SPARC高性能處理器集成開發(fā)環(huán)境及其編譯器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

嵌入式系統(tǒng)迅猛發(fā)展的今天，廣泛的應(yīng)用和需求使嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)不再局限于只能由相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的專家來完成，各種優(yōu)秀集成開發(fā)環(huán)境(IDE，Integration Develop Environment)的出現(xiàn)，大大降低了工程人員的開發(fā)門檻[1]，使得嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)變得相對簡單。目前，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)使用的開發(fā)平臺多種多樣，從ARM公司的SDT到ADS，再到RVDS，以及風(fēng)河公司的Tornado和其他公司提供的各種專用開發(fā)工具;這些IDE一般都是由文件管理器、編譯器、匯編器、鏈接器、調(diào)試器等組件和工具組成。在這些開發(fā)環(huán)境中，編譯程序起著核心作用，鏈接程序、調(diào)試程序、程序管理等工具直接依靠編譯程序所產(chǎn)生的結(jié)果工作，而且其它工具的構(gòu)造也常常要用到編譯的原理、方法和技術(shù)，因此，IDE與編譯器是密不可分的。

本文針對空間SPARC高性能處理器的IDE及其C編譯器進(jìn)行研究，從而完成SPARC處理器的軟件開發(fā)環(huán)境的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1、處理器體系構(gòu)架

空間SPARC高性能處理器是一款SPARC v8兼容[1] [2] [3]的高性能SoC，它在片上包含整數(shù)處理單元，浮點(diǎn)處理單元，獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)Cache，硬件乘法器和除法器，外部可編程輸入端口的中斷控制器，帶有跟蹤緩沖器的硬件調(diào)試單元，兩個24位定時器，32個通用I/O接口，一個看門狗，三個串行通信接口，能夠支持PROM、SRAM、SDRAM和I/O映射空間訪問的外部存儲器控制器，具有軟件可控的省電工作模式，具有可實(shí)現(xiàn) PCI主機(jī)橋(Host bridge)和從屬橋(Guest bridge)功能的PCI控制器等，只要加上存儲器和與應(yīng)用相關(guān)的外圍電路，就可以構(gòu)成完整的單板計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其體系框圖如下所示：

2、集成開發(fā)環(huán)境

好的集成開發(fā)環(huán)境可以提供設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證、分析、并行開發(fā)的能力，嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境更是整合了各方的資源與一身。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個環(huán)節(jié)彼此之間都是有相互聯(lián)系的，設(shè)計(jì)的結(jié)果好壞和正確要在仿真和驗(yàn)證中取得，仿真驗(yàn)證的數(shù)據(jù)又可以反過來指導(dǎo)設(shè)計(jì)，所以說單純的隔離設(shè)計(jì)中的各個部分的設(shè)計(jì)是不合理的，集成環(huán)境可以為設(shè)計(jì)者提供這樣一個平臺，使得設(shè)計(jì)者和驗(yàn)證者共享數(shù)據(jù)，彼此之間協(xié)同工作使得設(shè)計(jì)更加的合理。

2.1 總體設(shè)計(jì)

嵌入式集成開發(fā)環(huán)境針對SPARC高性能處理器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)能力進(jìn)行改進(jìn)，希望能夠提供給用戶和系統(tǒng)開發(fā)工程師一個比較完備的、易用的開發(fā)工具，其主要功能應(yīng)包括以下幾個方面：

應(yīng)用程序開發(fā)，包括編輯、編譯 應(yīng)用程序調(diào)試 軟件工程管理 軟件仿真環(huán)境 操作系統(tǒng)配置管理 集成環(huán)境配置管理

集成開發(fā)環(huán)境的總體設(shè)計(jì)框圖如下所示：

2.2 集成開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)

作為高性能控制SPARC高性能處理器的專用集成開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了軟件開發(fā)環(huán)境SPE-C，使用C語言做為其編程語言，運(yùn)用SPARC V8平臺適用的BMSPARC編譯套件，能在本地Win32的環(huán)境下運(yùn)行。

它具備集成開發(fā)環(huán)境所有必要的功能，包括集成的源代碼編輯，工程管理，編譯調(diào)試，環(huán)境設(shè)置等功能，方便用戶基于SPARC v8兼容處理器的應(yīng)用開發(fā)和程序調(diào)試。

它還具有一般開發(fā)環(huán)境所普遍具有的易用性和方便性。調(diào)試部分功能包括斷點(diǎn)、逐語句/過程運(yùn)行、查看和修改寄存器堆/存儲器/片上寄存器、指令跟蹤等，實(shí)現(xiàn)了調(diào)用棧和變量的查看等。

SPE-C軟件開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)的主要特點(diǎn)包括：

編程語言為C語言 支持BMSPARC編譯器 集成調(diào)試功能 新建工程提供系統(tǒng)初始化模版框架 提供可供修改的全定制鏈接腳本 創(chuàng)建生成文件腳本 工程管理，分類函數(shù)預(yù)覽 支持中英文兩種語言 文件函數(shù)預(yù)覽 代碼編輯，語法高亮 變量屬性提示 函數(shù)瀏覽及快速檢索，快速定位(文內(nèi)及工程)及文字替換 支持打印及系統(tǒng)統(tǒng)計(jì) 文件內(nèi)書簽功能

SPE-C軟件開發(fā)環(huán)境為用戶提供了高效、便捷的開發(fā)和調(diào)試環(huán)境，現(xiàn)在該軟件已經(jīng)設(shè)計(jì)完成并通過第三方評測，可以隨時提供給用戶使用。

3、BMSPARC編譯器

3.1 編譯器工作原理

BMSPARC是基于GNU工具鏈并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的一款編譯器套件。GNU工具鏈一般由下面一些工具組成：編譯器GCC(GCC本身作為編譯器集合包含了對多種語言的支持，這里僅討論C編譯器);Binutils軟件包中作為匯編器的GAS，作為鏈接器和定址器的LD以及對二進(jìn)制目標(biāo)文件進(jìn)行變化處理的其他工具;作為標(biāo)準(zhǔn)C庫的Newlib或Glibc;作為調(diào)試器的GDB。[4] [5]

其中編譯器是將一種語言編譯成為另一種語言的計(jì)算機(jī)程序，該程序以源語言編寫的程序作為輸入，翻譯生成等價的目標(biāo)語言程序。編譯器可分成只依賴于源語言的編譯器前端和只依賴于目標(biāo)語言的編譯器后端兩大部分。前端主要對源代碼進(jìn)行掃描、語法分析和語義分析，生成中間代碼;而后端主要是優(yōu)化器和代碼生成器。

3.2 BMSPARC編譯器生成

在進(jìn)行基于SPARC高性能處理器的嵌入式軟件系統(tǒng)開發(fā)之前，要先建立交叉編譯環(huán)境。目標(biāo)機(jī)的交叉編譯環(huán)境是一個由編譯器、鏈接器和解釋器組成的綜合開發(fā)環(huán)境，主要由 binutils、gcc 和 glibc 幾個部分組成。有時出于減小 libc 庫大小的考慮，也可以用別的 c 庫來代替 glibc，例如 uClibc、dietlibc 和 newlib。建立一個交叉編譯工具鏈?zhǔn)且粋€復(fù)雜的過程，交叉編譯器的最終成功運(yùn)行，取決于很多因素，包括：主機(jī)系統(tǒng)配置、GNU工具版本配合、參數(shù)配置、庫選擇等，一個成功的、穩(wěn)定的交叉編譯環(huán)境是需要花費(fèi)大量額時間的，幸運(yùn)的是現(xiàn)在針對很多處理器都有比較成熟何穩(wěn)定的編譯配置，這里簡單列出本系統(tǒng)的交叉編譯環(huán)境的主要配置：[!--empirenews.page--]

宿主機(jī) i386-cygwin，目標(biāo)機(jī) sparc; 編譯環(huán)境版本

1. binutils-2.13.2.1

2. gcc-3.4.4

3. gdb-6.3

4. newlib-1.13.0

在交叉編譯器編譯的基本配置如下所示:

../gcc-3.4.4/configure --target=sparc-elf --prefix= /opt/sparc-elf-3.4.4

--with-gnu-as --with-gnu-ld

--verbose --enable-languages=c,c++ --disable-shared --disable-nls

--with-newlib --with-cpu=leon 2>&1 | tee compile-gcc-configure.out

交叉編譯環(huán)境建立過程如下：

1. 下載源文件、補(bǔ)丁和建立編譯的目錄

2. 建立內(nèi)核頭文件

3. 建立二進(jìn)制工具(binutils)

4. 建立初始編譯器(bootstrap gcc)

5. 建立c庫(glibc)

6. 建立全套編譯器(full gcc)

7. 下載源文件、補(bǔ)丁和建立編譯的目錄

生成的工具鏈?zhǔn)腔贓LF格式的，全部在/opt/sparc-elf-3.4.4(這是cygwin的目錄)路徑下，完全作為集成開發(fā)環(huán)境的配套工具鏈。

3.3 CORDIC指令支持

BMSPARC還提供對硬件CORDIC的支持。CORDIC算法使用矢量的旋轉(zhuǎn)和定向運(yùn)算進(jìn)行三角函數(shù)、對數(shù)、開方及反三角函數(shù)等復(fù)雜運(yùn)算。該算法的基本思想是通過一系列固定的與運(yùn)算基數(shù)相關(guān)的角度的不斷偏擺以逼近所需的旋轉(zhuǎn)角度，由于其基本運(yùn)算單元只有移位與加減法，為該算法的VLSI實(shí)現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ)。

下表列出了BMSPARC支持的cordic協(xié)處理器指令及其對應(yīng)的指令操作碼，是對SPARC v8標(biāo)準(zhǔn)指令集中浮點(diǎn)協(xié)處指令操作碼的擴(kuò)充。

BMSPARC編譯器提供對cordic指令的支持，主要通過庫函數(shù)修改的方式完成。首先在binutils中修改匯編器gas，主要針對匯編器的前端和BFD庫的移植，涉及到的文件包括：tc-sparc.c、tc-sparc.h、sparc.h、sparc-opc.c、sparc-dis.c和elf32- sparc.h等。通過定義相應(yīng)cordic指令的宏來完成匯編級的指令生成，之后要完成newlib中超越函數(shù)相關(guān)的數(shù)學(xué)函數(shù)庫，利用匯編指令實(shí)現(xiàn)函數(shù)的功能，并在匯編中使用cordic指令完成的超越函數(shù)功能。最后定義頂層數(shù)據(jù)類型，針對不同的數(shù)據(jù)類型，如針對單精度和雙精度的浮點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)其三角函數(shù)的數(shù)學(xué)庫是不同的，要分別針對其不同的類型進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

顯然，通過使用庫替換的方法，可以簡化移植過程，實(shí)現(xiàn)軟件兼容及編譯器的快速開發(fā)和使用，并可以快速的完成針對超越函數(shù)的編譯器優(yōu)化。

4、SPE-C與BMSPARC編譯器的集成

SPE-C中編譯系統(tǒng)的基本規(guī)則為：針對工程中的源文件及鏈接文件，包括用戶指定的庫文件，按照指定的規(guī)則，并參考用戶設(shè)置，生成一個符合要求的Makefile文件，然后用make.exe對Makefile文件進(jìn)行解釋執(zhí)行，從而生成需要的目標(biāo)文件，或完成相應(yīng)的動作。[6] [7] [8]

如果在整個過程中有錯誤發(fā)生，則編譯/鏈接終止，IDE系統(tǒng)將套件提供的錯誤原因反饋給用戶。

為了將BMSPARC編譯工具鏈集成到SPE-C中，必須使BMSPARC工具鏈的輸出信息包括警告和錯誤信息最終輸出(Output)在SPE-C的顯示窗口中。由于BMSPARC工具鏈的各個執(zhí)行文件都是基于控制臺的執(zhí)行程序(基于命令窗口的命令行程序)，而SPE-C是圖形用戶界面(GUI)程序，因此要將它們執(zhí)行的各種輸出信息收集并放到SPE-C的輸出窗口中顯示，需要一些實(shí)現(xiàn)技巧。本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)在SPE-C的輸出窗口中顯示編譯信息的方法如下：

1)當(dāng)集成開發(fā)環(huán)境通過界面交互得到用戶編譯某一工程或源碼文件的指令后，首先發(fā)起一個后臺線程;

2)后臺線程創(chuàng)建一個匿名管道，發(fā)起一個命令子進(jìn)程以執(zhí)行編譯整個工程或某個源碼文件的make命令，直接將該命令子進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸出和錯誤輸出均重定向到由父進(jìn)程創(chuàng)建的匿名管道的“寫”端，SPE-C的后臺線程通過該匿名管道的“讀”端得到所需要的編譯信息;

3)后臺線程再將所有通過管道獲取的編譯信息實(shí)時傳送回IDE界面中的信息輸出(Output)窗口進(jìn)行顯示。

下圖是采用如上技術(shù)，實(shí)現(xiàn)SPE-C與編譯器之間的信息交互的結(jié)果示例：

顯然，這種方法實(shí)現(xiàn)起來并不復(fù)雜，命令子進(jìn)程的Stdout和Stderr都被重定向到匿名管道的寫端，僅用一個匿名管道就實(shí)現(xiàn)了全部功能。上面程序流程圖中從匿名管道讀端讀取的輸出信息，即是由編譯命令子進(jìn)程的Stdout和Stderr重定向輸出的內(nèi)容，將其直接放入Output窗口中顯示便實(shí)現(xiàn)了編譯信息實(shí)時顯示的功能。

結(jié)束語

本文討論了針對SPARC高性能處理器的嵌入式系統(tǒng)專用軟件集成開發(fā)環(huán)境及其編譯器，介紹了集成開發(fā)環(huán)境(SPE-C)的設(shè)計(jì)及其集成的相關(guān)功能，介紹了BMSPARC編譯環(huán)境及其添加CORDIC指令支持的方法，以及如何實(shí)現(xiàn)編譯環(huán)境與集成開發(fā)環(huán)境的集成。通過上面的工作，SPE-C集成開發(fā)環(huán)境已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與SPARC高性能處理器的無縫配合工作;下一步要完善軟件仿真環(huán)境及對操作系統(tǒng)的支持，為用戶進(jìn)行軟件仿真和針對操作系統(tǒng)編譯開發(fā)提供有效的支持環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1] “The SPARC Architecture Manual Version 8”， SPARC International，Prentice Hall， 1992

[2] Prakash Rashinkar，Peter Paterson.孫海平譯. 系統(tǒng)芯片(SOC)驗(yàn)證方法與技術(shù). 電子工業(yè)出版社，2005

[3] 張鎮(zhèn)，魏同立， 基于IP模塊的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電子器件，2002

[4] 姚文剛，[碩士論文]基于GCC的交叉編譯器結(jié)構(gòu)分析與后端移植研究，2006

[5] 王曉棟，鄭扣根，基于嵌入式系統(tǒng)的交叉匯編器的研究與實(shí)現(xiàn)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2004

[6] 朱興泉，IDE集成GCC編譯器的方法，指揮控制與仿真，2007

[7] 王榮勝，林嘉宇，張鑌，嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境中的編譯器效能研究，電子技術(shù)應(yīng)用 2008

[8] 鄒耀，劉佩林，基于用戶描述的可配置匯編器，計(jì)算機(jī)工程，2009