蓝色旅游网站模板,萧山区建设工程质量监督站网站,企业网站建设费是无形资产吗,个人简历样本关于嵌入式开发的一些信息汇总#xff1a;C标准、芯片架构、编译器、MISRA-C 关于C标准芯片架构是什么#xff1f;架构对芯片有什么作用#xff1f;arm架构X86架构mips架构小结 编译器LLVM是什么#xff1f;前端在干什么#xff1f;后端在干什么#xff1f; MISRA C的诞生… 关于嵌入式开发的一些信息汇总C标准、芯片架构、编译器、MISRA-C 关于C标准芯片架构是什么架构对芯片有什么作用arm架构X86架构mips架构小结 编译器LLVM是什么前端在干什么后端在干什么 MISRA C的诞生 以前写过的一些零零散散的小结也没有系统的整理过慢慢把它们收集更新在这篇博文里面。 内容算是集大成者有一些来自于网上的其它作者在文后给出了原文链接。 后面还会专门做一期关于嵌入式的专栏希望大家持续关注。 关于C标准 C是一门开发者语言。C要转为机器语言才能运行在芯片上。 语言的转化需要编译器每种芯片有自己认识的机器语言格式即指令集需要独立的编译器而芯片有多种架构主流的有X86、ARM、RISC-V和MIPS。 X86 英特尔和AMD在PC市场上主导多年CISC指令集ARM 在移动和便捷设备上有明显优势32位RISC指令集MIPS 在网关、机顶盒市场上很受cq欢迎32/64位RISC指令集RISC-V 出现晚发展快在智能穿戴产品应用广泛开放ISA架构 架构发明时间特点代表厂商主要应用领域国内相关公司X861976年性能高速度快兼容性好英特尔 AMDPC、服务器中科曙光、浪潮信息MIPS1981年简洁、优化方便、高拓展性龙芯网关、机顶盒龙芯中科ARM1983年成本低、低功耗苹果、谷歌、IBM、华为移动端、网络设备中国长城、华为RISC-V2014年完全开源、精简、易于移植三星、英伟达、西部数据智能穿戴产品全志科技、兆易创新、北京君正 指令集架构ISA, Instrucion Set Architecture定义了基本数据类型BYTE/HALFWORD/WORD/…、寄存器Register、指令、寻址模式、异常、或者中断的处理方式等。一台计算机的指令系统反映了该计算机的全部功能机器类型不同其指令系统也不同因而功能也不同。 处理器分为精简指令集计算机(RISC)Reduced Instruction Set Computer和复杂指令集计算机(CISC)Complex Instruction Set Computer。 不同的处理器CPU会用相应的汇编语言编写底层操作程序而在写这个汇编语言的时候需要依照指令集架构这个规则从而处理器进行操作。 CPU依靠指令来计算和控制计算机系统每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。
芯片架构是什么
如前文所述芯片架构是指对芯片的类别和属性的描述。架构一词还和语境有关提到soc时一般指嵌入式处理核心的类型。提到X86和arm时指的是指令集。
架构对芯片有什么作用
如果把CPU看作是一个解释器架构是算法寄存器转换级电路RTL是算法的实现那么更好的架构就是更好的算法。
arm架构
Arm是高级精简指令集的简称是一个32位的精简指令集处理器架构。 其架构图如下该图来自于网络 结构说明如下 ALU有两个操作数锁存器、加法器、逻辑功能、结果以及零检测逻辑构成。 桶形移位寄存器ARM采用了32位的桶形移位寄存器这样可以使在左移右移n位、环移n位和算术右移n位等都可以一次完成。 高速乘法器乘法器一般采用“加一移位”的方法来实现乘法。ARM为了提高运算速度则采用两位乘法的方法根据乘数的2位来实现“加一移位”运算;ARM高速乘法器采用32*8位的结构这样可以降低集成度其相应芯片面积不到并行乘法器的1/3。 浮点部件浮点部件是作为选件供ARM构架使用。FPA10浮点加速器是作为协处理方式与ARM相连并通过协处理指令的解释来执行。 控制器ARM的控制器采用的是硬接线的可编程逻辑阵列PLA。 特点 1体积小、低功耗、低成本、高性能ARM被广泛应用在嵌入式系统中的最重要的原因 支持Thumb16位/ARM32位双指令集能很好的兼容8位/16位器件 2大量使用寄存器指令执行速度更快 3大多数数据操作都在寄存器中完成 4寻址方式灵活简单执行效率高 5指令长度固定。 6Load_store结构在RISC中所有的计算都要求在寄存器中完成。而寄存器和内存的通信则由单独的指令来完成。而在CSIC中CPU是可以直接对内存进行操作的流水线处理方式。 X86架构
X86架构The X86 architecture是微处理器执行的计算机语言指令集指一个intel通用计算机系列的标准编号缩写也标识一套通用的计算机指令集合。其PC架构如下图所示 结构说明如下 CPU大家都不陌生的名词中央处理器计算机的核心大脑。 北桥North Bridge Chipset北桥是电脑主板上的一块芯片位于CPU插座边起连接作用。 南桥芯片South Bridge是主板芯片组的重要组成部分一般位于主板上离CPU插槽较远的下方PCI插槽的附近这种布局是考虑到所连接的I/O总线较多离处理器远一点有利于布线。 内存是计算机中重要的部件之一是与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的因此内存的性能对计算机的影响非常大。 显卡Video cardGraphics card全称显示接口卡又称显示适配器是计算机最基本配置、最重要的配件之一。 网卡是工作在链路层的网络组件是局域网中连接计算机和传输介质的接口不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码以及数据缓存的功能等。 声卡基本功能是把来自话筒、磁带、光盘的原始声音信号加以转换输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设备或通过音乐设备数字接口MIDI使乐器发出美妙的声音。 SATASerial Advanced Technology Attachment串行高级技术附件是一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口是由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盘接口规范。 硬盘是电脑主要的存储媒介之一由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。碟片外覆盖有铁磁性材料。 mips架构
MIPS全称为Microprocessor without Interlocked Pipeline Stage。采用5级指令流水线能够以接近每个周期一条指令的速率执行。这在当时很罕见。它是一种采取精简指令集RISC的处理器架构,其特点为 1包含大量的寄存器、指令数和字符。 2可视的管道延时时隙。 1984年John Hennessy离开斯坦福创立了MIPS科技公司。并且在成立的第二年就推出了第一个芯片设计R2000。 1988年MIPS推出了R3000。这款产品很快大获成功销售超百万颗。不少公司的消费电子产品都用到了R3000比如索尼的PS。美国首家电脑公司DEC、爱普生、日本电器等等知名企业也均是其客户。 1991年MIPS就推出了64bit的R4000。其竞争对手Arm则直到2012年才开始大范围推广64bit处理器设计。 直到现在仍可以在不少产品中找到身影。比如英特尔旗下的自动驾驶公司Mobileye就仍在广泛采用其技术。而家用路由器产品中MIPS也并不鲜见。
MIPS的创始人John Hennessy和RISC-V之父Dave Patterson也渊源颇深。两人合作撰写了2本现在被广泛用于本科生、研究生课程的教科书《计算机体系结构量化研究方法》和《计算机组成与设计硬件/软件接口》。
小结 编译器
芯片是一个硬件接收的是二进制的指令要想让自己的编程语言转化为编程指令就需要一个编译器。 这个部分的重要程度丝毫不亚于芯片本身。最近国内很多公司在做AI芯片经常出现芯片很快就做出来了但芯片受限于编译器无法发挥最大能效的窘境。总之了解编译器还是很重要的。 这个系列讲讲如何用LLVM做一个最简单的编译器。万变不离其宗其他复杂的编译器可以从这个例子上拓展。本部分主要讲基础知识不需要了解细节但是对编译器整体如何工作的要有概念。
LLVM是什么
首先一个东西要搞明白为什么要用LLVM LLVM的是什么
LLVM提供了一个模块化的编译器框架让程序员可以绕开繁琐的编译原理快速实现一个可以运行的编译器。主要由三个部分组成。
前端将高级语言例如C或者其他语言转换成LLVM定义的中间表达方式 LLVM IR。例如非常有名的clang, 就是一个转换C/C的前端。中端中端主要是对LLVM IR本身进行一下优化输入是LLVM, 输出还是LLVM 主要是消除无用代码等工作一般来讲这个部分是不需要动的可以不管他。后端后端输入是LLVM IR 输出是我们的机器码。我们通常说的编译器应该主要是指这个部分。大部分优化都从这个地方实现。
至此LLVM架构的模块化应该说的比较清楚了它的最大的一个特点是隔离了前后端。如果你想支持一个新语言就重新实现一个前端例如华为“仓颉”就有自己的前端来替换clang。如果你想支持一个新硬件那你就重行实现一个后端让它可以正确的把LLVM IR映射到自己的芯片。
接下来我们大致讲讲前后端的流程。
前端在干什么
我们以Clang举例我们以Clang举例前端主要实现四件事即经过词法分析、语法分析、语义分析、LLVM IR生产最终将C转化成后端认可的LLVM IR。 词法分析将编程语言取出一个个词遇到不认识的字符就报错。例如将abc 拆成a, ,b ,, c 语法分析将语法提取出来例如你写了个abc, 明显不符合语法直接报错 语义分析分析一下你写的代码实际含义是不是对例如abc, a,b,c有没有定义类型是不是对的 LLVM IR生产经过上述三步将你写的代码转化成树状描述抽象语法树然后再转化成IR定义的IR即可。 举个直观的栗子 你写的C如下 add.cpp int add(int a, int b) { return a b; } 生产的LLVM IR如下 这个地方你不需要看懂每个细节知道大概想类汇编的语言就行了 专业的形式叫SSA, Static Single Assignment (SSA ; ModuleID ‘add.cpp’ source_filename “add.cpp” target datalayout “e-m:o-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128” target triple “x86_64-apple-macosx10.15.0” ; Function Attrs: noinline nounwind optnone ssp uwtable define i32 _Z3addii(i32, i32) #0 { %3 alloca i32, align 4 %4 alloca i32, align 4 store i32 %0, i32* %3, align 4 store i32 %1, i32* %4, align 4 %5 load i32, i32* %3, align 4 %6 load i32, i32* %4, align 4 %7 add nsw i32 %5, %6 ret i32 %7 } 后端在干什么
后端把你的LLVM转换成真正的汇编或者机器码主要的流程如下。这个我们要重点讲讲因为后续我们就是要实现一个这个东西支持一个新的芯片。先上图 按步骤一个一个讲。 1、 DAG Lowering 这个主要负责将你的LLVM IR转换为有向无环图便于后续利用图算法优化。 例如将下面的LLVM IR 转换成图每个节点是一个指令。 2、 DAG Legalization DAG图合法化1中的DAG图都是LLVM IR指令但实际上LLVM IR指令不可能被芯片全部支持这个步骤就是替换这些不合法的指令。 3、 Instruction Selection 这个步骤其实和2算是一起的功能都是为了将LLVM IR转换成机器支持的Machine DAG. 如上图将store换成机器仍可的st, 将16位的寄存器转向32位。一切向机器指令靠拢。 4、 Scheduling 这个步骤主要是调整指令顺序的从有向无环图再展开成顺序的指令。 例如把下面的指令调成这样的。 把%C的store提前一些因为下一条ld要用C啦。
5、 SSA-based Machine Code Optimization 这一步骤主要是做一些公共表达式合并啊去除的操作。 6、 Register Allocation 这一步就要分配寄存器了。在5之前我们认为寄存器其实是可以无限用的但实际硬件的寄存器有限的所以我们得考虑寄存器数量与寄存器值的生命周期将虚拟的寄存器替换成实际的寄存器。这个一般会用到图着色等等算法贼复杂好在LLVM都实现好了不用在重复造轮子。 例如一个芯片有32个可用的寄存器如果函数使用到了64个多的就只能压入堆栈或者等着了。具体怎么分配的知乎有专家研究见下面的文章。Frank WangLLVM寄存器分配一 7、 Prologue/Epilogue Code Insertion 这个主要是加上函数调用前的指令和函数结束后的指令。主要是调用前把参数存下来调用后把结果写到固定的寄存器里。 8、 Peephole optimizations 这个步骤主要是对代码再最后抢救一番。比如把x*2换成x1。再比如下面这样将两个32bit的存储换成一个64bit的存储。 9、 Code Emission 最后一步显然将上述优化好的中间格式转换成我们真正需要的汇编由汇编器翻译成机器码大功告成。
大佬的原文在此请移步欣赏 主流X86-ARM-RISC-V-MIPS芯片架构分析 主存储器和DRAM 内存基础知识
MISRA C的诞生 C语言紧凑、表达力强、功能强大。它为程序员提供了编写高效、可读和可维护代码的方法。所有这些功能都说明了它的受欢迎程度。不幸的是该语言还使粗心的开发人员能够编写危险的、不安全的代码这些代码可能会在开发项目的所有阶段和部署阶段导致严重问题。对于安全性和/或安全性是主要优先事项的应用程序语言的这些缺点是一个主要问题。 正是在这种背景下在 1990 年代后期汽车工业软件可靠性协会 (MISRA) 推出了一套关于在车辆系统中使用 C 语言的指南后来被称为 MISRA C。从那时起该指南一直稳步发展完善不时发布更新。还建立了使用 C 的类似方法。尽管该指南最初是针对汽车软件开发人员的但很快人们就意识到它们同样适用于许多其他安全至关重要的应用领域并且该标准现在已被许多行业广泛采用。 尽管 MISRA C 不是风格指南——实际上许多用户应用风格指南和标准——许多规则也促进编写清晰、可读、可维护的代码。这是非常有益的因为易于理解的代码不太可能包含细微的错误或未定义的行为。 我的参考资料来自 MISRA C:2012 第三版第一次修订版本。MISRA C 一直在接受审查增量更改解决了指南的清晰度和准确性并支持更新版本的 C 语言标准。尽管细节发生了变化但总体理念和方法没有变化。 引用其中几个作为示例说明。 规则 13.2 – 表达式的值及其带来的副作用在所有被允许的评估顺序下应是相同的 C 语言标准在表达式的求值顺序方面为编译器提供了非常广泛的自由度。因此任何对评估顺序敏感的代码都是依赖于编译器的并且依赖于编译器的代码应始终被视为不安全的。 例如自增自减运算符的使用可能会很麻烦 val n arr[n]; 访问了arr的哪个元素程序员是否期望用于索引数组的n的值是递增之前或之后的值虽然看起来好像增量是在数组索引之前执行的但它假设了左右表达式求值这不是一个有效的假设。所以代码不清晰应该这样重写 val n arr[n1]; n; 或者 val n; val arr[n]; 甚至 值n n; val arr[n]; 您选择哪个选项取决于个人风格。它们都执行相同的操作事实上优化编译器很可能会生成完全相同的代码。 在一个表达式中使用多个函数调用可能会出现类似的问题。函数调用可能会产生副作用影响另一个函数。例如 val fun1() fun2(); 在这种情况下如果其中一个函数可以影响另一个函数的结果则代码是不明确的。要编写安全的代码必须消除任何可能的歧义 val fun1(); val fun2(); 现在很清楚fun1()先执行了。 规则 17.2 – 函数不得直接或间接调用自身 有时表达算法的一种优雅方式是使用递归。然而除非递归受到非常严格的控制否则存在堆栈溢出的危险这反过来又会导致很难定位错误。在安全关键代码中应避免递归。 规则 19.2 – 不应使用 union 关键字 尽管 C 是一种类型化语言但类型化并不是很严格开发人员可能会试图覆盖类型化以“简化”他们的代码。遵守数据类型的约束对于创建安全代码至关重要因为任何绕过数据类型的尝试都可能产生未定义的结果。union关键字可用于多种目的这通常会导致代码不清晰但也可以作为一种避免键入的方法。 举个例子是使用联合来“拆开”一个无符号整数因此 union e { unsigned int ui; 无符号字符 a[4] }F; 在这种情况下 ui的每个字节都可以作为a的一个元素来访问。但是我们不能确定a[0]是否是最高有效字节中的最低字节因为这是一个实现问题。本质上与处理器的字节序相关联。替代方法可能是使用移位和掩码因此 unsigned char getbyte(unsigned int input, unsigned int index) { 输入 (index * 8); 返回输入 0xff; }
可能有人会争辩说这些规则以及大多数即使不是全部MISRA C只是常识任何优秀的程序员都会采用这种方法。这可能是正确的但一套明确的指导方针可以减少出错的机会。
