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，包括數據流，面向對象，以及事件驅動編程。LabVIEW也是跨越多種平臺的，能夠很好地用于多種操作系統(tǒng)（OSs），芯片組，嵌入式設備，以及現(xiàn)場可編程門陣列(FPGAs)。LabVIEW編譯程序是一種精密的系統(tǒng)，在過去的20年中具有令人矚目的發(fā)展。探索NI公司的LabVIEW編譯程序的處理過程以及近來編譯程序的創(chuàng)新。

LabVIEW編譯程序處理過程

首先一個VI的編譯是類的擴展，主要負責將隱含的類解析為適于終端輸出與檢查句法錯誤的類型。在類擴展之后，VI從編輯模型轉化為可以被編譯程序使用的數據流中間表示(DFIR)圖表。編譯程序執(zhí)行幾種變換，例如在DFIR圖表分解過程中的死碼刪除，優(yōu)化，并為代碼生成做好準備。DFIR接下來被轉化成底層的虛擬機(LLVM)中間表示(IR)，有關IR的一系列掃描被運行，以利于更進一步的優(yōu)化與底層化——最終——變?yōu)闄C器碼。

DFIR提供一種高級的中間表示

DFIR是一種分級的，結構圖代碼的，基于圖表的IR。類似于G代碼，DFIR包含很多具有端點的節(jié)點，能夠與其它端點相連。一些節(jié)點，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。

圖1顯示了一個簡單VI的最初DFIR。當LabVIEW首次為VI創(chuàng)建一個DFIR時，這是一種G代碼的直接翻譯，DFIR圖表中的節(jié)點具有像G代碼中節(jié)點一樣的一對一的對應性。隨著編譯程序的執(zhí)行，DFIR節(jié)點有可能被移動，部分分離，或者是增加，然而編譯程序將仍然保留原有的特性，例如LabVIEW代碼中固有的并行特性。

圖 1. 查看一個簡單VI 的初始 DFIR 圖表

DFIR能夠為LabVIEW編譯程序提供兩種可觀的優(yōu)勢：

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具有一個單獨的VI表示，由編輯程序和編譯程序共享。這樣在編譯過程中，阻止了編譯程序修改表示，也會使引入編譯程序優(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，僅要求結構圖節(jié)點與連線被斷開并可以移動。

2. DFIR作為多個編譯程序的前段與后段的公用連接點——今天，LabVIEW能處理很多明顯不同的任務。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

一旦進入DFIR，VI運行一系列的分解變換，來縮減或標準化DFIR圖表。在DFIR圖表徹底分解后，DFIR優(yōu)化掃描開始。有超過30種分解與優(yōu)化能夠提高LabVIEW代碼的性能。請仔細查看圖2和3顯示的簡單VI，它被稱為Trim Whitespace VI(Trim Whitespace.vi)，來自vi.lib。

圖 2. 這是任意 DFIR分解前的 VI

圖 3. 上面是Trim Whitespace.vi 結構圖的定義

首先，Trim Whitespace.vi被內聯(lián)到調用VI，如圖4所示。現(xiàn)在，不可達代碼與死碼刪除運算可以簡化代碼。第一個條件結構將總是執(zhí)行相同的分支，因為輸入的是一個恒定值。因此，其余的分支可以同整個第二個條件結構一起移走，因為它們從不執(zhí)行。循環(huán)不變式代碼移動將匹配模式基元（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內聯(lián)到調用程序,導致一個DFIR圖表等價于該G代碼

圖 5. 一次執(zhí)行產生優(yōu)化的 DFIR圖表

DFIR后端變換

在DFIR圖表被分解與優(yōu)化后，后端變換開始執(zhí)行。這些變換評估并注解DFIR圖表，為最終將DFIR圖表降低為LLVM IR做好準備。聚叢程序負責將節(jié)點歸為簇，這些簇可以并行運行。替代程序識別何時分配的數據可以重新使用，何時必須制作副本。在替代程序運行后，分配程序預留出VI執(zhí)行所需的內存空間。最后，編碼發(fā)生器負責將DFIR圖表轉化為可執(zhí)行的機器指令用于目標處理器。

LLVM提供一種底層的中間表示

LLVM是一種多用途，高性能，源代碼開放的構架，原來是伊利諾斯州州立大學的作為研究項目而發(fā)明的。LLVM因為其靈活性，簡潔的API以及不受許可的限制，被廣泛用于學術研究與工業(yè)生產。在LabVIEW 2010版本，LabVIEW編碼生成器使用LLVM來生成目標機器碼。在從DFIR圖表創(chuàng)建編碼流后，LabVIEW訪問每個指令并創(chuàng)建一個等價的LLVM表示。軟件會激活多種優(yōu)化掃描，最終，LLVM準時制(JIT)構架在內存中創(chuàng)建可執(zhí)行的機器指令?，F(xiàn)在LabVIEW可以使用LLVM來執(zhí)行指令綜合，跳變線程，聚合標量替代（scalar replacement of aggregates），條件擴展，尾端調用刪除，循環(huán)不變代碼移出，死碼刪除以及循環(huán)展開。

DFIR與LLVM協(xié)同工作

DFIR是高級的IR具有并行性，而LLVM是底層IR，具有目標機器特性的認知，二者協(xié)同工作以優(yōu)化開發(fā)者為處理器結構而編寫的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大學計算機工程專業(yè)的學士

– Craig Smith – NI公司的首席軟件工程師,德克薩斯AM大學計算機科學專業(yè)的學士與碩士