в булин переменную)
  boolean successFlag = B_READ(boolPack1, B_SUCCESS);

  // либо используем в условии
  if (B_READ(boolPack1, B_SUCCESS)) {
    // выполнить при выполнении условия
  }
}

void loop() { }

// пример упаковки битовых флагов в байт
// при помощи ардуино-функций

byte myFlags = 0; // все флаги в false

// можно задефайнить названия
// цифры по порядку 0-7
#define FLAG1 0
#define FLAG2 1
#define FLAG3 2
#define FLAG4 3
#define FLAG5 4
#define FLAG6 5
#define FLAG7 6
#define FLAG8 7

void setup() {
  // установить FLAG5 в true
  bitSet(myFlags, FLAG5);
  // установить FLAG1 в true
  bitSet(myFlags, FLAG1);

  // установить FLAG1 в false
  bitClear(myFlags, FLAG1);

  // считать FLAG5
  bitRead(myFlags, FLAG5);

  // условие с флагом 7
  if (bitRead(myFlags, FLAG7)) {
    // если FLAG7 == true
  }
}

void loop() {}

// вариант упаковки флагов в массив. ЛУЧШЕ И УДОБНЕЕ ПРЕДЫДУЩИХ ПРИМЕРОВ!

#define NUM_FLAGS 30                // количество флагов
byte flags[NUM_FLAGS / 8 + 1];      // массив сжатых флагов

// ============== МАКРОСЫ ДЛЯ РАБОТЫ С ПАЧКОЙ ФЛАГОВ ==============
// поднять флаг (пачка, номер)
#define setFlag(flag, num) bitSet(flag[(num) >> 3], (num) & 0b111)

// опустить флаг (пачка, номер)
#define clearFlag(flag, num) bitClear(flag[(num) >> 3], (num) & 0b111)

// записать флаг (пачка, номер, значение)
#define writeFlag(flag, num, state) ((state) ? setFlag(flag, num) : clearFlag(flag, num))

// прочитать флаг (пачка, номер)
#define readFlag(flag, num) bitRead(flag[(num) >> 3], (num) & 0b111)

// опустить все флаги (пачка)
#define clearAllFlags(flag) memset(flag, 0, sizeof(flag))

// поднять все флаги (пачка)
#define setAllFlags(flag) memset(flag, 255, sizeof(flag))
// ============== МАКРОСЫ ДЛЯ РАБОТЫ С ПАЧКОЙ ФЛАГОВ ==============

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  clearAllFlags(flags);

  writeFlag(flags, 0, 1);
  writeFlag(flags, 10, 1);
  writeFlag(flags, 12, 1);
  writeFlag(flags, 15, 1);
  writeFlag(flags, 15, 0);
  writeFlag(flags, 29, 1);

  // выводим все
  for (byte i = 0; i < NUM_FLAGS; i++)
    Serial.print(readFlag(flags, i));
}
void loop() {

}

// ОДНОБИТНЫЕ ФЛАГИ ЧЕРЕЗ БИТОВЫЕ ПОЛЯ
// удобнее ручноых операций с битами,
// но кушает дополнительную Flash память и чуть
// медленнее работает

// создаём и пакуем структуру однобитных флагов
struct MyFlags {
  bool button: 1;
  bool state: 1;
  bool position: 1;
  bool flag_3: 1;
  bool flag_4: 1;
};

// объявляем структуру типа MyFlags
MyFlags flags;

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  // по умолчанию все флаги false
  // обращаемся как к структуре
  Serial.println(flags.button);
  Serial.println(flags.state);
  flags.position = true;
  Serial.println(flags.position);
}

void loop() {
}

Использовать битовое сжатие и упаковку

В предыдущем пункте мы рассмотрели упаковку однобитных флагов в байты. Таким же способом можно паковать любые другие данные других размеров для удобного хранения или сжатия, подробнее в уроке про битовые операции.

Выбор загрузчика

Во Flash памяти микроконтроллера живёт bootloader – загрузчик, который загружает прошивку по UART. Загрузчик это не три строчки кода, а гораздо больше: стандартный загрузчик занимает почти 2 кБ Flash памяти! Для Нано/Уно это целых 6%. Варианта два:

• Прошить более современный загрузчик, который занимает в 4 раза меньше места (512 байт). Например optiBoot, основная информация по нему есть на его же GitHub.
• Загружать прошивку напрямую в память микроконтроллера. Тогда вы получите в своё распоряжение полный заявленный объём Flash памяти.

Для обоих вариантов понадобится программатор, подробно всё разбираем в отдельном уроке.

Отказаться от стандартной инициализации

Стандартные функции setup() и loop() являются обязательными не просто так: они входят в самую главную функцию всей программы – int main(). Реализация данной функции лежит в ядре в файле main.cpp и выглядит вот так:

int main(void)
{
 init();

 initVariant();

#if defined(USBCON)
 USBDevice.attach();
#endif
 
 setup();
    
 for (;;) {
  loop();
  if (serialEventRun) serialEventRun();
 }
        
 return 0;
}

Именно здесь, в инициализациях, кроется пара сотен байт занимаемой Flash памяти! А после loop() есть проверка условия, которое чуть замедляет основной цикл.

В функциях инициализации настраивается периферия микроконтроллера: АЦП, интерфейсы, таймер 0 (который даёт нам корректный millis()), и некоторые другие вещи. Если можете самостоятельно инициализировать только нужную периферию – это позволит сэкономить несколько сотен байт флэша, всё что нужно сделать – это нагло ввести в скетч свою функцию int main() и написать инициализацию только того, что нужно. Для сравнения: стандартный набор инициализации (функции setup() и loop() в скетче) дают 444 байта занимаемой Flash (Arduino IDE v. 1.8.9). Если отказаться от этого кода и перехватить управление main() – пустой скетч будет занимать 134 байта, что почти на 300 байт меньше! Это, конечно, крохоборство, но на дороге не валяется. Как это сделать:

#include <Arduino.h>

int main() {
  // наш личный "setup"
  for (;;) {
    // наш личный "loop"
  }
  return 0;
}

Функции setup() и loop() в данном скетче уже не нужны, т.к. они не используются в нашем личном main().

Полезные страницы

• Набор GyverKIT – большой стартовый набор Arduino моей разработки, продаётся в России
• Каталог ссылок на дешёвые Ардуины, датчики, модули и прочие железки с AliExpress у проверенных продавцов
• Подборка библиотек для Arduino, самых интересных и полезных, официальных и не очень
• Полная документация по языку Ардуино, все встроенные функции и макросы, все доступные типы данных
• Сборник полезных алгоритмов для написания скетчей: структура кода, таймеры, фильтры, парсинг данных
• Видео уроки по программированию Arduino с канала “Заметки Ардуинщика” – одни из самых подробных в рунете
• Поддержать автора за работу над уроками
• Обратная связь – сообщить об ошибке в уроке или предложить дополнение по тексту ([email protected])