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編譯器進行研究，從而完成SPARC處理器的軟件開發(fā)環(huán)境的設(shè)計和實現(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，浮點處理單元，獨立的指令和數(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，具有可實現(xiàn) PCI主機橋(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)成完整的單板計算機系統(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、仿真、驗證、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)計的各個環(huán)節(jié)彼此之間都是有相互聯(lián)系的，設(shè)計的結(jié)果好壞和正確要在仿真和驗證中取得，仿真驗證的數(shù)據(jù)又可以反過來指導(dǎo)設(shè)計，所以說單純的隔離設(shè)計中的各個部分的設(shè)計是不合理的，集成環(huán)境可以為設(shè)計者提供這樣一個平臺，使得設(shè)計者和驗證者共享數(shù)據(jù)，彼此之間協(xié)同工作使得設(shè)計更加的合理。
2.1 總體設(shè)計
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)計要求和設(shè)計能力進行改進，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)計框圖如下所示：
2.2 集成開發(fā)環(huán)境實現(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)計實現(xiàn)了軟件開發(fā)環(huán)境SPE-C，使用C語言做為其編程語言，運用SPARC V8平臺適用的BMSPARC編譯套件，能在本地Win32的環(huán)境下運行。
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、逐語句/過程運行、查看和修改寄存器堆/存儲器/片上寄存器、指令跟蹤等，實現(xiàn)了調(diào)用棧和變量的查看等。
SPE-C軟件開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)的主要特點包括：
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 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工具鏈并進行優(yōu)化設(shè)計的一款編譯器套件。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以及對二進制目標文件進行變化處理的其他工具;作為標準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算機程序，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語言的編譯器后端兩大部分。前端主要對源代碼進行掃描、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。目標機的交叉編譯環(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是一個復(fù)雜的過程，交叉編譯器的最終成功運行，取決于很多因素，包括：主機系統(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)境是需要花費大量額時間的，幸運的是現(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：
宿主機 i386-cygwin，目標機 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、補丁和建立編譯的目錄
2. 建立內(nèi)核頭文件
3. 建立二進制工具(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、補丁和建立編譯的目錄
生成的工具鏈是基于ELF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)和定向運算進行三角函數(shù)、對數(shù)、開方及反三角函數(shù)等復(fù)雜運算。該算法的基本思想是通過一系列固定的與運算基數(shù)相關(guān)的角度的不斷偏擺以逼近所需的旋轉(zhuǎn)角度，由于其基本運算單元只有移位與加減法，為該算法的VLSI實現(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標準指令集中浮點協(xié)處指令操作碼的擴充。
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，實現(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行實現(xiàn)。
顯然，通過使用庫替換的方法，可以簡化移植過程，實現(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文件進行解釋執(zhí)行，從而生成需要的目標文件，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，需要一些實現(xiàn)技巧。本系統(tǒng)中實現(xiàn)在SPE-C的輸出窗口中顯示編譯信息的方法如下：
1)當集成開發(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，直接將該命令子進程的標準輸出和錯誤輸出均重定向到由父進程創(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時傳送回IDE界面中的信息輸出(Output)窗口進行顯示。
下圖是采用如上技術(shù)，實現(xiàn)SPE-C與編譯器之間的信息交互的結(jié)果示例：
顯然，這種方法實現(xiàn)起來并不復(fù)雜，命令子進程的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窗口中顯示便實現(xiàn)了編譯信息實時顯示的功能。
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
[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 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現(xiàn)，工業(yè)控制計算機，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，計算機工程，2009