从我在GodBolt中的实验来看，即使使用-O3标志，avr-gcc优化器也不够复杂。我怀疑是否有任何其他标志可以欺骗它进行更多优化（我尝试了一些，但没有帮助）。因此，您使用内联汇编的方法确实看起来是合理的。

原代码分析

1. counter变量存储在r12（LSB）和r13（MSB）寄存器中。
2. TCNT0从I/O空间地址0x 32读取（通过in Rd, 0x32指令）。
   1.根据avr-gcc ABI，在r22(LSB):r23:r24(MSB)中返回24位值。
   1.因此，总结一下，我们希望发生以下转移：

r24 <-- r13
r23 <-- r12
r22 <-- TCNT0

更新方案

查看代码，我猜你有某种定时器中断，当定时器达到某个上限阈值时，它会递增counter。如果是这种情况，即使在纯C版本中，代码也有更深层次的问题。重要的是，TCNT0和counter的读取应该是原子的！否则，如果中断发生在movw和in指令之间，则您的结果将不准确。例如：

counter = 0x0010, TCNT0 = 0xff
MOVW copies 0x0010
Interrupt occurs => handler sets counter = 0x0011 and TCNT0 = 0 
IN instruction reads TCNT0 = 0
result = 0x0010_00 (instead of 0x0010_ff)

有两种方法可以解决此问题：
1.将CLI / SEI Package 在两个读取周围，以将它们放在一起，而不可能在中间中断。
1.读取TCNT0两次，在阅读计数器之前和之后。如果第二次读取的结果较小，则意味着发生了中断，我们不能信任这些值，请重复读取。
因此，没有bug的正确解决方案可能是这样的（根据需要添加内联规范）：

__uint24 getCounter() {
  union
  {
    __uint24 result;

    struct {
      uint8_t lo;
      uint16_t hi;
    } parts;
  } u;

  __builtin_avr_cli();
  u.parts.hi = counter;
  u.parts.lo = TCNT0;
  __builtin_avr_sei();

  return u.result;
}

制作：

getCounter:
        cli
        mov r23,r12
        mov r24,r13
        in r22,0x32
        sei
        ret

雷霆：https://godbolt.org/z/YrWrT8sT4

新方案

添加了原子性要求后，我们必须使用movw指令。下面是一个版本，它最大限度地减少了内联汇编的数量，并尽可能多地使用C：

__uint24 getCounter() {
  union
  {
    __uint24 result;

    struct {
      uint8_t lo;
      uint16_t hi;
    } parts;
  } u;

  uint16_t tmp;

  // Ensure the counter is read atomically with movw instruction
  asm("movw %C[tmp],%[counter]  \n\t" : [tmp] "=r" (tmp) : [counter] "r" (counter));

  u.parts.hi = tmp;
  u.parts.lo = TCNT0;

  return u.result;
}

雷霆：https://godbolt.org/z/P9a9K6n76

旧方案（无原子性）

提供了组装分析

它看起来是正确的，并提供了正确的结果。然而，有两件事我可以建议改进：
1.它有3条mov指令，需要3个周期来执行。gcc生成了类似的代码，因为movw只在均匀对齐的寄存器上运行。但是你可以用2条mov指令来替换这些指令，并且它也将消除对更大的uint32_t变量的需要。
1.我会避免硬编码TCNT0地址，以获得更好的代码可移植性。

建议组装

下面是代码的一个稍微修改的版本：

inline __uint24 getCounter() {
  __uint24 result;
  asm(
    "in   %A[result], %[tcnt0]"    "\n\t"
    "mov  %B[result], %A[counter]" "\n\t"
    "mov  %C[result], %B[counter]" "\n\t"
    : [result] "=r" (result)
    : [counter] "r" (counter)
    , [tcnt0] "I" (_SFR_IO_ADDR(TCNT0))
  );
  return result;
}

然而，请注意这个解决方案的一个缺点-我们在阅读计数器时失去了原子性。如果两个mov指令之间发生中断，并且counter在中断中被修改，我们可能会得到正确的结果。但是如果counter从未被中断修改过，我宁愿使用两个单独的mov指令来提高性能。

Godbolt：https://godbolt.org/z/h3nT4or97（我删除了inline关键字以显示生成的程序集）

你将在R13：R12中读取counter的值，所以你需要两个MOV和一个IN来读取TCNT0。所以使用内联汇编的工作版本是：

#include <avr/io.h>

register uint16_t counter asm("r12");

static inline __attribute__((__always_inline__))
__uint24 getCounter (void)
{
    __uint24 result;

    __asm ("mov %B0, %A1" "\n\t"
           "mov %C0, %B1"
           : "=r" (result)
           : "r" (counter), "0" (TCNT0));

    return result;
}

关于该解决方案的一些说明：

• 最大内联是通过static inline和always_inline实现的。
• TCNT0是在C/C++代码中读取的，而不是在汇编中读取的，因此编译器可以选择最佳指令来读取该SFR（IN或LDS，具体取决于arch）。
• GCC会将读取TCNT0的reg分配给与result相同的寄存器。由于avr-gcc ABI是小端字节序，因此它会分配给result的LSB。这在GCC内联汇编中没有问题，即使TCNT0和result具有不兼容的类型。
• 像count这样的全局寄存器变量不能是volatile的，GCC会发出警告：

warning: optimization may eliminate reads and/or writes to register variables [-Wvolatile-register-var]
volatile register uint16_t counter asm("r12");
^~~~~~~~

Reason是历史表示，REG的内部表示甚至没有volatile属性。因此，您可能需要重新考虑代码。例如，像while (counter != 0) ...这样的循环可能无法实现预期的功能。

• 使用像counter这样的全局寄存器变量有一些注意事项：对于每个模块/编译单元，编译器必须知道它不能将变量分配给一些可以自由使用的寄存器。因此，您可以在每个模块中包含counter的decl，包括那些甚至不使用counter的模块。或者更好的是，使用-ffixed-12 -ffixed-13编译所有模块。为了减少对调用约定的干扰，最好使用R2而不是R12。请注意，R12可能用于传递参数，libc / libgcc中的代码也可能使用R12，因为这些库无法知道R12（或R2）是禁止的。

使用上面的代码并显示生成的程序集的示例是使用-Os -save-temps编译以下代码。

void f (int, __int24);

int main (void)
{
    f (0, getCounter() /* in R22:R20 */);
}

• .s将读取：

main:
    in r20,0x32
/* #APP */
    mov r21, r12
    mov r22, r13
/* #NOAPP */
    ldi r25,0
    ldi r24,0
    rcall f
    ...

原子阅读counter

正如在评论中提到的，counter应该被原子地读取。使用movw是1个tick，因此比cli/sei序列更快。使用24位变量就足够了。虽然我不确定少一个寄存器是否会有区别。无论如何，下面是一个使用movw的解决方案。SFR在程序集中读取，因此它变得不稳定：

static inline __attribute__((__always_inline__))
__uint24 getCounter (void)
{
    __uint24 result;
    __asm volatile ("movw %A0, %A1" "\n\t" // Atomic read of counter.
                    "mov  %C0, %B0" "\n\t"
                    "mov  %B0, %A0" "\n\t"
                    "in   %A0, %i2"
                    : "=r" (result)
                    : "r" (counter), "n" (&TCNT0));
    return result;
}

请注意，内联汇编操作数打印修饰符i是在v4.7中引入的，与__uint24的版本相同;所以不要对%i挠头。