针对DSP指令生成与二进制翻译的汇编器实现

中图分类号:TP314文献标识码:A文章编号:1009－2552(2011)03－0047－04针对DSP指令生成与二进制翻译的汇编器实现

肖贺，刘佩林(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240)摘要:DSP指令生成与优化和二进制翻译是现代编译工具值得关注的热点问题。针对DSP指令的特点提出一种通用的DSP指令生成(支持VLIW指令)与二进制翻译技术，并应用于GNU汇编器(GAS)。包含该技术的汇编器PCA(PostCompilationAssembler)先将输入的汇编指令转化成类似LISP的中间语言。PCA通过对此中间语言分析以及窥孔优化，最终生成高质量的目标平台DSP代码。关键词:DSP指令生成;VLIW指令;二进制翻译;编译后优化;窥孔优化ImplementationofassemblerforDSPcodegeneration

andbinarytranslationXIAOHe，LIUPei-lin(SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200240，China)Abstract:DSPcodegenerationandoptimization，alongwithbinarytranslation，hasbecomeawell-concerningfocusofthemoderntoolchain．Thispaper，onaccountofthespecialtiesofDSPinstruction，proposedageneralmethodofDSPcodegenerating(includeVLIW)andbinarytranslation，whichappliedinGNUassembler(GAS)．GASwiththistechnology(calledPCA)firsttranslatessourceassemblyinstructionsintoLISP-likeintermediaterepresentation(IR);byanalyzingthebehaviorsoftheIRstatementsandemployingpost-compilationtechniquessuchaspeepholeoptimization，PCAwillproduceDSPcodesofhighqualitysuitableforthetargetplatform．Keywords:DSPcodegeneration;VLIW;binarytranslation;post-compilationoptimization;peepholeoptimization

0引言

在现代编译工具的研究中，为了尽可能地让编译器编译出适应于特定DSP架构的代码，设计者提出一种编译后优化的方法来控制编译器进行机器相关的优化。编译后优化的方法有很多，窥孔优化便是其中很重要的一种［1］。窥孔优化的基本思想是考察窥孔窗中的一组指令(一般是3～5个)，对这组指令进行局部优化，然后滑动窗的位置，对下一组指令执行优化操作直到所有指令扫描结束。目前成熟的DSP编译器通常会采用窥孔优化技术来生成与机器架构相关的特殊指令和优化代码［2－3］。

此外，现代工具链有一个很有前景的应用称之

为二进制翻译，也就是说，某一架构的汇编二进制程序通过特定的工具能够被翻译为能在另一种架构上执行的可执行代码，同时保证二进制程序不会有太明显的性能降低。据研究［4－5］表明，窥孔优化十分适用于二进制翻译。为了满足上述两方面的要求，提出一种采用编译后优化技术生成特定DSP指令和完成二进制翻译的汇编器PCA，它将窥孔优化技术从编译阶段推迟到汇编链接阶段。这样的编译结构有三方面的好处:首先，该汇编器结构为二进制翻译创造了可

收稿日期:2010－10－27作者简介:肖贺(1986－)，男，硕士研究生，主要研究方向为DSP处理器体系架构及其编译器汇编器实现。

—74—能。其次，该结构提出优化技术可以用于不同高级编程语言下的程序优化，也能适用于高级语言与汇编语言混合编程的情况。最后，在编译阶段得不到的许多程序相关信息例如符号信息，变量存储形式(内存或是寄存器)可以在汇编阶段获得，能够更加有效地进行优化。1整体设计提出的汇编器PCA首先将汇编代码(编译器生成或者手写汇编代码)翻译转化成一种通用的中间语言。PCA接着采用基于窥孔优化的指令翻译生成算法对中间语言进行分析与优化，最终生成所需要的目标代码。从流程框架和中间语言匹配两方面对PCA展开具体讨论。1．1PCA流程框架PCA是基于GNU汇编器GAS而开发的，而GAS是以行为单位进行扫描并生成最终二进制代码。这种传统的汇编器结构不适合进行二进制翻译和构造DSP指令，PCA对此结构进行了相应的调整。PCA的工作原理如图1所示。图1PCA工作流程图源汇编代码首先通过PCA的解析单元转换成中间语言IR(IntermediateRepresentation)，同时重建程序控制流信息，并生成符号表。被转换过的中间语言通过窥孔优化算法与预先定义的DSP架构指令库中的模式进行匹配与选择变换，同时更新优化后IR序列的符号表。最后，PCA将最终的中间语言序列和符号表生成可执行文件。1．2中间语言IR描述与匹配PCA采用类似于GCC中RTL语言［6］的IR结构作为其中间语言，如图2所示。可以看出，IR结构包含两个部分，操作部分opcode和操作数部分operands。图2IR结构图其中，opcode中的CODE域指定当前中间语言语句完成的行为，PCA定义了一组标准名来指定一些通用的操作，例如PLUS表示加法，MINUS表示减法，SHIFT表示移位操作等等。CODE集合亦可以根据特定的DSP指令架构而进行扩展。IR_TYPE域标识指令模板的分类，该分类使用于VLIW模板中。operands部分指定特定操作下操作数的特征，其中第一个操作数为目标操作数，其他为源操作数。它包含TYPE，operandx和WIDTH三个域。TYPE域指定操作数的类型，例如REG表示普通寄存器，SPR表示特殊寄存器，MEM内存，以及IMM表示立

即数。operandx域标识操作数的名称，例如REG:r7表示某条语句的一个操作数是寄存器型，名称是r7。不同的IR语句中相同的操作数名称表明了他

们对同一个操作数进行了操作。WIDTH域指定了操作数的位宽。2具体实现

给出了PCA的工作流程以及介绍了中间语言。结合DSP指令特点来详细说明PCA生成DSP指令代码的过程。2．1控制流重建

重建输入程序的控制流对于汇编器来说是一个比较大的挑战。为了有效地优化和解析源汇编代码的功能，PCA首先需要将直接转换过来的IR语句分割成不同的基本块。具体做法是PCA找出跳转语句，将它们作为基本块最后一条语句，并将它们的跳转目标作为基本块的第一条语句，以此来分割IR程序。接着通过分析基本块中各语句的OPERAND域标识得它们的依赖关系后，PCA以这些被分割的基本块为基本单元解析并生成DSP指令。2．2指令翻译生成算法

指令翻译生成算法的基本原理是IR中间语句匹配，所谓的中间语句匹配，是指当汇编指令经过解释器转换成中间语句后，该语句的OPCODE域，TYPE域和WIDTH域和某个预先定义的IR模板相

一致。IR支持嵌套结构以进行复杂的窥孔优化，即一个IR语句的操作数可以是一条IR语句结构。由于IR语句的作用是改变目标操作数的值，那么IR语句本身可以等价于一个与目标操作数相同的一个操作数。一般来说，DSP指令可以大致分为两类，一类称为增强指令，能够完成很强大的运算操作，另一类是VLIW指令，包含多个发射槽。PCA预先定义复杂

的IR模板，通过IR语句合并算法可以实现第一类—84—指令;通过指定指令封包的格式可以实现第二类指令。对于第一类增强指令，IR语言模板可以是一系列简单模板的嵌套。第二类指令的模板为一系列格式的指令包。而对于普通非DSP指令来说，翻译过程比较简单，本文不多赘述。指令翻译生成算法的流程图如图3所示。图3的左半部分实现IR语句合并生成DSP增强指令的过程。首先，PCA会根据DSP增强指令模板生成IR语句合并器。IR语句合并但与会根据操作数依赖关系将基本块中符合模板的多条IR语句合并起来。如果IR语句合并单元确实对当前IR语句执行了合并操作，则会对所有参与合并的IR语句进行标识，以便PCA将参与合并的IR语句从缓冲区内删除，否则，该IR语句将直接进入下一级模块。图3指令翻译生成算法流程图DSP指令封装过程如图3右半部分所示。PCA根据预先定义的DSP封包规则，生成一个IR语句封装器。IR语句封装器接收IR语句合并单元的输出IR语句，并根据封包规则对这些IR语句进行封装。例如，如果当前的DSP架构支持的是支持同时发射3条指令，那么PCA会根据IR语句的依赖关系将不相关的IR语句进行封装，若不存在3条这样的指令，那么则通过插入NOP指令来进行封装。若DSP架构不符合VLIW结构，则可通过指定封装规则为一次发射一条指令来实现此DSP单发射架构。2．3DSP指令变换匹配不符合DSP模板的IR语句存在两种情况，一种是通过相应的变换后可以符合某种DSP模板，另一种是无法符合任何DSP模板的。由于PCA最关注的问题是如何尽可能多地生成符合DSP模板的指令，因此PCA尽量转换第一类IR语句为匹配IR语句。对于PCA来说，匹配变换的方法有以下两种。(1)操作数位置交换:DSP指令的源操作数通

常不具有可交换性，例如，某DSP加法指令要求第一源操作数为内存操作数，第二源操作数为寄存器操作，那么第一源操作数为寄存器，第二源操作数为内存的IR加法语句无法直接匹配模板生成相应的指令;通过交换两源操作数的位置，可以使该IR语句匹配DSP加法模板。(2)操作数类型转换:DSP指令对操作数类型

一般有严格的限定，对于无法通过置换操作数位置的第一类IR语句，PCA通过类型变换来匹配某些IR模板;例如，某DSP移位法指令要求所有的操作

数为寄存器操作数，对于其中第一源操作数为立即数的IR移位语句，可以通过在该语句前插入一个将立即数搬移到寄存器操作的语句，然后再将此移位语句的所有操作数修改为相应的寄存器，以符合DSP移位模板生成特定的移位指令，可以看出，第一种匹配方法不会引入额外的代价(不会增加新的指令)，而第二类匹配方法则会带来额外的开销(插入新的指令)。在实际的DSP指令生成过程中，通过权衡计算匹配操作给PCA代码生成时候带来好处或者额外的开销，可以选择在特定的基本块中是否使用该匹配操作。3结果分析