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LabVIEW 编译器深层解析-NI-美国国家仪器有限公司-中国传动网应用案例

信息来源:chuandong.biz  时间:2009-02-21  浏览次数:121

  编译程序设计是一个复杂的话题,即使对内行的软件工程师来说也要考虑很多专业知识。
  NI LabVIEW软件是一种多规范的图形化编程环境,含有多种概念,包括数据流,面向对象,以及事件驱动编程。LabVIEW也是跨越多种平台的,能够很好地用于多种操作系统(OSs),芯片组,嵌入式设备,以及现场可编程门阵列(FPGAs)。LabVIEW编译程序是一种精密的系统,在过去的20年中具有令人瞩目的发展。探索NI公司的LabVIEW编译程序的处理过程以及近来编译程序的创新。
  LabVIEW编译程序处理过程
  首先一个VI的编译是类的扩展,主要负责将隐含的类解析为适于终端输出与检查句法错误的类型。在类扩展之后,VI从编辑模型转化为可以被编译程序使用的数据流中间表示(DFIR)图表。编译程序执行几种变换,例如在DFIR图表分解过程中的死码删除,优化,并为代码生成做好准备。DFIR接下来被转化成底层的虚拟机(LLVM)中间表示(IR),有关IR的一系列扫描被运行,以利于更进一步的优化与底层化——最终——变为机器码。
  DFIR提供一种高级的中间表示
  DFIR是一种分级的,结构图代码的,基于图表的IR。类似于G代码,DFIR包含很多具有端点的节点,能够与其它端点相连。一些节点,例如框图,含有图表,这些图表也可以依此类推地包含其它节点。
  图1显示了一个简单VI的最初DFIR。当LabVIEW首次为VI创建一个DFIR时,这是一种G代码的直接翻译,DFIR图表中的节点具有像G代码中节点一样的一对一的对应性。随着编译程序的执行,DFIR节点有可能被移动,部分分离,或者是增加,然而编译程序将仍然保留原有的特性,例如LabVIEW代码中固有的并行特性。
  图 1. 查看一个简单VI 的初始 DFIR 图表
  DFIR能够为LabVIEW编译程序提供两种可观的优势:
  1. DFIR将编辑程序从编译程序的表示中分离——在DFIR出现以前,LabVIEW具有一个单独的VI表示,由编辑程序和编译程序共享。这样在编译过程中,阻止了编译程序修改表示,也会使引入编译程序优化很困难。DFIR引入了一系列的优化与分解措施,能够极大地提高LabVIEW代码的性能,仅要求结构图节点与连线被断开并可以移动。
  2. DFIR作为多个编译程序的前段与后段的公用连接点——今天,LabVIEW能处理很多明显不同的任务。类似地,LabVIEW也为用户提供了多种算法模式,例如LabVIEW MathScript,C一体化,仿真图表,以及状态表(statecharts)。DFIR提供了一种常用IR,它由前端生成而由后端使用,使不同组合的重新使用更加便利。
  DFIR分解与优化
  一旦进入DFIR,VI运行一系列的分解变换,来缩减或标准化DFIR图表。在DFIR图表彻底分解后,DFIR优化扫描开始。有超过30种分解与优化能够提高LabVIEW代码的性能。请仔细查看图2和3显示的简单VI,它被称为Trim Whitespace VI(Trim Whitespace.vi),来自vi.lib。
  图 2. 这是任意 DFIR分解前的 VI
  图 3. 上面是Trim Whitespace.vi 结构图的定义
  首先,Trim Whitespace.vi被内联到调用VI,如图4所示。现在,不可达代码与死码删除运算可以简化代码。第一个条件结构将总是执行相同的分支,因为输入的是一个恒定值。因此,其余的分支可以同整个第二个条件结构一起移走,因为它们从不执行。循环不变式代码移动将匹配模式基元(Match Pattern primitive)移出循环框,确保其只被执行一次,如图5所示。
  图 4. subVI内联到调用程序,导致一个 DFIR图表等价于该 G代码
  图 5. 一次执行产生优化的 DFIR图表
  DFIR后端变换
  在DFIR图表被分解与优化后,后端变换开始执行。这些变换评估并注解DFIR图表,为最终将DFIR图表降低为LLVM IR做好准备。聚丛程序负责将节点归为簇,这些簇可以并行运行。替代程序识别何时分配的数据可以重新使用,何时必须制作副本。在替代程序运行后,分配程序预留出VI执行所需的内存空间。最后,编码发生器负责将DFIR图表转化为可执行的机器指令用于目标处理器。
  LLVM提供一种底层的中间表示
  LLVM是一种多用途,高性能,源代码开放的构架,原来是伊利诺斯州州立大学的作为研究项目而发明的。LLVM因为其灵活性,简洁的API以及不受许可的限制,被广泛用于学术研究与工业生产。在LabVIEW 2010版本,LabVIEW编码生成器使用LLVM来生成目标机器码。在从DFIR图表创建编码流后,LabVIEW访问每个指令并创建一个等价的LLVM表示。软件会激活多种优化扫描,最终,LLVM准时制(JIT)构架在内存中创建可执行的机器指令。现在LabVIEW可以使用LLVM来执行指令综合,跳变线程,聚合标量替代(scalar replacement of aggregates),条件扩展,尾端调用删除,循环不变代码移出,死码删除以及循环展开。
  DFIR与LLVM协同工作
  DFIR是高级的IR具有并行性,而LLVM是底层IR,具有目标机器特性的认知,二者协同工作以优化开发者为处理器结构而编写的LabVIEW代码,它们能够在处理器上被执行。
  – Chris Wood
  Chris Wood是NI公司LabVIEW方面的传感器软件工程师。他拥有德克萨斯A&M大学计算机工程专业的学士学位。
  – Craig Smith
  Craig Smith是NI公司的首席软件工程师

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