Operácie

Typy premenných v avr-gcc

Z SensorWiki

Verzia z 15:02, 13. máj 2021, ktorú vytvoril Balogh (diskusia | príspevky) (Aritmetické operácie so základnými typmi)


Základné[1] typy premenných v avr-gcc

K dispozícii máme všetky bežné typy, ktoré sa používajú v jazyku C.

                 Veľkosť             Rozsah
                  
  (signed) char  1 Byte (8 bitov)    <−127, +127>
  unsigned char  1 Byte (8 bitov)    <0, 255>  
  
    signed int   2 Byty (16 bitov)   <−32,767, +32,767>
  unsigned int                       <0, 65,535>
   
   signed long   4 Byty (32 bitov)   <−2,147,483,647, +2,147,483,647>
 unsigned long                       <0, 4,294,967,295>
  
         float   4 Byty (32 bitov)    IEEE-754  https://en.wikipedia.org/wiki/Single-precision_floating-point_format    
   
        double    =float[2]

Okrem toho má programátor k dispozíci aj nové typy podľa štandardu C99, ktoré majú pevne definovanú veľkosť a tým pádom je zdrojový kód prenositeľnejší. Tieto typy nájdete v knižnici <inttypes.h> a sú dostupné aj cez hlavičkový súbor (header) <stdint.h>.

        int8_t  1 Byte (8 bitov)      je to alias pre signed char
       uint8_t                        8-bit unsigned type
     
       int16_t  2 Byty (16 bitov)     = signed int /  16-bit signed type
      uint16_t                        16-bit unsigned type. 
      
       int32_t  4 Byty (32 bitov)     32-bit signed type
      uint32_t                        32-bit unsigned type
     
       int64_t  8 Bytov (64 bitov)    64-bit signed type[3]
      uint64_t                        64-bit unsigned type


Okrem vyššieuvedených pridáva C99 aj typ bool definovaný v <stdbool.h> headri. Okrem toho sú tam aj makrá pre hodnoty true and false.

Má zmysel používať tento nový typ, keď aj tak zeberie 1 bajt podobne ako unsigned char? Rozdiel je vidieť v nasledovnom príklade. Používame v ňom aj deklaráciu volatile, aby nám pri pokusoch kompilátor nevyhodnotil tento kód ako nevyužitý a nevyhodil ho celkom z výsledného programu.

 #include <stdbool.h>

 volatile bool  log_x; 
 volatile char char_x;
 
 main(void)
 {
    log_x = 255;            // obsahuje true
   char_x = 255;	    // obsahuje 255, cize true
 
    log_x =  log_x + 1;     // stale obsahuje true, pretoze 1+1 = 2 a to je nenulova hodnota, cize true
   char_x = char_x + 1;     // tu bude 0, cize false, pretoze 255+1=256, hodnota pretecie a dostaneme nulu, cize false

 }


Poznámky:

  1. Zatiaľ vynechávame polia, smerníky a typy Enum, Union a pod.
  2. Anywhere the compiler sees "double", it says to itself, "Aha! The puny human said double. But I know better, so I'll replace it with float. Muwahahaha!"
  3. Note: This types are not available when the compiler option -mint8 is in effect.


Aritmetické operácie so základnými typmi

Pozrime sa podrobnejšie, aká je výpočtová náročnosť pre jednoduché aritmetické operácie. Ak by ste si to chceli vyskúšať, je potrebné deklarovať premenné ako volatile, inak kompilátor (vcelku rozumne) usúdi, že premenné, s ktorými nič nerobíme nie sú potrebné a z kódu ich vyhodí. V komentároch na každom riadku uvádzame okrem veľkosti premennej v pamäti aj na koľko inštrukcií sa preloží daný riadok a koľko bude trvať jeho vykonávanie. Nepočítali sme presne počet strojových cyklov, uspokojili sme sa s odčítaním času v simulátore. Hodnoty platia pre kryštál 16 MHz. Veľkosť kódu je len orientačná, tam kde sa volali špecifické podprogramy uvádzame CALL.

                            //      Premenna:                Kod:                                 Poznamka:
                            //   Miesto v pamati    Počet inštrukcií   Veľkosť kódu   Rýchlosť 
   log_y =   !log_x;        //       1 Byte          5 instrukcii       14 Bytov       0,44 us  
   int_y =    int_x + 3;    //       2 Byte          5 instrukcii       18 Byte        0,63 us    - 2 Byte vyber z pamati, scitaj (s vyhodou ADIW - Add immediate to word) a vrat do pamati
  char_y =   char_x + 3;    //       1 Byte          3 instrukcie       10 Byte        0,31 us
  long_y =   long_x + 3;    //       4 Byte         11 instrukcii       38 Byte        1,25 us    - lebo tu uz tahame a ukladame 4 bajty z pamati a do pamate
 float_y =  float_x + 3;    //       4 Byte         17 instrukcii       + CALL         8,06 us    - volame podprogram pre floaty
double_y = double_x + 3;    //       4 Byte         17 instrukcii       + CALL         8,06 us    - toto je presne to iste ako float<ref>A</ref>

No a takto to vyzerá zasa s tými zložitejšími operáciami[1]

                            //      Premenna:                Kod:                                 Poznamka:
                            //   Miesto v pamati    Počet inštrukcií   Veľkosť kódu   Rýchlosť 
   int_y =    int_x / 3;    //       2 Byte           6 instrukcii       + CALL        15,19 us   - lebo na / uz nie je instrukcia
   int_y =    int_x / 2;    //       2 Byte           9	instrukcii       26 Byte        0,81 us   - lebo :2 sa da nahradit posunom vpravo >> 
  char_y =   char_x / 3;    //       1 Byte           4 instrukcie       + CALL	        5,38 us 
  long_y =   long_x / 3;    //       4 Byte          11 instrukcii       + CALL	/      39,37 us   - lebo uz tahame a ukladame 4 bajty z pamati a do pamate
 float_y =    int_x / 3;    //       = ZLE =         13 instrukcii       + 2xCALL!     16,88 us   - tu je vysledok 0, lebo celociselne delenie len ulozime do premennej float
 float_y =  float_x / 3.0;  //       4 Byte          17 instrukcii       + CALL /      30,81 us   - volame podprogram pre floaty
double_y = double_x / 3.0;  //       4 Byte          17 instrukcii       + CALL /      30,93 us   - to iste co float


Vidíme, že operácia delenia má už za následok veľký nárast záťaže procesora. Je to tak preto, lebo na delenie neexistuje v procesoroch AVR strojová inštrukcia a tak sa musí operácia delenia nahradiť algoritmom. Pre iné procesory, napr. s jadrom ARM to nemusí byť pravda. Na druhej strane vidno, že delenie dvoma dokáže kompilátor rozpoznať a nahradiť veľmi rýchlou a účinnou inštrukciou posunu vpravo.

Upozorňujeme zvlášť na piaty riadok, kedy môže byť programátor zaskočený, že výsledkom delenia je nula, hoci použil premennú typu float. Je to však už príliš neskoro. Kompilátor najprv vypočíta pravú stranu, na ktorej vidí len celočíselné delenie a výsledok potom už len prekonvertuje do formátu IEEE a uloží do float premennej. Správny postup je o riadok nižšie, kde explicitne uvedieme, že delíme reálnym čislom.

Poznámky:

  1. BB

Potrebujem vo svojom programe pracovať s reálnymi číslami!

Aj tak potrebujem reálne čísla!

Literatúra