张梅娟，张 荣，张 铆，韦 祎

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214072）

1 引言

编译工具是指一组编译套件，实现把某种编程语言编写的代码转变成另一种计算机语言的功能。编译技术是计算机领域的关键技术之一，随计算机语言和处理器体系结构的发展而发展，目前计算机系统高级语言已几乎完全代替了汇编语言。常用的编译工具包含了高级语言编译器（C/C++等）、汇编器、链接器和其他二进制工具。

高级语言编译工具是一个大型系统软件，开发难度较大，最早期的高级语言编译工具共花费了18人/年的时间[1]。研究者们经过几十年的不懈努力，在编译理论、技术和实验上积累了丰富的成果[2,3,4]。随着嵌入式系统的发展和高性能体系结构的出现，编译工具的开发速度和质量有了更高的要求，推动了可重定向编译系统的研究，逐步将与高级语言相关的词法语法分析模块设计成可复用的前端，机器相关的部分被封装起来，前端通过间接调用的方式与机器相关的部分发生关系。如图1所示，针对不同处理器，只需要进行目标机器信息的描述（即编译工具的移植），即可快速生成一套编译工具。这大大减小了编译工具的开发难度和开发时间。

图1 可重定向编译系统

可重定向编译系统结构定义良好，针对不同的后端，前端代码基本上不用修改，做到了最大限度的代码复用。但是前端只进行了一些通用的代码优化，没有做与目标机相关的优化，运行效率有一定的提升空间。

GCC（GNU Compiler Collection，GNU 编译器套件），是一套以GPL及LGPL许可证所发行的自由软件，是可重定向编译系统的代表，常被认为是跨平台编译工具移植的事实标准。该系统在所有平台上都能使用同一个前端处理程序，产生相同的中间代码，因此在不同平台上，使用GCC系统移植编译工具，不仅可以保证编译工具的性能质量，还能缩短开发周期[5]。但是嵌入式处理器体系结构一般都不规则，对代码质量要求严格，必须对编译系统的前端和后端进行针对性的优化设计才能满足要求，因此移植具有其特殊的难度和复杂性[6]。

本文基于可重定向的GCC编译系统的移植，成功构建了cmdsp2f01处理器的编译工具套件，经测试验证，编译工具套件编译功能正确。

2 cmdsp2f01结构

编译工具的移植，需要描述目标机器信息。cmdsp2f01是中国电科第58所开发的一款高性能DSP芯片，该芯片处理器采用超长指令字（VLIW）架构，支持单周期5条指令并行执行，支持单指令多数据流（SIMD），使数据处理并行度更高，128 bit程序总线，双256 bit数据总线，具备单精度浮点运算，支持16 bit、24 bit指令编码。其内部流水线支持7级，运算能力达12.8 GMACs。

cmdsp2f01的DSP内核架构支持1字节、2字节和4字节数据格式，另支持32 bit单精度浮点数据格式和40 bit累加器值（MAC16时使用）。所有存储在内存的数据CPU都是字节寻址，字节顺序固定为小端模式，即0字节是最低有效位字节。核指令基于32 bit虚拟和物理内存寻址，指令和数据寻址可达4 GB寻址空间。寻址方式支持寄存器加立即数寻址。

图2 处理器架构信息

如图2所示，cmdsp2f01 DSP除支持通用运算和存取指令外，还增加了专用定点矢量指令。其中，通用指令包含Move指令、加减指令、乘加指令、比较指令、分支指令、地址运算指令和存取指令。

3 移植设计

本文所述的编译工具是指一组编译套件，含C编译器和汇编器、链接器等二进制工具集。移植的主要任务是目标机器信息的描述。GCC系统中，机器信息的描述主要采用寄存器转换语言RTL（Register Transfer Language）语言实现，辅助以C接口函数（API）的设计。RTL中间表作为GCC C编译器后端的核心内容，将后端中可重用的部分剥离出来，再通过相应的接口为不同的目标机器定义各自的映射规则，这种方式极大地提高了GCC的适应性，也增强了它的可维护性、可扩展性以及可移植性[7]。

本文的移植是结合cmdsp2f01处理器特点，对机器描述进行设计和实现，构建一套新的编译工具。编译工具套件基本功能如下：

(1)C编译器（C-Compiler），将C语言程序代码编译成cmdsp2f01处理器对应的汇编代码，编译器包括外壳程序（shell program）、优化器和预处理器；

(2)汇编器（Assembler），把汇编语言源文件转换成基于公用目标文件（ELF）的机器目标文件，也就是常用的*.out文件；

(3)链接器（Linker），把多个目标文件组合成单个可执行目标模块，除了能够创建可执行文件外，还可以调整外部符号的引用，链接器输入的是可重定位的目标文件和目标文件库；

(4)归档器（archiver），允许用户将一组文件收集到一个归档文件中，也叫归档库，其最常见的用法是创建目标文件库，也可以通过删除、替换、提取或添加文件操作来调整库；

(5)Objdump，用来查看目标程序中的段信息和调试信息，也可以用来对目标程序进行反汇编；

(6)Objcopy，用来拷贝或是翻译目标文件；

(7)Nm，列出目标文件、库或是可执行文件中的代码符号及代码符号所对应的程序开始地址；

(8)Size，显示程序文件的段信息。

3.1 移植思路

编译工具包含C/C++编译器及二进制工具集（汇编、链接等工具），需要分别基于两套代码系统进行移植。GCC是高级语言编译器相关的工具代码，移植后可生成预处理器、高级语言编译器等工具，binutils是二进制工具集代码，移植后可生成汇编器、链接器、反汇编器等二进制工具。

通常在编译过程中所使用的GCC是一个驱动程序，在实际执行编译的过程中将根据输入的命令参数，调用不同的程序（包括预处理器、编译器、汇编器以及链接器等）进行分析处理，实现对整个编译过程的控制。

编译工具移植实现步骤如下：

(1)移植环境准备（源代码获取、移植环境选择）；

(2)分析处理器结构及指令特点，进行目标机信息的描述；

(3)构建编译工具；

(4)测试验证编译工具。

3.2 移植实现过程

GCC几乎可以运行在所有操作系统平台上，如GNU/Linux、其他自由软件平台（BSD系列）等。通过Cygwin（或MinGW）工具，GCC也可以运行在MS DOS、MS Windows多个版本的平台上。本文移植工作主机系统选择Windows平台，采用Cygwin作为虚拟环境。必要的源代码包括gcc-5.2.0、二进制工具源代码binutils-2.23.1。代码阅读使用Source Insight3.5工具。

3.2.1 编译器代码移植

代码移植就是在GCC框架内添加目标机器信息的描述，在./gcc-5.2.0/gcc/路径中创建target文件夹，并在该文件夹中创建机器描述文件（如target.c、target.h、target.md等文件）。target.h定义大小端、指令类型、数据类型及字长、内存边界及对齐、寻址模式类型、标准寄存器的分配等信息。

cmdsp2f01处理器有16个32位通用地址寄存器，分别为a0～a15。设计 a1用作栈指针sp，a2～a7用于函数调用处理。处理器寄存器信息定义如图3所示。

target.c文件中定义一些API接口函数，供target.md描述指令时使用。如图4所示，在target.c文件中定义有符号8位立即数。

在target.md中描述加法操作数时引用该接口函数，加法操作数详细描述方法如图5所示。

target.md文件中，使用RTL语言对机器指令特点进行描述，描述语句遵循RTL语言规则。处理器支持5种加法类型指令，16位寄存器寻址加法指令add.n，16位立即数寻址加法指令，24位寄存器寻址加法指令add，24位立即数寻址加法指令addi，24位立即数寻址加法指令addmi，立即数寻址时左移8位。加法指令的描述如图6所示。

图3 target.h文件内容摘要

图4 8位立即数API定义

图5 加法操作数定义

图6 加法指令描述

3.2.2 编译器构建过程

gcc-5.2.0版本的编译需要mpc的支持，而mpc又依赖于gmp和mpfr库，因此需要从官网上下载源代码mpc-0.8.1、gmp-4.3.2、mpfr-2.4.2。分别安装3个库，由于库之间有依赖关系，库的安装有先后顺序，安装顺序为gmp/mpfr/mpc。3个库安装在默认库的路径下（./usr/lib）。

GCC构建时，按照configure/make的步骤，详细步骤如下：

构建好的工具在路径./usr/local/bin下。

3.2.3 二进制代码构建

在../Binutils-2.23.1/include/路径下，创建文件target-isa.h进行处理器架构宏定义。在../Binutils-2.23.1/gas/config路径下，创建target.c和target.h指令集描述文件，实现对指令集的映射。构建过程与GCC构建过程类似，配置选项相对简单很多。

3.3 应用验证

编译工具本身结构复杂，进行全面的测试比较困难。编译工具的测试与其他类型软件的测试一样，同样分为黑盒测试与白盒测试。在实际工程应用中，通常以黑盒测试为主，以白盒测试为辅[8]。黑盒测试具体是提供测试用例，将产生的结果与预期结果进行比较，测试用例的设计和选择尤为重要。为了避免测试用例受到开发人员经验、偏好等因素的影响，本文选择处理器性能评价标准程序为测试用例，对本文构建的编译工具进行测试验证。黑盒测试流程如图7所示。

表1 标准benchmark测试程序

测试程序执行如图8所示的自定义makefile文件后，输出编译中间结果及最终可执行二进制文件。使用移植后的gdb加载运行后，执行结果与VS2008下编译程序执行的结果比较，结果正确无误。

白盒测试，C语言编译器输出汇编代码，编写简单的C源代码如图9 a.c文件，执行taret-gcc5.2.0.exe-S a.c-o a.S命令后，输出相应汇编代码，如图9所示。加法操作被翻译为16位寄存器寻址的加法指令add.n。常量数据放入特定的数据段.literal，每个变量定义了地址标号，便于立即寻址。

图7 黑盒测试流程

图8 自定义makefile文件

图9 C语言编译结果

4 结束语

本文基于GCC，针对特定目标处理器实现了编译工具的移植，全面描述了编译工具移植的实施流程，针对目标处理器架构特点，设计了机器描述文件内容，成功构建了特定处理器的编译工具套件，并对工具套件进行了功能验证。本文描述的技术同样可用于其他处理器架构编译工具的移植开发，可节省开发调试时间。

[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，陈英.GCC代码优化技术研究[J].微机发展，2004(8):67-70.

[8]陈慈勇.基于GCC的交叉编译器移植开发及其测试方案的设计研究[D].厦门,2011:67.