AVR 컴파일러 최적화와 변수 사용방법이 동작속도에 주는 영향

프로그램을 작성하다 보면 필연적으로 변수를 사용할 일이 생긴다. PC처럼 기본 메모리가 넉넉하고, 메모리가 부족하면 운영체제가 알아서 가상 메모리까지 챙겨주는 환경에서는 변수를 선언하는 데 그다지 신경을 쓸 일이 없다.

하지만 AVR 같은 마이크로컨트롤러에서도 그런 감각으로 변수를 마구 선언하다 보면, 어느 순간 메모리 용량의 절대적 한계에 부딪혀 더 이상 변수를 하나도 추가할 수 없는 상황이 찾아온다. (게다가 꽤 자주 찾아온다.)

때문에 임베디드 환경에서는 어떻게든 사용할 수 있는 메모리의 양을 확보하기 위해 메모리를 쪼개서 할당하는 경우가 많다. 여기에 더해 바이너리를 생성하는 컴파일러의 경우도 최적화를 위한 여러가지 옵션들을 제공한다.

그렇다면, 메모리 걱정 하지 않고 변수를 펑펑 선언해 가며 사용하는 경우와 (필자는 이를 ‘펑펑모드‘라고 한다. 내 마음이다.) 과, BIT단위로 쪼개서 메모리를 아껴가며 사용하는 경우, (필자는 이걸 ‘쫄쫄모드‘라고 한다. 이것 역시 내 마음이다.) 이 둘의 성능 차이는 얼마나 날까? 또 컴파일러를 이용해 최적화를 진행하는 것은 얼마나 큰 차이를 만들어 낼까?

이 궁금증을 해결하기 위해 ATmega2560을 사용하여 두 방식의 실행 속도와 코드 크기, 그리고 컴파일러 최적화 옵션(-O0, -O1 등)이 어떤 영향을 주는지 직접 측정해 보기로 했다.

실험 방법

• 마이크로컨트롤러: ATmega2560
• 개발 환경: Microchip Studio (구 Atmel Studio)
• 컴파일러: AVR-GCC
• 측정 방법:
  • 코드 시작 부분에서 PORTA를 0xFF로 켠다.
  • 조건문 블록을 모두 실행한 뒤 마지막에 PORTA를 다시 0x00으로 내린다.
  • 오실로스코프로 PORTA의 펄스 폭을 측정하면, 그 구간에 코드가 실행되는 데 걸린 시간을 알 수 있다.
• 반복 수행:
  • 각 조건에서 동일한 코드를 3번씩 루프 실행한다.
  • 이 과정을 총 10회 반복한 뒤, 측정값의 평균을 구한다.

또한, 컴파일러 옵션에 따른 바이너리 코드의 크기차이와 실행시간을 비교하기 위해, 마이크로칩 스튜디오의 컴파일 옵션에서 -O0 옵션과 -O1 옵션을 적용해 동일한 코드를 컴파일한 후, 바이너리 파일을 생성해 AVR에 업로드 하고 각각의 동작 시간을 측정해 본다.

시험 코드 작성

8비트를 저장하기 위해 8개의 변수를 사용하는 펑펑모드

int main(void)
{
  DDRA=DDRB=0xFF;
	unsigned char a=0, b=0, c=0, d=0, e=0, f=0, g=0, h=0;
	a=b=c=d=e=f=g=h=rand();
	PORTA=0XFF;
	if (a==1)	{	PORTB=0X00;	}
	if (b==1)	{	PORTB=0X00;	}
	if (c==1)	{	PORTB=0X00;	}
	if (d==1)	{	PORTB=0X00;	}
	if (e==1)	{	PORTB=0X00;	}
	if (f==1)	{	PORTB=0X00;	}
	if (g==1)	{	PORTB=0X00;	}
	if (h==1)	{	PORTB=0X00;	}
	... 2번 반복 ...
	PORTA=0x00;
}

8비트를 저장하기 위해 8비트 변수 8개를 사용, 총 64비트를 사용하는 구조이다. AVR 입장에서 보면, 각 if 문은 “레지스터에 있는 값을 1과 비교하고, 같으면 분기”라는 아주 단순한 흐름을 따른다.

1개의 변수를 사용하는 쫄쫄모드

int main(void)
{
  DDRA=DDRB=0xFF;
	unsigned char a=0, b=0, c=0, d=0, e=0, f=0, g=0, h=0;
	a=b=c=d=e=f=g=h=rand();
	PORTA=0XFF;
	if (a & (1<<0))	{	PORTB=0X00;	}
	if (a & (1<<1))	{	PORTB=0X00;	}
	if (a & (1<<2))	{	PORTB=0X00;	}
	if (a & (1<<3))	{	PORTB=0X00;	}
	if (a & (1<<4))	{	PORTB=0X00;	}
	if (a & (1<<5))	{	PORTB=0X00;	}
	if (a & (1<<6))	{	PORTB=0X00;	}
	if (a & (1<<7))	{	PORTB=0X00;	}
	... 2번 반복 ...
	PORTA=0x00;
}

8비트를 저장하기 위해 8비트 변수 1개를 사용, 총 8비트를 사용하는 구조이다. 코드의 양은 비슷해 보이지만 각 if 문을 실행하기 전, 8비트 저장소의 한 비트를 꺼내기 위한 연산이 추가되었다.

실험 결과

생성된 바이너리 코드의 크기와 실행에 걸린 시간을 측정한 결과는 다음과 같다.

결론적으로 메모리를 아낌없이 사용하고 최적화 옵션을 적용했을 경우, 그렇지 않았을 경우와 비교해 544Byte의 메모리 용량과 17974µs의 실행 시간을 아낄 수 있다.

어셈블리 코드를 통해 보는 차이의 이유

변수 사용 방식(펑펑모드 vs 쫄쫄모드)에 따라 실행 속도가 크게 달라지는 가장 큰 원인은 컴파일된 어셈블리 코드의 구조가 완전히 다르기 때문이다. 여기에 컴파일러 최적화 옵션(-O0, -O1, -O2, -O3, -Os)까지 더해지면, 동일한 C 코드라도 명령어 수, 레지스터 사용량, 분기 방식이 크게 변하며, 그 결과 실제 성능이 눈에 띄게 달라진다.

if (a & (1<<0)) { PORTB = 0x00; }
11e: 8c 01        movw  r16, r24	; 1CLK
120: 01 70        andi  r16, 0x01	; 1CLK
122: 11 27        eor   r17, r17	; 1CLK
124: 80 fd        sbrc  r24, 0		; 1~3CLK
126: 15 b8        out   0x05, r1	; 1CLK
if (a & (1<<1)) { PORTB = 0x00; }

if (a == 1) { PORTB = 0x00; }
11e: 81 30        cpi   r24, 0x01	; 1CLK
120: c1 f4        brne  .+48		; 1~2CLK
122: 15 b8        out   0x05, r1	; 1CLK
if (b == 1) { PORTB = 0x00; }

컴파일러 최적화 옵션

결론

이번 실험을 통해 변수 사용 방식과 컴파일러 최적화 옵션이 AVR 코드의 성능에 얼마나 큰 영향을 미치는지 확인할 수 있었다. 같은 기능을 수행하는 코드라도 구조가 단순한 펑펑모드는 빠르게, 레지스터 조작이 복잡해지는 쫄쫄모드는 상대적으로 느리게 동작한다.

또한 -O0와 -O1 사이에서처럼, 최적화 옵션 하나만으로도 실행 속도가 수 배에서 10배 이상 차이날 수 있다. 특별한 이유가 없다면 최소한 -O1 정도의 최적화 옵션은 사용하는 것이 좋다.

결국 선택의 기준은 단순하다. 메모리를 아끼려면 쫄쫄모드, 속도가 중요하고 메모리가 허락한다면 펑펑모드. 프로젝트의 특성과 목적에 따라 두 방식 중 가장 자연스러운 방향을 선택하면 된다.

결국, 메모리가 받쳐준다면 막 써대는게 좋다는 결론이다. 문제는, 메모리는 하드웨어이고, 하드웨어는 돈이다. 그렇다, 결론은, 돈 많으면 다 된다.