應(yīng)對實(shí)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(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、存儲器容量和外設(shè)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(dāng)軟件復(fù)雜度增加時(shí)，可能會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(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(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(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。

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、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)

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