avr-gcc 中的饱和加法优化

Question

我正在为 ATtiny13 编程，我必须做很多饱和添加。

尝试优化它们，似乎 avr-gcc 根本不知道如何优化任何东西。所有这些都在 AVR gcc 14.1.0 和

-O3

中进行了尝试。这是我到目前为止尝试过的：

uint8_t saturating_add_1(uint8_t a, uint8_t b) {
    uint8_t temp = a + b;
    if(temp < a)
        return 0xFF;
    return temp;
}

这成功地在 x86 上进行了优化，但是 avr-gcc 给了我们这个：

saturating_add_1:
.L__stack_usage = 0
        mov r25,r24
        add r24,r22
        cp r24,r25
        brlo .L1
        ret
.L1:
        ldi r24,lo8(-1)
        ret

不是很好，也不是很糟糕，它按照我们的指示做了。 让我们尝试另一个已知可以在其他架构上正确优化的版本：

uint8_t saturating_add_2(uint8_t a, uint8_t b) {
    if(b > 255 - a)
        return 255;
    else return a + b;
}

不，那更糟：

saturating_add_2:
.L__stack_usage = 0
        ldi r18,lo8(-1)
        ldi r19,0
        sub r18,r24
        sbc r19,__zero_reg__
        cp r18,r22
        cpc r19,__zero_reg__
        brlt .L1
        add r24,r22
        ret
.L1:
        ldi r24,lo8(-1)
        ret

好吧，我想我们正在尝试内置编译器。

uint8_t saturating_add_builtin(uint8_t a, uint8_t b) {
    
    if(__builtin_add_overflow(a, b, &a))
        return 255;
    else return a;
}

saturating_add_builtin:
.L__stack_usage = 0
        add r22,r24
        cp r22,r24
        brlo .L1
        mov r24,r22
        ret
.L1:
        ldi r24,lo8(-1)
        ret

它生成的程序集与我们第一次尝试的程序集大致相同。我希望它不会比较，而是使用

brcs

或

brcc

指令（如果进位设置/清除则分支）。 也许我们可以强迫它？

uint8_t saturating_add_reg(uint8_t a, uint8_t b) {
    uint8_t temp = a + b;
    if(SREG & 1)
        return 255;
    return temp;
}

saturating_add_reg:
.L__stack_usage = 0
        add r24,r22
        in __tmp_reg__,__SREG__
        sbrs __tmp_reg__,0
        ret
        ldi r24,lo8(-1)
        ret
}

这稍微好一些，从 7 条指令减少到 6 条。但是 avr-gcc 又让我困惑了 - 为什么它使用

sbrs

来跳过

ret

，而不是使用

sbrc

来跳过

ldi

？我是不是错过了什么？

无论如何，我也尝试用内联汇编来修复它，但它有点笨拙：

uint8_t saturating_add_asm_1(uint8_t a, uint8_t b) {
    asm (
        "add %[a], %[b]\n\t"
        "brcc no_overflow_%=\n\t"
        "ldi %[a], 255\n\t"
        "no_overflow_%=:"
        : [a] "+r" (a)
        : [b] "r" (b)
        : "cc"
    );
    return a;
}

这工作正常，但编译器无法优化常量（使用

subi

），毕竟我在这方面花费了时间，这在情感层面上造成了伤害。我的另一个尝试是：

uint8_t saturating_add_asm_2(uint8_t a, uint8_t b) {
    uint8_t temp = a + b;
    asm (
        "brcc no_overflow_%=\n\t"
        "ldi %[temp], 255\n\t"
        "no_overflow_%=:"
        : [temp] "+r" (temp)
        :
        :
    );
    return temp;
}

但这似乎可能会因为编译器代码重新排序而中断？但我们不能制作

asm

块

volatile

，因为这会禁用更多优化。

因此，我的问题是：

有没有人能够让 avr-gcc 在不使用内联汇编的情况下正确优化它？
是否有正确的方法通过内联汇编来优化它，从而优化常量？

Answer 1

您可以使用内置的 gcc

__builtin_constant_p

对于常量情况回退到非 asm 实现：

（神箭）

uint8_t saturating_add_non_asm(uint8_t a, uint8_t b) {
    uint8_t temp = a + b;
    if(temp < a)
        return 0xFF;
    return temp;
}

uint8_t saturating_add(uint8_t a, uint8_t b) {
    if (__builtin_constant_p(a) && __builtin_constant_p(b)) {
        return saturating_add_non_asm(a, b);
    }
    asm (
        "add %[a], %[b]\n\t"
        "brcc no_overflow_%=\n\t"
        "ldi %[a], 255\n\t"
        "no_overflow_%=:"
        : [a] "+r" (a)
        : [b] "r" (b)
        : "cc"
    );
    return a;
}