深入分析LabVIEW 编译器

　　LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显着区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

　　虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。

　　LabVIEW编译程序处理过程

　　LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW [2]集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

　　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——终——变为机器码。

　　DFIR提供一种的中间表示

　　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。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，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。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。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，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. 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。，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

　　现代化的设计：LLVM的设计是高度模块化的，使得其代码更为清晰和便于排查问题所在。 语言无关的中间代码：这使得透过LLVM能够将不同的语言相互连结起来；另一方面，这也使得LLVM能够紧密地与IDE交互和集成。另一方面，发布中间代码而非目标代码能够在目标系统上更好地发挥其潜能而又不伤害可调试性（i.e. 在目标系统上针对本机的硬件环境产生目标代码，但又能够直接通过中间代码来进行行级调试） 作为工具和函数库：使用LLVM提供的工具可以比较容易地实现新的编程语言的优化编译器或VM，或为现有的编程语言引入一些更好的优化／调试特性。

　　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，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大学计算机工程的学士学位。

　　– Craig Smith

　　Craig Smith是NI公司的软件工程师。他拥有德克萨斯A&M大学计算机科学的学士与硕士学位。