AVR-GCC下ATtiny13饱和加法的优化技术问询

我正在为ATtiny13编写程序，需要执行大量8位饱和加法操作。使用AVR-GCC 14.1.0并开启-O3优化级别时，发现编译器未能生成利用进位标志的最优汇编代码。以下是我尝试的多种实现方式及对应的编译结果：

版本1：基于溢出后数值比较 #

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

该版本在x86平台能被优化为利用标志位的代码，但AVR-GCC生成的汇编未利用进位标志：

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

版本2：基于预计算最大值判断 #

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

生成的汇编效率更低：

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

版本3：使用内置溢出检测函数 #

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

生成的汇编与版本1类似，仍未使用brcs/brcc指令。

版本4：直接读取SREG寄存器判断进位 #

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

指令数有所减少，但逻辑仍非最优：

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

版本5：内联汇编实现（无常量优化） #

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] "+d" (a)
        : [b] "r" (b)
        : "cc"
    );
    return a;
}

该版本能生成最优的汇编逻辑，但无法针对常量输入进行优化（比如当b为0时，编译器无法直接返回a）。

版本6：依赖C加法后的进位标志的内联汇编 #

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] "+d" (temp)
        :
        :
    );
    return temp;
}

该版本存在代码重排风险，若添加volatile关键字则会禁用更多优化。

咨询问题 #

1. 无需内联汇编的情况下，能否让AVR-GCC生成利用进位标志的最优饱和加法代码？
2. 如何编写既支持常量优化、又能生成最优汇编的内联饱和加法实现？

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Kryštof Vosyka