基于GCC的cmdsp2f01編譯工具移植開發(fā)

張梅娟，張 榮，張 鉚，韋 祎

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

1 引言

編譯工具是指一組編譯套件，實現(xiàn)把某種編程語言編寫的代碼轉(zhuǎn)變成另一種計算機語言的功能。編譯技術(shù)是計算機領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，隨計算機語言和處理器體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展而發(fā)展，目前計算機系統(tǒng)高級語言已幾乎完全代替了匯編語言。常用的編譯工具包含了高級語言編譯器（C/C++等）、匯編器、鏈接器和其他二進制工具。

高級語言編譯工具是一個大型系統(tǒng)軟件，開發(fā)難度較大，最早期的高級語言編譯工具共花費了18人/年的時間[1]。研究者們經(jīng)過幾十年的不懈努力，在編譯理論、技術(shù)和實驗上積累了豐富的成果[2,3,4]。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和高性能體系結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，編譯工具的開發(fā)速度和質(zhì)量有了更高的要求，推動了可重定向編譯系統(tǒng)的研究，逐步將與高級語言相關(guān)的詞法語法分析模塊設(shè)計成可復用的前端，機器相關(guān)的部分被封裝起來，前端通過間接調(diào)用的方式與機器相關(guān)的部分發(fā)生關(guān)系。如圖1所示，針對不同處理器，只需要進行目標機器信息的描述（即編譯工具的移植），即可快速生成一套編譯工具。這大大減小了編譯工具的開發(fā)難度和開發(fā)時間。

圖1 可重定向編譯系統(tǒng)

可重定向編譯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義良好，針對不同的后端，前端代碼基本上不用修改，做到了最大限度的代碼復用。但是前端只進行了一些通用的代碼優(yōu)化，沒有做與目標機相關(guān)的優(yōu)化，運行效率有一定的提升空間。

GCC（GNU Compiler Collection，GNU 編譯器套件），是一套以GPL及LGPL許可證所發(fā)行的自由軟件，是可重定向編譯系統(tǒng)的代表，常被認為是跨平臺編譯工具移植的事實標準。該系統(tǒng)在所有平臺上都能使用同一個前端處理程序，產(chǎn)生相同的中間代碼，因此在不同平臺上，使用GCC系統(tǒng)移植編譯工具，不僅可以保證編譯工具的性能質(zhì)量，還能縮短開發(fā)周期[5]。但是嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)一般都不規(guī)則，對代碼質(zhì)量要求嚴格，必須對編譯系統(tǒng)的前端和后端進行針對性的優(yōu)化設(shè)計才能滿足要求，因此移植具有其特殊的難度和復雜性[6]。

本文基于可重定向的GCC編譯系統(tǒng)的移植，成功構(gòu)建了cmdsp2f01處理器的編譯工具套件，經(jīng)測試驗證，編譯工具套件編譯功能正確。

2 cmdsp2f01結(jié)構(gòu)

編譯工具的移植，需要描述目標機器信息。cmdsp2f01是中國電科第58所開發(fā)的一款高性能DSP芯片，該芯片處理器采用超長指令字（VLIW）架構(gòu)，支持單周期5條指令并行執(zhí)行，支持單指令多數(shù)據(jù)流（SIMD），使數(shù)據(jù)處理并行度更高，128 bit程序總線，雙256 bit數(shù)據(jù)總線，具備單精度浮點運算，支持16 bit、24 bit指令編碼。其內(nèi)部流水線支持7級，運算能力達12.8 GMACs。

cmdsp2f01的DSP內(nèi)核架構(gòu)支持1字節(jié)、2字節(jié)和4字節(jié)數(shù)據(jù)格式，另支持32 bit單精度浮點數(shù)據(jù)格式和40 bit累加器值（MAC16時使用）。所有存儲在內(nèi)存的數(shù)據(jù)CPU都是字節(jié)尋址，字節(jié)順序固定為小端模式，即0字節(jié)是最低有效位字節(jié)。核指令基于32 bit虛擬和物理內(nèi)存尋址，指令和數(shù)據(jù)尋址可達4 GB尋址空間。尋址方式支持寄存器加立即數(shù)尋址。

圖2 處理器架構(gòu)信息

如圖2所示，cmdsp2f01 DSP除支持通用運算和存取指令外，還增加了專用定點矢量指令。其中，通用指令包含Move指令、加減指令、乘加指令、比較指令、分支指令、地址運算指令和存取指令。

3 移植設(shè)計

本文所述的編譯工具是指一組編譯套件，含C編譯器和匯編器、鏈接器等二進制工具集。移植的主要任務(wù)是目標機器信息的描述。GCC系統(tǒng)中，機器信息的描述主要采用寄存器轉(zhuǎn)換語言RTL（Register Transfer Language）語言實現(xiàn)，輔助以C接口函數(shù)（API）的設(shè)計。RTL中間表作為GCC C編譯器后端的核心內(nèi)容，將后端中可重用的部分剝離出來，再通過相應(yīng)的接口為不同的目標機器定義各自的映射規(guī)則，這種方式極大地提高了GCC的適應(yīng)性，也增強了它的可維護性、可擴展性以及可移植性[7]。

本文的移植是結(jié)合cmdsp2f01處理器特點，對機器描述進行設(shè)計和實現(xiàn)，構(gòu)建一套新的編譯工具。編譯工具套件基本功能如下：

(1)C編譯器（C-Compiler），將C語言程序代碼編譯成cmdsp2f01處理器對應(yīng)的匯編代碼，編譯器包括外殼程序（shell program）、優(yōu)化器和預處理器；

(2)匯編器（Assembler），把匯編語言源文件轉(zhuǎn)換成基于公用目標文件（ELF）的機器目標文件，也就是常用的*.out文件；

(3)鏈接器（Linker），把多個目標文件組合成單個可執(zhí)行目標模塊，除了能夠創(chuàng)建可執(zhí)行文件外，還可以調(diào)整外部符號的引用，鏈接器輸入的是可重定位的目標文件和目標文件庫；

(4)歸檔器（archiver），允許用戶將一組文件收集到一個歸檔文件中，也叫歸檔庫，其最常見的用法是創(chuàng)建目標文件庫，也可以通過刪除、替換、提取或添加文件操作來調(diào)整庫；

(5)Objdump，用來查看目標程序中的段信息和調(diào)試信息，也可以用來對目標程序進行反匯編；

(6)Objcopy，用來拷貝或是翻譯目標文件；

(7)Nm，列出目標文件、庫或是可執(zhí)行文件中的代碼符號及代碼符號所對應(yīng)的程序開始地址；

(8)Size，顯示程序文件的段信息。

3.1 移植思路

編譯工具包含C/C++編譯器及二進制工具集（匯編、鏈接等工具），需要分別基于兩套代碼系統(tǒng)進行移植。GCC是高級語言編譯器相關(guān)的工具代碼，移植后可生成預處理器、高級語言編譯器等工具，binutils是二進制工具集代碼，移植后可生成匯編器、鏈接器、反匯編器等二進制工具。

通常在編譯過程中所使用的GCC是一個驅(qū)動程序，在實際執(zhí)行編譯的過程中將根據(jù)輸入的命令參數(shù)，調(diào)用不同的程序（包括預處理器、編譯器、匯編器以及鏈接器等）進行分析處理，實現(xiàn)對整個編譯過程的控制。

編譯工具移植實現(xiàn)步驟如下：

(1)移植環(huán)境準備（源代碼獲取、移植環(huán)境選擇）；

(2)分析處理器結(jié)構(gòu)及指令特點，進行目標機信息的描述；

(3)構(gòu)建編譯工具；

(4)測試驗證編譯工具。

3.2 移植實現(xiàn)過程

GCC幾乎可以運行在所有操作系統(tǒng)平臺上，如GNU/Linux、其他自由軟件平臺（BSD系列）等。通過Cygwin（或MinGW）工具，GCC也可以運行在MS DOS、MS Windows多個版本的平臺上。本文移植工作主機系統(tǒng)選擇Windows平臺，采用Cygwin作為虛擬環(huán)境。必要的源代碼包括gcc-5.2.0、二進制工具源代碼binutils-2.23.1。代碼閱讀使用Source Insight3.5工具。

3.2.1 編譯器代碼移植

代碼移植就是在GCC框架內(nèi)添加目標機器信息的描述，在./gcc-5.2.0/gcc/路徑中創(chuàng)建target文件夾，并在該文件夾中創(chuàng)建機器描述文件（如target.c、target.h、target.md等文件）。target.h定義大小端、指令類型、數(shù)據(jù)類型及字長、內(nèi)存邊界及對齊、尋址模式類型、標準寄存器的分配等信息。

cmdsp2f01處理器有16個32位通用地址寄存器，分別為a0～a15。設(shè)計 a1用作棧指針sp，a2～a7用于函數(shù)調(diào)用處理。處理器寄存器信息定義如圖3所示。

target.c文件中定義一些API接口函數(shù)，供target.md描述指令時使用。如圖4所示，在target.c文件中定義有符號8位立即數(shù)。

在target.md中描述加法操作數(shù)時引用該接口函數(shù)，加法操作數(shù)詳細描述方法如圖5所示。

target.md文件中，使用RTL語言對機器指令特點進行描述，描述語句遵循RTL語言規(guī)則。處理器支持5種加法類型指令，16位寄存器尋址加法指令add.n，16位立即數(shù)尋址加法指令，24位寄存器尋址加法指令add，24位立即數(shù)尋址加法指令addi，24位立即數(shù)尋址加法指令addmi，立即數(shù)尋址時左移8位。加法指令的描述如圖6所示。

圖3 target.h文件內(nèi)容摘要

圖4 8位立即數(shù)API定義

圖5 加法操作數(shù)定義

圖6 加法指令描述

3.2.2 編譯器構(gòu)建過程

gcc-5.2.0版本的編譯需要mpc的支持，而mpc又依賴于gmp和mpfr庫，因此需要從官網(wǎng)上下載源代碼mpc-0.8.1、gmp-4.3.2、mpfr-2.4.2。分別安裝3個庫，由于庫之間有依賴關(guān)系，庫的安裝有先后順序，安裝順序為gmp/mpfr/mpc。3個庫安裝在默認庫的路徑下（./usr/lib）。

GCC構(gòu)建時，按照configure/make的步驟，詳細步驟如下：

構(gòu)建好的工具在路徑./usr/local/bin下。

3.2.3 二進制代碼構(gòu)建

在../Binutils-2.23.1/include/路徑下，創(chuàng)建文件target-isa.h進行處理器架構(gòu)宏定義。在../Binutils-2.23.1/gas/config路徑下，創(chuàng)建target.c和target.h指令集描述文件，實現(xiàn)對指令集的映射。構(gòu)建過程與GCC構(gòu)建過程類似，配置選項相對簡單很多。

3.3 應(yīng)用驗證

編譯工具本身結(jié)構(gòu)復雜，進行全面的測試比較困難。編譯工具的測試與其他類型軟件的測試一樣，同樣分為黑盒測試與白盒測試。在實際工程應(yīng)用中，通常以黑盒測試為主，以白盒測試為輔[8]。黑盒測試具體是提供測試用例，將產(chǎn)生的結(jié)果與預期結(jié)果進行比較，測試用例的設(shè)計和選擇尤為重要。為了避免測試用例受到開發(fā)人員經(jīng)驗、偏好等因素的影響，本文選擇處理器性能評價標準程序為測試用例，對本文構(gòu)建的編譯工具進行測試驗證。黑盒測試流程如圖7所示。

表1 標準benchmark測試程序

測試程序執(zhí)行如圖8所示的自定義makefile文件后，輸出編譯中間結(jié)果及最終可執(zhí)行二進制文件。使用移植后的gdb加載運行后，執(zhí)行結(jié)果與VS2008下編譯程序執(zhí)行的結(jié)果比較，結(jié)果正確無誤。

白盒測試，C語言編譯器輸出匯編代碼，編寫簡單的C源代碼如圖9 a.c文件，執(zhí)行taret-gcc5.2.0.exe-S a.c-o a.S命令后，輸出相應(yīng)匯編代碼，如圖9所示。加法操作被翻譯為16位寄存器尋址的加法指令add.n。常量數(shù)據(jù)放入特定的數(shù)據(jù)段.literal，每個變量定義了地址標號，便于立即尋址。

圖7 黑盒測試流程

圖8 自定義makefile文件

圖9 C語言編譯結(jié)果

4 結(jié)束語

本文基于GCC，針對特定目標處理器實現(xiàn)了編譯工具的移植，全面描述了編譯工具移植的實施流程，針對目標處理器架構(gòu)特點，設(shè)計了機器描述文件內(nèi)容，成功構(gòu)建了特定處理器的編譯工具套件，并對工具套件進行了功能驗證。本文描述的技術(shù)同樣可用于其他處理器架構(gòu)編譯工具的移植開發(fā)，可節(jié)省開發(fā)調(diào)試時間。

[1]Backus,J W,R J Beeber,S Best,et al.The Fortran automatic coding system[C].Western Joint Computer Conference,1957:188-198.

[2]Appel A W,Palsberg J.Modern Compiler Implementation in Java[M].Cambridge University Press,second edition,2002.

[3]Aho A V,Sethi R,Ullman JD.Compilers Principles,Techniques,and Tools[M].Person Education,1986.

[4]Muchnick S S.Advanced Compiler Design and Implementation[M].San Francisco,California:Morgan Kaufmann,1997.

[5]Wang Xiaowei,Wang Kuixing,Yang Quansheng.Research and DevelopmentofCompilerBased on GCC[C].CSIE 2011,LNEE 126:809-814.

[6]Rainer Leupers,Peter Marwedel.Retargetable compiler technology for embeded systems,tools and applications[M].Kluwer Academic Publishers,October 2001.

[7]石博慧，陳英.GCC代碼優(yōu)化技術(shù)研究[J].微機發(fā)展，2004(8):67-70.

[8]陳慈勇.基于GCC的交叉編譯器移植開發(fā)及其測試方案的設(shè)計研究[D].廈門,2011:67.