【導讀】在過(guò)去數十年，摩爾定律一直支配著(zhù)半導體的發(fā)展。隨著(zhù)MCU的性能越來(lái)越強，嵌入式產(chǎn)品也越來(lái)越智能，嵌入式軟件也變得越來(lái)越復雜。編譯器作為嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的基礎工具，將程序員編寫(xiě)的源代碼轉換為底層硬件可以執行的機器指令。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行，同時(shí)又需要保證轉換的一致性。
在過(guò)去數十年，摩爾定律一直支配著(zhù)半導體的發(fā)展。隨著(zhù)MCU的性能越來(lái)越強，嵌入式產(chǎn)品也越來(lái)越智能，嵌入式軟件也變得越來(lái)越復雜。編譯器作為嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的基礎工具，將程序員編寫(xiě)的源代碼轉換為底層硬件可以執行的機器指令。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行，同時(shí)又需要保證轉換的一致性。
因此，對于嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員來(lái)講，在選擇以編譯器為核心的開(kāi)發(fā)工具時(shí)，就必須要考慮一款編譯器與其工程環(huán)境和項目需求的關(guān)系，從而通過(guò)“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(kāi)發(fā)人員根據其工程需求來(lái)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
嵌入式系統的應用范圍日益擴大，從汽車(chē)、航空航天到智能家居等領(lǐng)域都有廣泛應用。然而，隨著(zhù)嵌入式軟件功能越來(lái)越復雜，軟件復雜性也隨之增加，這給嵌入式系統設計帶來(lái)了很大的挑戰。特別是在硬件資源有限的嵌入式系統中，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(zhù)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(jìn)行控制和響應，同時(shí)還需要實(shí)現復雜的算法和數據結構，這些都會(huì )增加軟件的復雜性。
另一方面，嵌入式系統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(huì )限制系統的功能和性能。當軟件復雜度增加時(shí)，可能會(huì )占用更多的硬件資源，從而導致系統性能下降或功能受限。此時(shí)，需要采用編譯優(yōu)化算法、數據結構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)現復雜的嵌入式軟件功能。
因此，在嵌入式系統設計中，軟件復雜性和MCU硬件資源之間的平衡非常關(guān)鍵。需要優(yōu)化嵌入式軟件的設計和實(shí)現，以確保系統的性能、穩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)現更復雜的嵌入式系統功能。編譯器作為嵌入式軟件開(kāi)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(jìn)制代碼的高效轉換職責，對其的選擇對于嵌入式軟件的開(kāi)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(jìn)制代碼，從而在給定的MCU中加入更多的功能。在嵌入式系統中，MCU的存儲器資源通常是有限的，因此，如果代碼越小，系統就可以實(shí)現更多的功能。此外，更小的代碼體積也意味著(zhù)更少的存儲器占用，這可以降低系統的成本。
下面，我們通過(guò)CoreMark基準對市面上流行的MCU編譯器輸出的代碼尺寸進(jìn)行分析。CoreMark基準是一個(gè)很好的參考，因為它試圖納入開(kāi)發(fā)人員做的一些更常見(jiàn)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(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制，以確保編譯器供應商不會(huì )通過(guò)“手工優(yōu)化”CoreMark代碼來(lái)作弊?？梢栽L(fǎng)問(wèn)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(gè)速度基準，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。在各種芯片上觀(guān)察該基準測試的一個(gè)文件 (coremark.c)，可以發(fā)現，根據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，我們在調研用戶(hù)使用IAR Embedded Workbench for RX和IAR Embedded Workbench for RL78開(kāi)發(fā)的真實(shí)應用案例時(shí)，發(fā)現生成的代碼體積比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(guò)代碼優(yōu)化技術(shù)來(lái)提升代碼執行速度。例如，編譯器可以進(jìn)行代碼重排、內聯(lián)函數和循環(huán)展開(kāi)等優(yōu)化操作，以提高代碼的執行效率和性能。在嵌入式系統中，處理器的性能通常也是有限的，因此代碼的執行速度很重要。通過(guò)提升代碼執行速度，系統可以更充分地利用處理器的性能，這可以讓開(kāi)發(fā)人員在不需要更高性能的處理器的情況下實(shí)現更高效的系統設計，同時(shí)節省系統成本。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(guò)CoreMark基準對市面上流行的MCU編譯器輸出的代碼性能進(jìn)行分析。這里我們舉例來(lái)自Nordic Semiconductor芯片的CoreMark基準測試數據。選用“極致性能”編譯優(yōu)化選項參數進(jìn)行編譯時(shí)，IAR Embedded Workbench for Arm確實(shí)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(yè)上查看當前最新的分數。也可以自己運行基準測試以獲得精確的數字。
穩定性也至關(guān)重要
另外，編譯器編譯輸出的穩定性也至關(guān)重要。如果編譯器的輸出不穩定，那么在相同的源代碼上編譯可能會(huì )得到不同的結果，從而使得嵌入式系統在不同的環(huán)境中表現出不一致的行為。這將對系統的可靠性和穩定性產(chǎn)生負面影響，并且可能會(huì )導致系統的錯誤行為，從而增加項目時(shí)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，以確保系統的穩定性和可靠性。
相對于開(kāi)源編譯器工具，IAR Embedded Workbench作為商用編譯器工具的領(lǐng)導者，擁有資深的專(zhuān)業(yè)技術(shù)團隊和嚴格的品控流程，在發(fā)布版本之前會(huì )經(jīng)過(guò)嚴格的測試和審核過(guò)程，確保其在各種情況下都能穩定運行。
除此之外，對于有功能安全產(chǎn)品需求的用戶(hù)， IAR Embedded Workbench高質(zhì)量編譯器通過(guò)了由TüV SüD 認證的功能安全認證，涵蓋了工業(yè)（IEC 61508），汽車(chē)（ISO 26262）等10種不同種類(lèi)的功能安全標準，可以幫助用戶(hù)加快功能安全認證，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(hù)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定性都非常優(yōu)秀，但如果用戶(hù)在使用時(shí)遇到問(wèn)題并且不能獲得及時(shí)的技術(shù)支持，這將導致用戶(hù)的使用體驗下降，項目開(kāi)發(fā)延期，甚至導致用戶(hù)產(chǎn)品無(wú)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(hù)選擇編譯器的一個(gè)極為重要的考量因素。
如果免費工具有問(wèn)題，例如編譯器或庫中的錯誤，用戶(hù)唯一能做的就是試著(zhù)自己解決，或者在相關(guān)的資源庫中發(fā)布一個(gè)問(wèn)題: https://gcc.gnu.org/faq.html#support
為避免整個(gè)開(kāi)發(fā)團隊因為開(kāi)發(fā)工具的問(wèn)題而停止工作，是使用IAR等商用專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)工具的最大原因之一。除此之外，IAR在世界各地都有當地的支持團隊，IAR中國技術(shù)支持團隊直接為國內客戶(hù)提供高效的本地技術(shù)支持服務(wù)。（見(jiàn)下圖）
總結
一款優(yōu)秀的編譯器可以將源代碼轉換成高效、穩定、優(yōu)化的二進(jìn)制代碼，使得嵌入式系統能夠在有限的硬件資源下實(shí)現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(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。
IAR擁有資深的編譯器技術(shù)團隊，深耕編譯器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)40余年，為用戶(hù)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)支持團隊時(shí)刻準備著(zhù)為國內用戶(hù)提供高效、專(zhuān)業(yè)的技術(shù)支持，為嵌入式應用開(kāi)發(fā)者保駕護航。
參考文獻
2. www.iar.com/e-book/e-book-cn
3.https://www.iar.com/products/architectures/arm/iar-embedded-workbench-fo...
白皮書(shū)：嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的十二大基本要素https://mp.weixin.qq.com/s/RrNT3UPN9zRPvCiaOPRLpw。
（作者：IAR）
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