引言

嵌入式系統迅猛發展的今天，廣泛的應用和需求使嵌入式系統的開發不再局限于只能由相關應用領域的專家來完成，各種優秀集成開發環境(IDE，Integration Develop Environment)的出現，大大降低了工程人員的開發門檻[1]，使得嵌入式系統的開發變得相對簡單。目前，嵌入式系統開發使用的開發平臺多種多樣，從ARM公司的SDT到ADS，再到RVDS，以及風河公司的Tornado和其他公司提供的各種專用開發工具;這些IDE一般都是由文件管理器、編譯器、匯編器、鏈接器、調試器等組件和工具組成。在這些開發環境中，編譯程序起著核心作用，鏈接程序、調試程序、程序管理等工具直接依靠編譯程序所產生的結果工作，而且其它工具的構造也常常要用到編譯的原理、方法和技術，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處理器的軟件開發環境的設計和實現。

1、處理器體系構架

空間SPARC高性能處理器是一款SPARC v8兼容[1] [2] [3]的高性能SoC，它在片上包含整數處理單元，浮點處理單元，獨立的指令和數據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 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用相關的外圍電路，就可以構成完整的單板計算機系統。其體系框圖如下所示：

2、集成開發環境

好的集成開發環境可以提供設計、仿真、驗證、分析、并行開發的能力，嵌入式系統集成開發環境更是整合了各方的資源與一身。由于系統設計的各個環節彼此之間都是有相互聯系的，設計的結果好壞和正確要在仿真和驗證中取得，仿真驗證的數據又可以反過來指導設計，所以說單純的隔離設計中的各個部分的設計是不合理的，集成環境可以為設計者提供這樣一個平臺，使得設計者和驗證者共享數據，彼此之間協同工作使得設計更加的合理。

2.1 總體設計

嵌入式集成開發環境針對SPARC高性能處理器的軟件系統設計要求和設計能力進行改進，希望能夠提供給用戶和系統開發工程師一個比較完備的、易用的開發工具，其主要功能應包括以下幾個方面：

應用程序開發，包括編輯、編譯 應用程序調試 軟件工程管理 軟件仿真環境 操作系統配置管理 集成環境配置管理

集成開發環境的總體設計框圖如下所示：

2.2 集成開發環境實現

作為高性能控制SPARC高性能處理器的專用集成開發環境，設計實現了軟件開發環境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的環境下運行。

它具備集成開發環境所有必要的功能，包括集成的源代碼編輯，工程管理，編譯調試，環境設置等功能，方便用戶基于SPARC v8兼容處理器的應用開發和程序調試。

它還具有一般開發環境所普遍具有的易用性和方便性。調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，實現了調用棧和變量的查看等。

SPE-C軟件開發環境實現的主要特點包括：

編程語言為C語言 支持BMSPARC編譯器 集成調試功能 新建工程提供系統初始化模版框架 提供可供修改的全定制鏈接腳本 創建生成文件腳本 工程管理，分類函數預覽 支持中英文兩種語言 文件函數預覽 代碼編輯，語法高亮 變量屬性提示 函數瀏覽及快速檢索，快速定位(文內及工程)及文字替換 支持打印及系統統計 文件內書簽功能

SPE-C軟件開發環境為用戶提供了高效、便捷的開發和調試環境，現在該軟件已經設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工具鏈并進行優化設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開發之前，要先建立交叉編譯環境。目標機的交叉編譯環境是一個由編譯器、鏈接器和解釋器組成的綜合開發環境，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：主機系統配置、GNU工具版本配合、參數配置、庫選擇等，一個成功的、穩定的交叉編譯環境是需要花費大量額時間的，幸運的是現在針對很多處理器都有比較成熟何穩定的編譯配置，這里簡單列出本系統的交叉編譯環境的主要配置：

宿主機 i386-cygwin，目標機 sparc; 編譯環境版本

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，完全作為集成開發環境的配套工具鏈。

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和定向運算進行三角函數、對數、開方及反三角函數等復雜運算。該算法的基本思想是通過一系列固定的與運算基數相關的角度的不斷偏擺以逼近所需的旋轉角度，由于其基本運算單元只有移位與加減法，為該算法的VLSI實現打下了良好的基礎。

下表列出了BMSPARC支持的cordic協處理器指令及其對應的指令操作碼，是對SPARC v8標準指令集中浮點協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中超越函數相關的數學函數庫，利用匯編指令實現函數的功能，并在匯編中使用cordic指令完成的超越函數功能。最后定義頂層數據類型，針對不同的數據類型，如針對單精度和雙精度的浮點，實現其三角函數的數學庫是不同的，要分別針對其不同的類型進行實現。

顯然，通過使用庫替換的方法，可以簡化移植過程，實現軟件兼容及編譯器的快速開發和使用，并可以快速的完成針對超越函數的編譯器優化。

4、SPE-C與BMSPARC編譯器的集成

SPE-C中編譯系統的基本規則為：針對工程中的源文件及鏈接文件，包括用戶指定的庫文件，按照指定的規則，并參考用戶設置，生成一個符合要求的Makefile文件，然后用make.exe對Makefile文件進行解釋執行，從而生成需要的目標文件，或完成相應的動作。[6] [7] [8]

如果在整個過程中有錯誤發生，則編譯/鏈接終止，IDE系統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工具鏈的各個執行文件都是基于控制臺的執行程序(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，需要一些實現技巧。本系統中實現在SPE-C的輸出窗口中顯示編譯信息的方法如下：

1)當集成開發環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，首先發起一個后臺線程;

2)后臺線程創建一個匿名管道，發起一個命令子進程以執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，實現SPE-C與編譯器之間的信息交互的結果示例：

顯然，這種方法實現起來并不復雜，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重定向輸出的內容，將其直接放入Output窗口中顯示便實現了編譯信息實時顯示的功能。

結束語

本文討論了針對SPARC高性能處理器的嵌入式系統專用軟件集成開發環境及其編譯器，介紹了集成開發環境(SPE-C)的設計及其集成的相關功能，介紹了BMSPARC編譯環境及其添加CORDIC指令支持的方法，以及如何實現編譯環境與集成開發環境的集成。通過上面的工作，SPE-C集成開發環境已經實現了與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境及對操作系統的支持，為用戶進行軟件仿真和針對操作系統編譯開發提供有效的支持環境。

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. 系統芯片(SOC)驗證方法與技術. 電子工業出版社，2005

[3] 張鎮，魏同立， 基于IP模塊的片上系統設計 電子器件，2002

[4] 姚文剛，[碩士論文]基于GCC的交叉編譯器結構分析與后端移植研究，2006

[5] 王曉棟，鄭扣根，基于嵌入式系統的交叉匯編器的研究與實現，工業控制計算機，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，嵌入式系統集成開發環境中的編譯器效能研究，電子技術應用 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