結構化文本語言編譯器的虛擬機指令設計與優(yōu)化

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(南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102)

引 言

IEC61131是國際電工委員會(IEC)頒布的可編程控制器(PLC)國際標準，用于規(guī)范可編程控制器編程工具和應用程序的開發(fā)，目的是便于各廠家的應用程序移植，降低用戶的使用難度和維護成本[1-5]。其中IEC61131-3為軟件設計提供了標準化的編程概念和編程方法，定義了指令表IL、結構化文本ST、梯形圖LD、功能塊圖FBD、順序功能圖SFC幾種語言的規(guī)范,國內外工控廠家、研究機構已經(jīng)開始提供基于該標準的產(chǎn)品[6-8]。參考文獻[9-10]介紹了嵌入式軟PLC系統(tǒng)的架構，參考文獻[11]提出一種將ST語言轉換為IL指令的方法，參考文獻[12]設計了ST的文法分析器，上述資料文獻推進了IEC61131在國內的研究進程。ST有標準的關鍵字和語法結構，可用于復雜邏輯設計實現(xiàn)，通常有將ST語句直接編譯為硬件相關的目標可執(zhí)行文件或者將ST轉換為C語言后再調用第三方編譯的處理方法,這種方法執(zhí)行效率較高，但無法滿足以程序組織單元(POU)為單位的在線無擾更新的需求。

在一些工控應用場合中，當裝置處于運行狀態(tài)時，需要能實現(xiàn)部分程序的下載更新和生效，不能將整個程序編譯為1個目標文件，而是需要編譯為與機器無關的虛擬機指令，在嵌入式裝置側的非實時任務中進行指令文件更新，在實時任務中解釋執(zhí)行。針對上述需求，需要定義一套指令集，開發(fā)自主編譯器，本文介紹了指令集設計和對應的ST主要語句的處理表達模式、指令優(yōu)化方法。

1 虛擬機指令設計

1.1 ST語言簡介

IEC61131定義的軟件模型包括配置、資源、任務、全局變量、訪問路徑，在任務中可運行程序實例。程序劃分為若干組織單元(POU)管理。ST語言是類似于PASCAL的高級語言，用文本編寫的代碼由語句和表達式組成，每行用分號結束，用ST語言編寫的POU包括變量聲明、賦值語句、流程控制語句(選擇、循環(huán)、返回)，形成中間指令時需翻譯轉換這些語句。以CASE選擇語句為例，其示例代碼如下：

CASE PARA OF

1,2: a:=1;

3..5: a:=2;

ELSE a:=3;

END_CASE;

CASE語句中表達式的值必須是整數(shù)，并可采用連續(xù)符號..表示連續(xù)的多個整數(shù),不同整數(shù)值用逗號分隔，用于執(zhí)行相同的語句組。

1.2 整體架構設計

為了滿足工控程序在線無擾更新的需求，將ST程序編譯為虛擬機解釋型指令。如圖1所示，編譯器分前端和后端，前端讀取ST源程序，借助于flex完成詞法分析，借助bison完成語法分析，其中flex是詞法分析工具、bison是語法分析工具[13]。自主開發(fā)的編譯器在語法分析過程中創(chuàng)建符號表保存數(shù)據(jù)，形成語法樹，遍歷語法樹進行語義分析，形成中間數(shù)據(jù)結構，并輸出中間指令。解釋器在初始化或指令文件更新后，讀取指令文件，形成指令數(shù)組，在周期或中斷任務中執(zhí)行相關指令。

圖1 ST語言編譯解釋架構

1.3 指令集設計

在編譯后采用虛擬機指令表示，可以適當隔離不同機器平臺的特點，便于解釋器系統(tǒng)的移植。本文的中間指令以三地址碼為基礎，三地址碼包含一個操作符、源操作數(shù)和一個目的操作數(shù)。目的操作數(shù)用來存放源操作數(shù)經(jīng)過操作符對應操作處理后產(chǎn)生的結果，或者對于轉移操作，目的操作數(shù)代表要轉移的目的地址。三地址碼中源操作數(shù)的數(shù)目可以小于兩個，三地址碼基于兩個基本概念：地址和指令[14]。地址可以為指向符號表條目的常量、編譯器生成的臨時變量。本文使用變量在數(shù)據(jù)區(qū)的序號作為地址標號，每個變量在數(shù)據(jù)區(qū)對應1個相同大小的結構體，記錄變量類型、初始值、是否保持、是否邊沿觸發(fā)等IEC61131定義的屬性。

本文在指令設計時參考了VCODE和CIL指令集的部分理念[15-16]：使執(zhí)行頻繁的部分保持高效，使其它部分保持正確。根據(jù)ST語言的規(guī)范和特性，支持可變形參，可內置調用更豐富的庫函數(shù)接口。表1為指令集。

表1 ST虛擬機指令集

在存儲時指令類型占用1字節(jié)，指令存在二元運算(rd,rs1,rs2)、一元運算(rd,rs)、跳轉指令jmp、函數(shù)調用scall等模式。采用緊湊型存儲，根據(jù)指令類型動態(tài)輸出形參個數(shù)。

2 ST語句編譯與優(yōu)化

當定義指令集后，編譯器的主要工作是將ST語句編譯為指令序列。需要設計各語句對應的編譯處理方案，這也是ST語言編譯的關鍵步驟。

2.1 IF語句的處理

IF語句帶有可選的ELSEIF、ELSE部分。這兩個可選部分的組合產(chǎn)生兩種形式。以帶有ELSEIF語句的為例，其語句結構為：

IF THEN

ELSEIF THEN

…

ELSEIF THEN

ELSE

END_IF；

對應的編譯方案如下所示：

{Evaluate}

(jz, , ELS1Label)

{ code for

(jmp EndLabel)

ELS1Label:(lab, ELS1Label)

{Evaluate}

(jz, , ELS2Label)

{ code for }

jmp EndLabel)

…

ELSN-1Label:(lab, ELSN-1Label)

{Evaluate}

(jz, , ELSNLabel)

{ code for }

(jmp EndLabel)

ELSNLabel:(lab, ELSNLabel)

{code for }

EndLabel： (lab, EndLabel)

IF語句翻譯處理的關鍵步驟為：

① 在每個布爾表達式后，需要根據(jù)表達式的值生成一個條件跳轉；

② 在THEN部分后，如果有相應的ELSEIF、ELSE部分，則需生成跳轉語句跳過；

③ 標識 ELSEIF、ELSE部分的正確標號，以及IF語句的結尾須由構造jmp元組的動作例程產(chǎn)生，相應的LABEL元組須放在元組序列的正確位置上。基于標簽唯一分配機制可避免目標元組序號回填。

2.2 FOR語句的處理

ST語言的FOR語句的特點如下：

① 要求控制變量、初始值、終值是相同的整數(shù)類型(SINT、INT、DINT)的表達式，不能被任何重復的語句改變(在循環(huán)語句內作為只讀加以保護)。

② FOR結構中有兩個表達式，即“循環(huán)初始表達式”、“循環(huán)終止表達式”，這兩個表示的計算結果類型必須是有序類型。

③ 標準ST規(guī)定FOR有2種形式,即FOR-TO-BY-DO、FOR-TO-DO。FOR 語句將控制變量從初始值向上或向下增加到終值，其增量由表達式的值決定。如果沒有BY關鍵字，則缺省值是1。終止的條件檢測在每個迭代開始時進行，初始值超過終值時，退出語句序列。FOR語句的文法格式如下所示：

FOR語句帶BY關鍵字 ：

FORTOBYDO

END_FOR;

FOR語句帶未BY關鍵字自動默認增量為1 ：

FORTODO

END_FOR;

其中expr1是循環(huán)索引賦值表達式，expr2是終止值表達式，expr3是增量表達式，實際應用中，expr3多是常量表達式。為了提高運行效率,當expr3是常量值時，可預先判定FOR語句是“向上計數(shù)”或“向下計數(shù)”類型。當該常量值大于0時，使用向上計數(shù)的元組序列，常量值小于0時，使用向下計數(shù)的元組序列。通常的FOR語句代碼序列將會在循環(huán)地步增值索引變量，然后再跳轉回循環(huán)上部以測試新值是否上溢出。這種方法缺點是：如果上界是最大整數(shù)的話，這個增值可能在最后的測試前引起上溢[17]。為避免這個問題，在參考文獻[17]的基礎上，本文設計了ST 語言的FOR語句的安全編譯方案，如圖2所示。

圖2 向上/下計數(shù)的FOR語句元組序列

圖2的語句序列可能看起來有些費解，因為每一個序列都包括2個不停的終止測試。這是由于：如果迭代的上界是給定機器所能表示的最大整數(shù)，則這種結構是必要的，確保了向上計數(shù)的FOR的正確終止。在ST語言中，循環(huán)索引變量是一個從循環(huán)外可見的變量，當索引變量是子界類型并且循環(huán)迭代在整個子界范圍時，上述的代碼序列能確保該變量絕不被賦值為超出范圍的值，并保證該循環(huán)體代碼除非至少執(zhí)行一次，否則永不執(zhí)行。

當expr3是常規(guī)表達式時，不能預先判定是上行或下行，則先計算expr1、expr2，并判斷表達式值的大小，動態(tài)確定上下限。如圖3所示，在循環(huán)執(zhí)行的指令段中，先執(zhí)行FOR中語句，之后計算expr3，更新索引變量，判斷是否大于上界或小于下界，若是，則跳出循環(huán)。

圖3 動態(tài)確定上下限FOR語句元組序列

2.3 CASE語句的處理

大部分情況下，應用程序使用CASE語句時，判斷變量都是單個常數(shù)，故先檢測CASE是否為單變量-全常量分支，符合條件時，形成基于跳轉表的優(yōu)化翻譯模式[18]。當CASE的分支表達式是形如a,b,c..d的形式，可形成短路求值后跳轉指令，其編譯方案如圖4所示。

圖4 多分支CASE語句元組序列

在處理CASE分支的表達式時，可直接輸出表達式對應的三地址碼，不必臨時構建boolean-expr表達式后再翻譯，例如：

① 對于CASE a單變量，輸出：

(je, Var, a, LabelX)；

② 對于CASE a,b多變量，輸出：

(je, Var, a, LabelX)

(je, Var, b, LabelX)

③ 對于 CASE a..b區(qū)間變量，輸出：

(ge, Temp1, Var, a)

(le, Temp2, Var, b)

(and, Temp3, Temp1, Temp2)

(jz, Temp3, LabelX)

當CASE存在多個逗號時，以逗號為間隔，形成上述的指令序列(其中..分配3個臨時變量)，最后通過臨時變量的邏輯或運算，由于已經(jīng)預先分配分支標號，可在OR運算時加入短路求值跳轉的指令，提高運行效率。

2.4 EXIT語句的處理

ST中的EXIT語句類似于C的break語句，在條件結束前終止循環(huán)。當EXIT語句位于嵌套的循環(huán)結構內時，從EXIT所在的最內層循環(huán)突出，即在跟隨EXIT語句的第一循環(huán)的終止符后(END_FOR、END_WHILE、END_REPEAT),EXIT語句可以用無條件跳轉指令jmp來表示，它和IF/WHILE語句的區(qū)別在于跳轉目標標簽是由其它節(jié)點生成的。針對多層嵌套循環(huán)，為了確定跳轉語句的跳轉目標，采用圖5所示的棧操作機制。

圖5 基于棧確定跳轉目標標簽

圖5的算法思路如下：

① 基于棧的數(shù)據(jù)結構管理標簽；

② 在遍歷語法樹時遇到可以用EXIT跳出的語句(例如WHILE)，將跳轉目標的標簽壓入棧(EndLabel)；

③ 將WHILE語句的本體轉換為中間代碼；

④ 如果在本體中發(fā)現(xiàn)EXIT語句，將棧頂?shù)臉撕炞鳛樘D目標；

⑤ 本體的轉換結束后，將棧頂?shù)臉撕瀼棾鰲！?/p>

當前EXIT語句的跳轉目標的標簽始終位于棧頂。

2.5 指令優(yōu)化

在嵌入式裝置解釋執(zhí)行二進制指令時，對實時性要求很高。常用的編譯器通常是在編譯階段進行優(yōu)化，但由于局限于局部函數(shù)的優(yōu)化，欠缺整體的考慮，而且采用的優(yōu)化方法是個黑盒子，驗證對比分析相對困難,所以需要一種安全、可靠的指令優(yōu)化方法，本文對編譯后的指令文件進行常規(guī)優(yōu)化，該方法透明，可通過反匯編驗證跟蹤優(yōu)化的正確性，優(yōu)化步驟如下：

① 解析指令文件,讀取文件頭，獲取數(shù)據(jù)區(qū)、指令區(qū)內容。

② 分析數(shù)據(jù)區(qū)，獲取變量序號、變量類型、是否為常量、臨時變量等標志屬性，其中臨時變量可進行增加、刪除操作，常量變量可以直接運算。

③ 第1次遍歷指令區(qū)，處理常量運算，并優(yōu)化臨時變量賦值指令。其中對于右值變量都為常量類型的指令，則直接計算常量表達式，并將運算指令修改為賦值指令。對于賦值指令，進行臨時變量上下文的優(yōu)化，例如對于 “add tmp1, var2,var3;asgn var1, tmp1”的指令，可優(yōu)化為“add var1, var2, var3”。

④ 第2次遍歷指令區(qū)，進行代數(shù)簡化[19]。例如直接刪除與立即數(shù)0的加減法、與立即數(shù)1的乘法運算，將與立即數(shù)0的乘法運算轉化成0的賦值操作，簡化與立即數(shù)TRUE、FALSE相關的邏輯運算等。

⑤ 第3次遍歷指令區(qū)，進行變量引用點分析，去除未使用變量和無效指令。統(tǒng)計各條指令的左值變量在后續(xù)指令中被作為右值變量的計數(shù)，若引用計數(shù)為0，則刪除該條指令，若優(yōu)化后某臨時變量未被引用，則可從數(shù)據(jù)區(qū)刪除。

經(jīng)過100余個包含多層結構體、數(shù)組變量的復雜語句測試用例統(tǒng)計，指令優(yōu)化前后整體效率提升了10%～25%左右。

結 語

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