【導(dǎo)讀】在過去數(shù)十年,摩爾定律一直支配著半導(dǎo)體的發(fā)展。隨著MCU的性能越來越強(qiáng),嵌入式產(chǎn)品也越來越智能,嵌入式軟件也變得越來越復(fù)雜。編譯器作為嵌入式軟件開發(fā)的基礎(chǔ)工具,將程序員編寫的源代碼轉(zhuǎn)換為底層硬件可以執(zhí)行的機(jī)器指令。一款優(yōu)秀的編譯器既需要對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化,確保程序可以高效地運(yùn)行,同時(shí)又需要保證轉(zhuǎn)換的一致性。
在過去數(shù)十年,摩爾定律一直支配著半導(dǎo)體的發(fā)展。隨著MCU的性能越來越強(qiáng),嵌入式產(chǎn)品也越來越智能,嵌入式軟件也變得越來越復(fù)雜。編譯器作為嵌入式軟件開發(fā)的基礎(chǔ)工具,將程序員編寫的源代碼轉(zhuǎn)換為底層硬件可以執(zhí)行的機(jī)器指令。一款優(yōu)秀的編譯器既需要對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化,確保程序可以高效地運(yùn)行,同時(shí)又需要保證轉(zhuǎn)換的一致性。
因此,對(duì)于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員來講,在選擇以編譯器為核心的開發(fā)工具時(shí),就必須要考慮一款編譯器與其工程環(huán)境和項(xiàng)目需求的關(guān)系,從而通過“利其器”而“善其事”。本文將介紹一款優(yōu)秀編譯器應(yīng)具備的一些特征,幫助嵌入式軟件開發(fā)人員根據(jù)其工程需求來選擇適合的編譯器,最快和最好地完成其工程項(xiàng)目。
嵌入式軟件復(fù)雜性 vs MCU硬件資源的有限性
嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大,從汽車、航空航天到智能家居等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。然而,隨著嵌入式軟件功能越來越復(fù)雜,軟件復(fù)雜性也隨之增加,這給嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了很大的挑戰(zhàn)。特別是在硬件資源有限的嵌入式系統(tǒng)中,軟件復(fù)雜性與MCU硬件資源之間的平衡變得非常重要。
一方面,隨著軟件功能的增加,軟件復(fù)雜性不斷增加,這可能導(dǎo)致代碼變得龐大、難以維護(hù)。嵌入式軟件需要對(duì)外部設(shè)備和傳感器進(jìn)行控制和響應(yīng),同時(shí)還需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),這些都會(huì)增加軟件的復(fù)雜性。
另一方面,嵌入式系統(tǒng)通常只具有有限的硬件資源,包括處理器速度、存儲(chǔ)器容量和外設(shè)接口等。這些硬件資源的限制可能會(huì)限制系統(tǒng)的功能和性能。當(dāng)軟件復(fù)雜度增加時(shí),可能會(huì)占用更多的硬件資源,從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降或功能受限。此時(shí),需要采用編譯優(yōu)化算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和代碼模塊化等技術(shù),以便在MCU硬件資源有限的情況下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的嵌入式軟件功能。
因此,在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,軟件復(fù)雜性和MCU硬件資源之間的平衡非常關(guān)鍵。需要優(yōu)化嵌入式軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),以確保系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定和成本的完整考量。采用有效的軟件工程方法和工具,可以在硬件資源有限的情況下實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)功能。編譯器作為嵌入式軟件開發(fā)中不可或缺的生產(chǎn)工具,承擔(dān)從C/C++源碼到目標(biāo)二進(jìn)制代碼的高效轉(zhuǎn)換職責(zé),對(duì)其的選擇對(duì)于嵌入式軟件的開發(fā)極為重要。
一款優(yōu)秀的編譯器應(yīng)具備的特性
生成的代碼體積
首先,優(yōu)秀的編譯器可以將C/C++源代碼轉(zhuǎn)換成體積更小的二進(jìn)制代碼,從而在給定的MCU中加入更多的功能。在嵌入式系統(tǒng)中,MCU的存儲(chǔ)器資源通常是有限的,因此,如果代碼越小,系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。此外,更小的代碼體積也意味著更少的存儲(chǔ)器占用,這可以降低系統(tǒng)的成本。
下面,我們通過CoreMark基準(zhǔn)對(duì)市面上流行的MCU編譯器輸出的代碼尺寸進(jìn)行分析。CoreMark基準(zhǔn)是一個(gè)很好的參考,因?yàn)樗噲D納入開發(fā)人員做的一些更常見的事情,如矩陣操作、CRC計(jì)算、列表處理(包括查找和排序)等等。因此,它為你提供了一個(gè)關(guān)于編譯器能做什么的“真實(shí)世界”的比較,而且它還有防篡改機(jī)制,以確保編譯器供應(yīng)商不會(huì)通過“手工優(yōu)化”CoreMark代碼來作弊。可以訪問EEMBC網(wǎng)站查找包含各種MCU和編譯器組合的CoreMark基準(zhǔn)。
雖然CoreMark是一個(gè)速度基準(zhǔn),但得益于其廣泛的方法,它也是一個(gè)很好的代碼體積基準(zhǔn)。在各種芯片上觀察該基準(zhǔn)測試的一個(gè)文件 (coremark.c),可以發(fā)現(xiàn),根據(jù)下圖中顯示的所使用的芯片,其體積有小幅的變化。IAR Embedded Workbench(圖中為:ICCARM V7.70.1)呈現(xiàn)出比其他工具小得多的變化程度,并且在不同芯片上均能產(chǎn)生最小的代碼體積。
事實(shí)上,在CoreMark總共34個(gè)模塊的30個(gè)中,IAR Embedded Workbench for Arm產(chǎn)生了更緊密的代碼,總體體積差異約為20%。同樣,我們?cè)谡{(diào)研用戶使用IAR Embedded Workbench for RX和IAR Embedded Workbench for RL78開發(fā)的真實(shí)應(yīng)用案例時(shí),發(fā)現(xiàn)生成的代碼體積比GCC和其他工具小27%至 28%。
生成的代碼性能
其次,性能卓越的編譯器可以通過代碼優(yōu)化技術(shù)來提升代碼執(zhí)行速度。例如,編譯器可以進(jìn)行代碼重排、內(nèi)聯(lián)函數(shù)和循環(huán)展開等優(yōu)化操作,以提高代碼的執(zhí)行效率和性能。在嵌入式系統(tǒng)中,處理器的性能通常也是有限的,因此代碼的執(zhí)行速度很重要。通過提升代碼執(zhí)行速度,系統(tǒng)可以更充分地利用處理器的性能,這可以讓開發(fā)人員在不需要更高性能的處理器的情況下實(shí)現(xiàn)更高效的系統(tǒng)設(shè)計(jì),同時(shí)節(jié)省系統(tǒng)成本。另外,高效的二進(jìn)制代碼同樣可以降低MCU的功耗,有助于提升產(chǎn)品的續(xù)航能力,從而使得產(chǎn)品在低功耗應(yīng)用中更具競爭力。
同樣,我們通過CoreMark基準(zhǔn)對(duì)市面上流行的MCU編譯器輸出的代碼性能進(jìn)行分析。這里我們舉例來自Nordic Semiconductor芯片的CoreMark基準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)。選用“極致性能”編譯優(yōu)化選項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行編譯時(shí),IAR Embedded Workbench for Arm確實(shí)遠(yuǎn)超其他工具。如下表所示,從這些基準(zhǔn)測試中,可以看到IAR Embedded Workbench比Keil工具鏈高出19.1%,比GCC工具鏈高出驚人的29.8%。建議在CoreMark網(wǎng)頁上查看當(dāng)前最新的分?jǐn)?shù)。也可以自己運(yùn)行基準(zhǔn)測試以獲得精確的數(shù)字。
穩(wěn)定性也至關(guān)重要
另外,編譯器編譯輸出的穩(wěn)定性也至關(guān)重要。如果編譯器的輸出不穩(wěn)定,那么在相同的源代碼上編譯可能會(huì)得到不同的結(jié)果,從而使得嵌入式系統(tǒng)在不同的環(huán)境中表現(xiàn)出不一致的行為。這將對(duì)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響,并且可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的錯(cuò)誤行為,從而增加項(xiàng)目時(shí)間和成本。因此,編譯器必須確保其輸出的結(jié)果是可靠和可重復(fù)的,以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
相對(duì)于開源編譯器工具,IAR Embedded Workbench作為商用編譯器工具的領(lǐng)導(dǎo)者,擁有資深的專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)和嚴(yán)格的品控流程,在發(fā)布版本之前會(huì)經(jīng)過嚴(yán)格的測試和審核過程,確保其在各種情況下都能穩(wěn)定運(yùn)行。
除此之外,對(duì)于有功能安全產(chǎn)品需求的用戶, IAR Embedded Workbench高質(zhì)量編譯器通過了由TüV SüD 認(rèn)證的功能安全認(rèn)證,涵蓋了工業(yè)(IEC 61508),汽車(ISO 26262)等10種不同種類的功能安全標(biāo)準(zhǔn),可以幫助用戶加快功能安全認(rèn)證,加速產(chǎn)品上市。
技術(shù)支持
最后,也是非常重要的一點(diǎn)是用戶是否能快速有效的獲得技術(shù)支持。盡管編譯器的性能和穩(wěn)定性都非常優(yōu)秀,但如果用戶在使用時(shí)遇到問題并且不能獲得及時(shí)的技術(shù)支持,這將導(dǎo)致用戶的使用體驗(yàn)下降,項(xiàng)目開發(fā)延期,甚至導(dǎo)致用戶產(chǎn)品無法按時(shí)交付。因此,能否提供及時(shí)的技術(shù)支持也是用戶選擇編譯器的一個(gè)極為重要的考量因素。
如果免費(fèi)工具有問題,例如編譯器或庫中的錯(cuò)誤,用戶唯一能做的就是試著自己解決,或者在相關(guān)的資源庫中發(fā)布一個(gè)問題: https://gcc.gnu.org/faq.html#support
為避免整個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)因?yàn)殚_發(fā)工具的問題而停止工作,是使用IAR等商用專業(yè)開發(fā)工具的最大原因之一。除此之外,IAR在世界各地都有當(dāng)?shù)氐闹С謭F(tuán)隊(duì),IAR中國技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)直接為國內(nèi)客戶提供高效的本地技術(shù)支持服務(wù)。(見下圖)
總結(jié)
一款優(yōu)秀的編譯器可以將源代碼轉(zhuǎn)換成高效、穩(wěn)定、優(yōu)化的二進(jìn)制代碼,使得嵌入式系統(tǒng)能夠在有限的硬件資源下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能和卓越的性能。選擇一款適合特定平臺(tái)、性能卓越、穩(wěn)定可靠、并提供優(yōu)質(zhì)技術(shù)支持的編譯器對(duì)于嵌入式軟件開發(fā)來說是至關(guān)重要的。
IAR擁有資深的編譯器技術(shù)團(tuán)隊(duì),深耕編譯器產(chǎn)品開發(fā)40余年,為用戶提供業(yè)界領(lǐng)先、性能卓越的編譯工具鏈。IAR中國的技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)時(shí)刻準(zhǔn)備著為國內(nèi)用戶提供高效、專業(yè)的技術(shù)支持,為嵌入式應(yīng)用開發(fā)者保駕護(hù)航。
參考文獻(xiàn)
2. www.iar.com/e-book/e-book-cn
3.https://www.iar.com/products/architectures/arm/iar-embedded-workbench-fo...
白皮書:嵌入式軟件開發(fā)的十二大基本要素https://mp.weixin.qq.com/s/RrNT3UPN9zRPvCiaOPRLpw。
(作者:IAR)
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀:
敏芯股份:基于PMUT的TOF模組方案助力智能傳感發(fā)展
快速發(fā)展的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動(dòng)智慧醫(yī)療和健康保障設(shè)備創(chuàng)新