MCUXpresso IDE下编译优化等级设置方法

最近为了测试一款Cortex-M33产品性能达标，验证团队将coremark基准测试程序当作了一个测试用例，而在RTL环境里指定的 C 编译器是标准GCC，当发现跑出来的 coremark程序测试结果与Arm给的Cortex-M33参考值4.02 CoreMark/MHz有一定差距，因此对这个问题进行了调查。

在Arm的Cortex-M33主页，其备注了4.02 CoreMark/MHz参考值来自于 EEMBC官网上的一款恩智浦LPC55S69JBD100芯片跑出来的结果，页面里备注了跑分结果是在Arm Clang Compiler v6.12下开启最高优化等级 -Omax 下得到的，而验证团队用得是GCC，由此断定问题大概率是由不同编译器优化性能差异引起的，借着这个实际问题，今天就跟大家聊一聊MCUXpresso IDE下编译优化等级设置方法。

注：本文使用的MCUXpresso IDE软件版本是 v11.6.0_8187。

一、查看MCUXpresso的GCC版本

有朋友可能会觉得奇怪，文章开头里明明聊得是GCC下coremark跑分问题，为何要引出MCUXpresso IDE？其实MCUXpresso IDE是恩智浦推出的免费集成开发环境，其底层编译器就是标准GCC工具链，使用MCUXpresso IDE，我们就不用像使用GCC那样手动准备相应Makefile去做编译了。

因为我们是借助MCUXpresso IDE来测试GCC编译优化性能，所以需要了解当前 GCC版本，可以在MCUXpresso IDE安装目录的如下路径下找到GCC版本信息。

执行 arm-none-eabi-gcc.exe -v 命令即可知道其版本，MCUXpresso IDE v11.6 使用得是 GCC v10.3.1。

MCUXpressoIDE_11.6.0_8187ide oolsinarm-none-eabi-gcc.exe

MCUXpressoIDE_11.6.0_8187ide oolslibgccarm-none-eabi10.3.1

二、GCC支持的优化等级

既然咱们聊得是优化等级设置方法，首先我们得知道GCC下支持哪些优化等级，我们可以在MCUXpresso IDE安装目录或者GCC官网找到用户手册（gcc.pdf），手册里面 Section 3.11 Options that Control Optimization 章节有详细的解释。

MCUXpressoIDE_11.6.0_8187ide oolssharedocgcc-arm-none-eabipdfgcc.pdf

https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-10.3.0/gcc.pdf

GCC本身支持非常多的优化策略小项，大概有如下 100 多个，可以在手册里去看每个小项的具体解释，了解了这些小项，我们在编译时当然可以把这些策略参数按需加上去，不过这种方式显然比较繁琐。

GCC为了化繁为简，将这些策略小项做了分类整理，形成了如下8个等级（基于代码大小和运行速度两个方向逐步加档），我们在实际编译时一般直接用这8个优化等级即可。

优化等级	策略解释
-O0	不进行任何优化（如果没有指定优化级别，即为此默认设置）。
-O或者-O1	在不影响编译速度的前提下，尽量采用一些优化算法降低代码大小和提高可执行代码的运行速度。 - 此等级执行了 45 个策略小项。
-O2	牺牲部分编译速度，采用几乎所有的目标配置支持的优化算法，用以提高目标代码的运行速度。 -此等级在-O1所有优化策略小项之上增加了 48 个策略小项。‍
-O3	采取很多向量化算法，提高代码的并行执行程度，比如利用现代CPU中的流水线，Cache等，目标是宁愿增加目标代码的大小，也要拼命的提高运行速度。 -此等级在-O2所有优化策略小项之上增加了16个策略小项。
-Os	与-O3有异曲同工之妙，但两者的目标不一样，这个等级是为了尽量的降低目标代码的大小，这对于存储容量很小的设备来说非常重要。 -此等级在-O2所有优化策略小项之上减掉了 6 个策略小项，然后使能了 -finline-functions 策略。
-Ofast	不会严格遵循语言标准，会针对某些语言启用部分优化，以达到最快的运行速度。 -此等级在-O3所有优化策略小项之上增加了 -ffast-math 和 -fallow-store-data-races 策略。
-Og	在保持快速编译和良好调试体验的同时，提供合理的优化级别。
-Oz	比-Os更激进的去降低目标代码的大小，GCC v12.x之后的版本才引入。

三、MCUX下设置优化等级的三种方法

在 MCUXpresso IDE 工程里，我们有三种方法来设置优化等级，分别针对单个函数、单个源文件、整个工程源文件。

3.1 在源文件中设置

第一种优化等级设置方法主要针对单个函数，即使用 __attribute__ 来修饰函数（这其实是GCC下通用做法，与MCUX关系不大），经过修饰的函数可以不受 MCUXpresso IDE工程整体优化等级设置影响。

void __attribute__((optimize("O3"))) function(void)
{
    ...
}

第二种优化等级设置方法主要针对多个相邻函数或者整个源文件，即使用如下 #pragma组合语句来修饰代码（这也是GCC下通用做法，与MCUX关系不大），经过修饰的代码也同样不受MCUXpresso IDE工程整体优化等级设置影响。

#pragma GCC push_options     // 代码作用范围起始处
#pragma GCC optimize("O3")   // 代码优化等级设置
void function1(void)
{
    ...
}
void function2(void)
{
    ...
}
...
#pragma GCC pop_options      // 代码作用范围结尾处

3.2 在IDE选项中设置

第三种优化等级设置方法主要针对工程全部源文件，即在MCUXpresso IDE工程选项里Optimization Level一栏项目里做切换选择，这里基本上与 GCC v10.3 优化等级定义是一致的，但是缺少了 -Ofast 选项。

四、MCUX下设置-Ofast等级

使用一块MIMXRT595-EVK开发板（主芯片为Cortex-M33内核），在其配套SDK 里的hello world工程基础之上移植了coremark程序，在IAR v9.10最高优化等级下（High-Size No size constraints）得到了3.94 CoreMark/MHz的跑分，这很接近Arm基准值，但是在MCUXpresso IDE最高优化等级下（-O3）仅得到了2.76 CoreMark/MHz。

莫非是必须要在MCUXpresso IDE下开启GCC的最快运行优化等级 -Ofast 才能得到理想coremark跑分，但是MCUXpresso IDE选项里并没有 -Ofast 怎么办？

别着急，刚才工程选项下还有Other optimization flags后门，我们在这里手动添加上 -Ofast 比 -O3 多的那两个优化策略小项，以及MCUX团队要求的 -fno-semantic-interposition 小项，这样基本就等于 - Ofast 效果。

-ffast-math -fallow-store-data-races -fno-semantic-interposition

重新编译，再跑一次 -Ofast 等级下的MCUXpresso IDE工程，发现coremark跑分结果并没有比 -O3 等级下有多大提升。

想了想虽然跑不到IAR 上 3.94 CoreMark/MHz的高分有点不甘心，但是这也很正常嘛，免费的GCC编译器如果能达到商业IAR编译器那样的效果，那人家商业编译器还怎么收费呢，理解万岁！

审核编辑：彭静