基于GCC的cmdsp2f01編譯工具移植開發

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，實現把某種編程語言編寫的代碼轉變成另一種計算機語言的功能。編譯技術是計算機領域的關鍵技術之一，隨計算機語言和處理器體系結構的發展而發展，目前計算機系統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軟件，開發難度較大，最早期的高級語言編譯工具共花費了18人/年的時間[1]。研究者們經過幾十年的不懈努力，在編譯理論、技術和實驗上積累了豐富的成果[2,3,4]。隨著嵌入式系統的發展和高性能體系結構的出現，編譯工具的開發速度和質量有了更高的要求，推動了可重定向編譯系統的研究，逐步將與高級語言相關的詞法語法分析模塊設計成可復用的前端，機器相關的部分被封裝起來，前端通過間接調用的方式與機器相關的部分發生關系。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難度和開發時間。

圖1 可重定向編譯系統

可重定向編譯系統結構定義良好，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化，沒有做與目標機相關的優化，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許可證所發行的自由軟件，是可重定向編譯系統的代表，常被認為是跨平臺編譯工具移植的事實標準。該系統在所有平臺上都能使用同一個前端處理程序，產生相同的中間代碼，因此在不同平臺上，使用GCC系統移植編譯工具，不僅可以保證編譯工具的性能質量，還能縮短開發周期[5]。但是嵌入式處理器體系結構一般都不規則，對代碼質量要求嚴格，必須對編譯系統的前端和后端進行針對性的優化設計才能滿足要求，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編譯系統的移植，成功構建了cmdsp2f01處理器的編譯工具套件，經測試驗證，編譯工具套件編譯功能正確。

2 cmdsp2f01結構

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，支持單周期5條指令并行執行，支持單指令多數據流（SIMD），使數據處理并行度更高，128 bit程序總線，雙256 bit數據總線，具備單精度浮點運算，支持16 bit、24 bit指令編碼。其內部流水線支持7級，運算能力達12.8 GMACs。

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

圖2 處理器架構信息

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。移植的主要任務是目標機器信息的描述。GCC系統中，機器信息的描述主要采用寄存器轉換語言RTL（Register Transfer Language）語言實現，輔助以C接口函數（API）的設計。RTL中間表作為GCC C編譯器后端的核心內容，將后端中可重用的部分剝離出來，再通過相應的接口為不同的目標機器定義各自的映射規則，這種方式極大地提高了GCC的適應性，也增強了它的可維護性、可擴展性以及可移植性[7]。

本文的移植是結合cmdsp2f01處理器特點，對機器描述進行設計和實現，構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處理器對應的匯編代碼，編譯器包括外殼程序（shell program）、優化器和預處理器；

(2)匯編器（Assembler），把匯編語言源文件轉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行目標模塊，除了能夠創建可執行文件外，還可以調整外部符號的引用，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整庫；

(5)Objdump，用來查看目標程序中的段信息和調試信息，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、庫或是可執行文件中的代碼符號及代碼符號所對應的程序開始地址；

(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進行移植。GCC是高級語言編譯器相關的工具代碼，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是一個驅動程序，在實際執行編譯的過程中將根據輸入的命令參數，調用不同的程序（包括預處理器、編譯器、匯編器以及鏈接器等）進行分析處理，實現對整個編譯過程的控制。

編譯工具移植實現步驟如下：

(1)移植環境準備（源代碼獲取、移植環境選擇）；

(2)分析處理器結構及指令特點，進行目標機信息的描述；

(3)構建編譯工具；

(4)測試驗證編譯工具。

3.2 移植實現過程

GCC幾乎可以運行在所有操作系統平臺上，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選擇Windows平臺，采用Cygwin作為虛擬環境。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框架內添加目標機器信息的描述，在./gcc-5.2.0/gcc/路徑中創建target文件夾，并在該文件夾中創建機器描述文件（如target.c、target.h、target.md等文件）。target.h定義大小端、指令類型、數據類型及字長、內存邊界及對齊、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。設計 a1用作棧指針sp，a2～a7用于函數調用處理。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，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。

在target.md中描述加法操作數時引用該接口函數，加法操作數詳細描述方法如圖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位立即數尋址加法指令，24位寄存器尋址加法指令add，24位立即數尋址加法指令addi，24位立即數尋址加法指令addmi，立即數尋址時左移8位。加法指令的描述如圖6所示。

圖3 target.h文件內容摘要

圖4 8位立即數API定義

圖5 加法操作數定義

圖6 加法指令描述

3.2.2 編譯器構建過程

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構建時，按照configure/make的步驟，詳細步驟如下：

構建好的工具在路徑./usr/local/bin下。

3.2.3 二進制代碼構建

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

3.3 應用驗證

編譯工具本身結構復雜，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，將產生的結果與預期結果進行比較，測試用例的設計和選擇尤為重要。為了避免測試用例受到開發人員經驗、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

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

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，執行taret-gcc5.2.0.exe-S a.c-o a.S命令后，輸出相應匯編代碼，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。常量數據放入特定的數據段.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語言編譯結果

4 結束語

本文基于GCC，針對特定目標處理器實現了編譯工具的移植，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特點，設計了機器描述文件內容，成功構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。本文描述的技術同樣可用于其他處理器架構編譯工具的移植開發，可節省開發調試時間。

[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代碼優化技術研究[J].微機發展，2004(8):67-70.

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