LabVIEW編譯器深層解析

NI LabVIEW軟件是一種多規(guī)范的圖形化編程環(huán)境，含有多種概念，包括數(shù)據(jù)流，面向?qū)ο螅约笆录?qū)動(dòng)編程。LabVIEW也是跨越多種平臺(tái)的，能夠很好地用于多種操作系統(tǒng)（OSs），芯片組，嵌入式設(shè)備，以及現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGAs)。LabVIEW編譯程序是一種精密的系統(tǒng)，在過(guò)去的20年中具有令人矚目的發(fā)展。探索NI公司的LabVIEW編譯程序的處理過(guò)程以及近來(lái)編譯程序的創(chuàng)新。

LabVIEW編譯程序處理過(guò)程

首先一個(gè)VI的編譯是類的擴(kuò)展，主要負(fù)責(zé)將隱含的類解析為適于終端輸出與檢查句法錯(cuò)誤的類型。在類擴(kuò)展之后，VI從編輯模型轉(zhuǎn)化為可以被編譯程序使用的數(shù)據(jù)流中間表示(DFIR)圖表。編譯程序執(zhí)行幾種變換，例如在DFIR圖表分解過(guò)程中的死碼刪除，優(yōu)化，并為代碼生成做好準(zhǔn)備。DFIR接下來(lái)被轉(zhuǎn)化成底層的虛擬機(jī)(LLVM)中間表示(IR)，有關(guān)IR的一系列掃描被運(yùn)行，以利于更進(jìn)一步的優(yōu)化與底層化——最終——變?yōu)闄C(jī)器碼。

DFIR提供一種高級(jí)的中間表示

DFIR是一種分級(jí)的，結(jié)構(gòu)圖代碼的，基于圖表的IR。類似于G代碼，DFIR包含很多具有端點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，能夠與其它端點(diǎn)相連。一些節(jié)點(diǎn)，例如框圖，含有圖表，這些圖表也可以依此類推地包含其它節(jié)點(diǎn)。

圖1顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單VI的最初DFIR。當(dāng)LabVIEW首次為VI創(chuàng)建一個(gè)DFIR時(shí)，這是一種G代碼的直接翻譯，DFIR圖表中的節(jié)點(diǎn)具有像G代碼中節(jié)點(diǎn)一樣的一對(duì)一的對(duì)應(yīng)性。隨著編譯程序的執(zhí)行，DFIR節(jié)點(diǎn)有可能被移動(dòng)，部分分離，或者是增加，然而編譯程序?qū)⑷匀槐Ａ粼械奶匦?，例如LabVIEW代碼中固有的并行特性。

圖 1. 查看一個(gè)簡(jiǎn)單VI 的初始 DFIR 圖表

DFIR能夠?yàn)長(zhǎng)abVIEW編譯程序提供兩種可觀的優(yōu)勢(shì)：

1. DFIR將編輯程序從編譯程序的表示中分離——在DFIR出現(xiàn)以前，LabVIEW具有一個(gè)單獨(dú)的VI表示，由編輯程序和編譯程序共享。這樣在編譯過(guò)程中，阻止了編譯程序修改表示，也會(huì)使引入編譯程序優(yōu)化很困難。DFIR引入了一系列的優(yōu)化與分解措施，能夠極大地提高LabVIEW代碼的性能，僅要求結(jié)構(gòu)圖節(jié)點(diǎn)與連線被斷開(kāi)并可以移動(dòng)。

2. DFIR作為多個(gè)編譯程序的前段與后段的公用連接點(diǎn)——今天，LabVIEW能處理很多明顯不同的任務(wù)。類似地，LabVIEW也為用戶提供了多種算法模式，例如LabVIEW MathScript，C一體化，仿真圖表，以及狀態(tài)表（statecharts）。DFIR提供了一種常用IR，它由前端生成而由后端使用，使不同組合的重新使用更加便利。

DFIR分解與優(yōu)化

一旦進(jìn)入DFIR，VI運(yùn)行一系列的分解變換，來(lái)縮減或標(biāo)準(zhǔn)化DFIR圖表。在DFIR圖表徹底分解后，DFIR優(yōu)化掃描開(kāi)始。有超過(guò)30種分解與優(yōu)化能夠提高LabVIEW代碼的性能。請(qǐng)仔細(xì)查看圖2和3顯示的簡(jiǎn)單VI，它被稱為T(mén)rim Whitespace VI(Trim Whitespace.vi)，來(lái)自vi.lib。

圖 2. 這是任意 DFIR分解前的 VI

圖 3. 上面是Trim Whitespace.vi 結(jié)構(gòu)圖的定義

首先，Trim Whitespace.vi被內(nèi)聯(lián)到調(diào)用VI，如圖4所示?，F(xiàn)在，不可達(dá)代碼與死碼刪除運(yùn)算可以簡(jiǎn)化代碼。第一個(gè)條件結(jié)構(gòu)將總是執(zhí)行相同的分支，因?yàn)檩斎氲氖且粋€(gè)恒定值。因此，其余的分支可以同整個(gè)第二個(gè)條件結(jié)構(gòu)一起移走，因?yàn)樗鼈儚牟粓?zhí)行。循環(huán)不變式代碼移動(dòng)將匹配模式基元（Match Pattern primitive）移出循環(huán)框，確保其只被執(zhí)行一次，如圖5所示。

圖 4. subVI內(nèi)聯(lián)到調(diào)用程序,導(dǎo)致一個(gè)DFIR圖表等價(jià)于該G代碼

圖 5. 一次執(zhí)行產(chǎn)生優(yōu)化的 DFIR圖表

DFIR后端變換

在DFIR圖表被分解與優(yōu)化后，后端變換開(kāi)始執(zhí)行。這些變換評(píng)估并注解DFIR圖表，為最終將DFIR圖表降低為L(zhǎng)LVM IR做好準(zhǔn)備。聚叢程序負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)歸為簇，這些簇可以并行運(yùn)行。替代程序識(shí)別何時(shí)分配的數(shù)據(jù)可以重新使用，何時(shí)必須制作副本。在替代程序運(yùn)行后，分配程序預(yù)留出VI執(zhí)行所需的內(nèi)存空間。最后，編碼發(fā)生器負(fù)責(zé)將DFIR圖表轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的機(jī)器指令用于目標(biāo)處理器。

LLVM提供一種底層的中間表示

LLVM是一種多用途，高性能，源代碼開(kāi)放的構(gòu)架，原來(lái)是伊利諾斯州州立大學(xué)的作為研究項(xiàng)目而發(fā)明的。LLVM因?yàn)槠潇`活性，簡(jiǎn)潔的API以及不受許可的限制，被廣泛用于學(xué)術(shù)研究與工業(yè)生產(chǎn)。在LabVIEW 2010版本，LabVIEW編碼生成器使用LLVM來(lái)生成目標(biāo)機(jī)器碼。在從DFIR圖表創(chuàng)建編碼流后，LabVIEW訪問(wèn)每個(gè)指令并創(chuàng)建一個(gè)等價(jià)的LLVM表示。軟件會(huì)激活多種優(yōu)化掃描，最終，LLVM準(zhǔn)時(shí)制(JIT)構(gòu)架在內(nèi)存中創(chuàng)建可執(zhí)行的機(jī)器指令。現(xiàn)在LabVIEW可以使用LLVM來(lái)執(zhí)行指令綜合，跳變線程，聚合標(biāo)量替代（scalar replacement of aggregates），條件擴(kuò)展，尾端調(diào)用刪除，循環(huán)不變代碼移出，死碼刪除以及循環(huán)展開(kāi)。

DFIR與LLVM協(xié)同工作

DFIR是高級(jí)的IR具有并行性，而LLVM是底層IR，具有目標(biāo)機(jī)器特性的認(rèn)知，二者協(xié)同工作以優(yōu)化開(kāi)發(fā)者為處理器結(jié)構(gòu)而編寫(xiě)的LabVIEW代碼，它們能夠在處理器上被執(zhí)行。

作者:– Chris Wood – NI公司LabVIEW方面的傳感器軟件工程師,德克薩斯AM大學(xué)計(jì)算機(jī)工程專業(yè)的學(xué)士

– Craig Smith – NI公司的首席軟件工程師,德克薩斯AM大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)士與碩士