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我试图在基于 Cortex-M 的微控制器上将值限制在 -127 和 127 之间。

我有两个相互竞争的函数，一个使用条件，另一个使用我在这里找到的无分支 hack 。

// Using conditional statements
int clamp(int val) { return ((val > 127) ? 127 : (val < -127) ? -127 : val); }

// Using branchless hacks
int clamp(int val) {
    val -= -127;
    val &= (~val) >> 31;
    val += -127;
    val -= 127;
    val &= val >> 31;
    val += 127;

    return val;
}

现在我知道在某些情况下，其中一种方法可能比另一种更快，反之亦然，但总的来说，使用无分支技术是否值得，因为我使用哪种方法对我来说并不重要，它们都会在我的情况下工作得很好吗？

关于微控制器的一些背景知识，它是一个基于 ARM 的微控制器，运行速度为 90 MIPS，具有 3 级管道、获取、解码和执行，它似乎有某种分支预测器，但我无法挖掘细节。

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3 回答 3

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ARM 代码（带有 GCC 4.6.3 的-O3）：

clamp1:
    mvn r3, #126
    cmp r0, r3
    movlt   r0, r3
    cmp r0, #127
    movge   r0, #127
    bx  lr

clamp2:
    add r0, r0, #127
    mvn r3, r0
    and r0, r0, r3, asr #31
    sub r0, r0, #254
    and r0, r0, r0, asr #31
    add r0, r0, #127
    bx  lr

拇指码：

clamp1:
    mvn r3, #126
    cmp r0, r3
    it  lt
    movlt   r0, r3
    cmp r0, #127
    it  ge
    movge   r0, #127
    bx  lr

clamp2:
    adds    r0, r0, #127
    mvns    r3, r0
    and r0, r0, r3, asr #31
    subs    r0, r0, #254
    and r0, r0, r0, asr #31
    adds    r0, r0, #127
    bx  lr

由于 ARM 的条件执行设计，两者都是无分支的。我敢打赌，它们在性能上基本上是可比的。

于 2013-02-17T01:59:11.663 回答
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需要意识到的是，在分支指令方面，ARM 和 x86 架构非常不同。跳转会清除管道，这可能会导致多个时钟周期的加速，只是为了在吞吐量方面“回到原来的位置”。

引用我前几天下载的pdf（ http://simplemachines.it/doc/arm_inst.pdf的pg14 ），

条件执行

  • 大多数指令集只允许有条件地执行分支。
  • 然而，通过重用条件评估硬件，ARM 有效地增加了指令数量。
  • 所有指令都包含一个条件字段，用于确定 CPU 是否会执行它们。
  • 未执行的指令占用 1 个周期。– 仍然必须完成循环，以允许获取和解码以下指令。
  • 这消除了对许多分支的需要，这些分支会使管道停止（重新填充 3 个周期）。
  • 允许非常密集的内联代码，没有分支。
  • 不执行多条条件指令的时间损失通常小于分支或子程序调用的开销，否则将需要这些开销。
于 2013-02-17T01:59:58.117 回答
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不，C 语言没有速度。这是由 C 实现引入的概念。完美优化的编译器会将这两者转换为相同的机器代码。

C 编译器更有可能优化符合通用样式且定义明确的代码。第二个功能没有很好的定义。

这些加法和减法可能会导致整数溢出。整数溢出是未定义的行为，因此它们可能会导致您的程序发生故障。乐观地说，您的硬件可能会实现包装或饱和。稍微不乐观的是，您的操作系统或编译器可能会为整数溢出实现信号或陷阱表示。检测整数溢出可能会影响修改变量的感知性能。最坏的情况是你的程序失去了它的完整性。

& 和 >> 运算符具有符号类型的实现定义方面。它们可能导致负零，这是陷阱表示的一个示例。使用陷阱表示是未定义的行为，因此您的程序可能会失去其完整性。

也许您的操作系统或编译器实现了 int 对象的奇偶校验位检查。在这种情况下，试着想象每次变量更改时重新计算奇偶校验位，并在每次读取变量时验证奇偶校验位。如果奇偶校验失败，您的程序可能会失去完整性。

使用第一个功能。至少定义得很好。如果您的程序运行缓慢，优化此代码可能不会显着加快您的程序；使用分析器找到更重要的优化，使用更优化的操作系统或编译器或购买更快的硬件。

于 2013-02-17T04:49:23.147 回答