應對實際工程挑戰(zhàn)，如何為嵌入式軟件開發(fā)選擇編譯器

在過去數(shù)十年，摩爾定律一直支配著半導體的發(fā)展。隨著MCU的性能越來越強，嵌入式產(chǎn)品也越來越智能，嵌入式軟件也變得越來越復雜。編譯器作為嵌入式軟件開發(fā)的基礎工具，將程序員編寫的源代碼轉換為底層硬件可以執(zhí)行的機器指令。一款優(yōu)秀的編譯器既需要對程序進行優(yōu)化，確保程序可以高效地運行，同時又需要保證轉換的一致性。

因此，對于嵌入式系統(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，就必須要考慮一款編譯器與其工程環(huán)境和項目需求的關系，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目。

嵌入式軟件復雜性 vs MCU硬件資源的有限性

嵌入式系統(tǒng)的應用范圍日益擴大，從汽車、航空航天到智能家居等領域都有廣泛應用。然而，隨著嵌入式軟件功能越來越復雜，軟件復雜性也隨之增加，這給嵌入式系統(tǒng)設計帶來了很大的挑戰(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，軟件復雜性不斷增加，這可能導致代碼變得龐大、難以維護。嵌入式軟件需要對外部設備和傳感器進行控制和響應，同時還需要實現(xiàn)復雜的算法和數(shù)據(jù)結構，這些都會增加軟件的復雜性。

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、存儲器容量和外設接口等。這些硬件資源的限制可能會限制系統(tǒng)的功能和性能。當軟件復雜度增加時，可能會占用更多的硬件資源，從而導致系統(tǒng)性能下降或功能受限。此時，需要采用編譯優(yōu)化算法、數(shù)據(jù)結構和代碼模塊化等技術，以便在MCU硬件資源有限的情況下實現(xiàn)復雜的嵌入式軟件功能。

因此，在嵌入式系統(tǒng)設計中，軟件復雜性和MCU硬件資源之間的平衡非常關鍵。需要優(yōu)化嵌入式軟件的設計和實現(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現(xiàn)更復雜的嵌入式系統(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，承擔從C/C++源碼到目標二進制代碼的高效轉換職責，對其的選擇對于嵌入式軟件的開發(fā)極為重要。

一款優(yōu)秀的編譯器應具備的特性

生成的代碼體積

首先，優(yōu)秀的編譯器可以將C/C++源代碼轉換成體積更小的二進制代碼，從而在給定的MCU中加入更多的功能。在嵌入式系統(tǒng)中，MCU的存儲器資源通常是有限的，因此，如果代碼越小，系統(tǒng)就可以實現(xiàn)更多的功能。此外，更小的代碼體積也意味著更少的存儲器占用，這可以降低系統(tǒng)的成本。

下面，我們通過CoreMark基準對市面上流行的MCU編譯器輸出的代碼尺寸進行分析。CoreMark基準是一個很好的參考，因為它試圖納入開發(fā)人員做的一些更常見的事情，如矩陣操作、CRC計算、列表處理（包括查找和排序）等等。因此，它為你提供了一個關于編譯器能做什么的“真實世界”的比較，而且它還有防篡改機制，以確保編譯器供應商不會通過“手工優(yōu)化”CoreMark代碼來作弊?？梢栽L問EEMBC網(wǎng)站查找包含各種MCU和編譯器組合的CoreMark基準。

雖然CoreMark是一個速度基準，但得益于其廣泛的方法，它也是一個很好的代碼體積基準。在各種芯片上觀察該基準測試的一個文件 (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。

事實上，在CoreMark總共34個模塊的30個中，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，我們在調(diào)研用戶使用IAR Embedded Workbench for RX和IAR Embedded Workbench for RL78開發(fā)的真實應用案例時，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)化技術來提升代碼執(zhí)行速度。例如，編譯器可以進行代碼重排、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現(xiàn)更高效的系統(tǒng)設計，同時節(jié)省系統(tǒng)成本。另外，高效的二進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)品在低功耗應用中更具競爭力。

同樣，我們通過CoreMark基準對市面上流行的MCU編譯器輸出的代碼性能進行分析。這里我們舉例來自Nordic Semiconductor芯片的CoreMark基準測試數(shù)據(jù)。選用“極致性能”編譯優(yōu)化選項參數(shù)進行編譯時，IAR Embedded Workbench for Arm確實遠超其他工具。如下表所示，從這些基準測試中，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)頁上查看當前最新的分數(shù)。也可以自己運行基準測試以獲得精確的數(shù)字。

穩(wěn)定性也至關重要

另外，編譯器編譯輸出的穩(wěn)定性也至關重要。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得到不同的結果，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。這將對系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響，并且可能會導致系統(tǒng)的錯誤行為，從而增加項目時間和成本。因此，編譯器必須確保其輸出的結果是可靠和可重復的，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

相對于開源編譯器工具，IAR Embedded Workbench作為商用編譯器工具的領導者，擁有資深的專業(yè)技術團隊和嚴格的品控流程，在發(fā)布版本之前會經(jīng)過嚴格的測試和審核過程，確保其在各種情況下都能穩(wěn)定運行。

除此之外，對于有功能安全產(chǎn)品需求的用戶， IAR Embedded Workbench高質(zhì)量編譯器通過了由TüV SüD 認證的功能安全認證，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準，可以幫助用戶加快功能安全認證，加速產(chǎn)品上市。

技術支持

最后，也是非常重要的一點是用戶是否能快速有效的獲得技術支持。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遇到問題并且不能獲得及時的技術支持，這將導致用戶的使用體驗下降，項目開發(fā)延期，甚至導致用戶產(chǎn)品無法按時交付。因此，能否提供及時的技術支持也是用戶選擇編譯器的一個極為重要的考量因素。

如果免費工具有問題，例如編譯器或庫中的錯誤，用戶唯一能做的就是試著自己解決，或者在相關的資源庫中發(fā)布一個問題。

為避免整個開發(fā)團隊因為開發(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?shù)氐闹С謭F隊，IAR中國技術支持團隊直接為國內(nèi)客戶提供高效的本地技術支持服務。（見下圖）

總結

一款優(yōu)秀的編譯器可以將源代碼轉換成高效、穩(wěn)定、優(yōu)化的二進制代碼，使得嵌入式系統(tǒng)能夠在有限的硬件資源下實現(xiàn)復雜的功能和卓越的性能。選擇一款適合特定平臺、性能卓越、穩(wěn)定可靠、并提供優(yōu)質(zhì)技術支持的編譯器對于嵌入式軟件開發(fā)來說是至關重要的。

IAR擁有資深的編譯器技術團隊，深耕編譯器產(chǎn)品開發(fā)40余年，為用戶提供業(yè)界領先、性能卓越的編譯工具鏈。IAR中國的技術支持團隊時刻準備著為國內(nèi)用戶提供高效、專業(yè)的技術支持，為嵌入式應用開發(fā)者保駕護航。

參考文獻

1. www.eembc.org/coremark

2. www.iar.com/e-book/e-book-cn

3.https://www.iar.com/products/architectures/arm/iar-embedded-workbench-for-arm/

白皮書：嵌入式軟件開發(fā)的十二大基本要素