单片机C/汇编优化指南：结构、代码量与乘除法加速

1 程序结构优化

1.1 程序的书写结构

书写格式本身不会直接影响生成代码质量，但工程实践中应遵循统一的代码风格。结构清晰、层级分明的程序，更利于后期维护与协作。

对于 while / for / do...while / if...else / switch...case 以及它们的嵌套组合，建议统一采用“缩进对齐”的书写方式，避免逻辑层级混乱。

1.2 标识符（命名规范）

用户自定义标识符除了满足命名规则外，不建议使用 a、b、x1、y1 这类“代数式”命名。应尽量选用语义明确的英文单词（或缩写）/拼音，提升可读性，例如：count、number1、red、work 等。

1.3 程序结构（结构化与模块化）

C 语言提供了完善的流程控制结构。用 C 语言开发单片机应用时，应尽量采用结构化的设计方法，让程序结构清晰，便于调试与维护。

对于较大的应用程序，通常按功能拆分为多个模块：

• 不同模块负责不同任务，可分别编写与测试
• 在 C 语言中，一个函数通常就可以视为一个模块

模块化不仅是“拆分”，更重要的是模块之间变量尽量相互独立：

• 尽量少用全局变量，保持模块封装性
• 常用功能模块可进一步封装为库，方便复用

同时要注意：模块拆得过细会增加函数调用开销（入栈/出栈、寄存器保护与恢复等），可能降低执行效率，需要在“可维护性”和“效率”之间平衡。

1.4 定义常数（提升可维护性）

对经常使用的常数，不建议直接“硬编码”到逻辑中。否则一旦数值变化，就需要全局搜索逐个修改，维护成本高且容易漏改。

更推荐用预处理或集中定义的方式管理常量：

• 便于统一修改
• 还能减少手误输入造成的问题

1.5 减少判断语句（条件编译优先）

能用条件编译（如 #ifdef）解决的场景，尽量不要用运行期 if。条件编译有助于减少最终生成代码长度。

1.6 表达式（优先级清晰、避免过复杂）

当表达式中的运算优先级容易混淆时，应使用括号明确优先级。表达式也不宜过度复杂，否则时间久了连作者自己也难以读懂，不利于维护。

1.7 函数（声明一致、宏替换时机）

函数使用前应正确声明类型，并确保与定义一致：

• 无返回值使用 void
• 无参数也应明确参数列表（按项目规范处理）

如果需要缩短代码长度，可以把公共逻辑抽为函数复用。
如果更看重执行时间，在程序调试稳定后，可将部分函数替换为宏以减少调用开销。注意：宏展开后很多编译器才报错，会增加定位难度，因此建议在调试结束后再进行宏化。

1.8 少用全局变量，多用局部变量

全局变量通常占用数据存储器空间。全局变量过多可能导致编译器内存分配不足。

局部变量往往更容易被编译器放入寄存器：

• 访问速度更快
• 指令更灵活，生成代码质量更高
• 不同模块中的寄存器/栈空间可复用，提高资源利用率

1.9 设定合适的编译选项（优化等级要谨慎）

多数编译器提供多种优化选项。使用前应理解各选项含义并选择最适配的一档。盲目使用最高级优化可能导致编译器“过度优化”，在某些情况下影响程序正确性，引入运行异常。

建议熟悉所用编译器：

• 哪些参数会受优化影响
• 哪些行为不会改变
• 关键路径建议做针对性验证与回归测试

2 代码的优化

2.1 选择合适的算法和数据结构

应熟悉常见算法与复杂度差异：

• 顺序查找可替换为二分查找或更合适的检索方式
• 冒泡/插入排序可在合适场景替换为快速排序、归并排序等
  这些调整往往能显著提升执行效率（可参考 算法与数据结构 相关专题进一步系统梳理）。

数据结构同样关键：在随机数据中若插入/删除操作频繁，结构选择会直接影响性能。数组与指针关系紧密：

• 指针更灵活简洁
• 数组更直观易读
  不少编译器下，指针可能生成更短、更高效的代码；但在 Keil 场景中也存在“数组比指针更省代码”的情况，需要结合编译器实际表现评估。

2.2 使用尽量小的数据类型

能用 char 定义的变量，就不要用 int；能用 int 的就尽量不要上升到 long int；非必要尽量避免 float（尤其在无硬件浮点支持的 MCU 上代价更高）。

同时注意：变量赋值不要超出其取值范围。C 编译器通常不会替你报错，但运行结果可能错误且难以排查。

2.3 使用自加/自减与复合赋值

++/-- 以及 a+=1、a-=1 往往能生成更高质量的指令（如 inc/dec）。而 a=a+1、a=a-1 在不少编译器上可能生成更长的指令序列（常见 2~3 字节），影响代码量与速度。

2.4 减少运算强度（用等价低成本表达式替换）

(1) 求余运算

a = a % 8;

可改为：

a = a & 7;

说明：位操作通常只需一个指令周期，而不少 C 编译器的 % 会调用子程序实现，代码更长、速度更慢。只要是对 [2^n] 取模（求余），通常都可以用位运算替代。

(2) 平方/乘方运算

a = pow(a, 2.0);

可改为：

a = a * a;

说明：在带硬件乘法器的 MCU 中（如部分 51 系列），乘法通常比浮点 pow 快得多；pow 往往通过库函数调用实现，开销更大。即便在没有硬件乘法器的场景，乘法子程序通常也比 pow 更短更快。

三次方示例：

a = pow(a, 3.0);

可改为：

a = a * a * a;

一般可获得更明显的效率提升。

(3) 用移位实现乘除法

a = a * 4;
b = b / 4;

可改为：

a = a << 2;
b = b >> 2;

说明：乘/除 [2^n] 通常可用移位代替。在一些编译器（如 ICCAVR）中，乘以 [2^n] 会直接生成移位；而乘以其它整数或除以任意数可能调用乘除法子程序，效率与代码量都不占优。

更一般地，整数乘法也可拆解为移位加法，例如：

a = a * 9;

可改为：

a = (a << 3) + a;

2.5 循环

(1) 把不变的工作移出循环

对不需要循环变量参与运算的任务（表达式计算、函数调用、指针运算、数组访问等），尽量放到循环外，在 init 或初始化阶段统一完成，减少重复开销。

(2) 延时函数（自减循环通常更省）

两个函数的延时效果相近，但多数 C 编译器对“自减到 0”的写法生成的代码往往更短（常见少 1~3 字节）。原因是很多 MCU 有“为 0 转移”的指令支持；while 循环同理，用自减控制循环通常也更省代码。

注意：若循环变量 i 参与数组索引，使用预减循环可能引发数组越界，需要格外谨慎。

(3) while 与 do...while

在这两种循环中，do...while 往往比 while 编译后生成的代码更短。

2.6 查表（用空间换时间）

在 MCU 程序里尽量避免复杂运算（如浮点乘除、开方、复杂模型插补等）。这类运算既耗时又耗资源，更推荐用查表法，并将数据表放在程序存储区。

如果直接生成表较困难，也可在启动阶段计算一次，将表生成到数据存储器中；运行期直接查表，减少重复计算。

2.7 其它技巧

例如：使用在线汇编、把字符串与常量尽量放在程序存储器等，通常也有助于压缩代码量与提升效率。

3 乘除法优化（小资源 8 位 MCU 场景）

在小资源 8 位 MCU（程序存储空间 1K/2K 等）中，常见情况是缺少硬件乘法/除法指令。若完全依赖编译器调用内部函数库实现乘除法，容易出现：

• 代码量偏大
• 执行效率偏低

本文以晟矽微电子 MC30、MC32 系列（RISC 架构）指令集为例，结合汇编与 C 编译平台，给出一种更省时、更省资源的乘除法思路，便于移植与理解。

3.1 乘法篇（移位 + 累加）

单片机乘法本质是二进制乘法：对乘数每一位进行判断，若该位为 1，则把被乘数左移对应位数后累加到乘积。

示例：乘数 R3=01101101，被乘数 R4=11000101，乘积 R1R0。步骤概览：
1）清空乘积 R1R0
2）乘数第 0 位为 1：把 R4<<0 加到 R1R0
3）乘数第 1 位为 0：忽略
4）乘数第 2 位为 1：把 R4<<2 加到 R1R0
5）乘数第 3 位为 1：把 R4<<3 加到 R1R0
6）乘数第 4 位为 0：忽略
7）乘数第 5 位为 1：把 R4<<5 加到 R1R0
8）乘数第 6 位为 1：把 R4<<6 加到 R1R0
9）乘数第 7 位为 0：忽略
10）累加完成后，R1R0 即最终乘积

结果表达式：

R1R0 = R3 * R4
     = (R4<<6) + (R4<<5) + (R4<<3) + (R4<<2) + R4
     = 101001111100001

流程图：

运行效率对比（汇编 vs C）

下表为运行效率对比（数据可能有小偏差），整体可见汇编实现耗时更低：

代码量对比（汇编 vs C）

下表为代码量对比（数据可能有小偏差），汇编实现占用空间更小：

综合来看，当原方案遇到“程序空间不够”或“运行时间过长”等瓶颈时，可以按上述思路对关键乘法路径进行替换与优化。

汇编语言更贴近机器执行：能直接操作寄存器并调整指令顺序。但不同平台的指令集与指令周期差异较大，移植与维护成本更高。因此这里以精简指令集为例给出乘法例程，便于迁移与理解。

3.2 除法篇（按位试商，本质可视作减法）

单片机除法同样是二进制除法：从被除数高位开始，逐位“放开”并与除数比较，得到商位与余数；余数再与下一位拼接继续迭代。由于每一步商最大只有 1，实际实现时可把每一步近似看成“比较 + 减法/不减法”。

示例：被除数 R3R4=1100110001101101，除数 R5=11000101，商 R1R0，余数 R2。步骤概览：
1）清空商 R1R0 与余数 R2
2）放开第 15 位：为 1，小于除数，商位为 0，余数为 1
3）并入第 14 位：得 11，仍小于除数，商位为 0，余数为 11
4）…直到放开第 8 位：得 11001100，大于除数，商位为 1，余数为 111
5）并入第 7 位：得 1110，小于除数，商位为 0，余数为 1110
6）并入第 6 位：得 11101，小于除数，商位为 0，余数为 11101
7）…直到放开第 3 位：得 11101101，大于除数，商位为 1，余数为 101000
8）并入第 2 位：得 1010001，小于除数，商位为 0，余数为 1010001
9）并入第 1 位：得 10100010，小于除数，商位为 0，余数为 10100010
10）并入第 0 位：得 101000101，大于除数，商位为 1，余数为 10000000
11）将商位从左到右排列得到商：100001001，余数为 10000000

运算结果：

R1R0 = R3R4 / R5 = 100001001
R2   = R3R4 % R5 = 10000000

流程图：

效率与代码量对比（数据可能有小偏差）：

对于除法路径，本文给出的方式同样具备较好的综合表现。

以下为针对精简指令集的 16/8 位除法例程示意，便于移植与理解：