如何为嵌入式软件开发选择编译器

在过去数十年，摩尔定律一直支配着半导体的发展。随着MCU的性能越来越强，嵌入式产品也越来越智能，嵌入式软件也变得越来越复杂。编译器作为嵌入式软件开发的基础工具，将程序员编写的源代码转换为底层硬件可以执行的机器指令。一款优秀的编译器既需要对程序进行优化，确保程序可以高效地运行，同时又需要保证转换的一致性。

本文主要介绍一款优秀编译器应具备的一些特征，帮助嵌入式软件开发人员选择适合的编译器。

嵌入式软件复杂性

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MCU硬件资源的有限性

嵌入式系统的应用范围日益扩大，从汽车、航空航天到智能家居等领域都有广泛应用。然而，随着嵌入式软件功能越来越复杂，软件复杂性也随之增加，这给嵌入式系统设计带来了很大的挑战。特别是在硬件资源有限的嵌入式系统中，软件复杂性与MCU硬件资源之间的平衡变得非常重要。

一方面，随着软件功能的增加，软件复杂性不断增加，这可能导致代码变得庞大、难以维护。嵌入式软件需要对外部设备和传感器进行控制和响应，同时还需要实现复杂的算法和数据结构，这些都会增加软件的复杂性。

另一方面，嵌入式系统中通常具有有限的硬件资源，包括处理器速度、存储器容量和外设接口等。这些硬件资源的限制可能会限制系统的功能和性能。当软件复杂度增加时，可能会占用更多的硬件资源，从而导致系统性能下降或功能受限。此时，需要采用编译优化算法、数据结构和代码模块化等技术，以便在MCU硬件资源有限的情况下实现复杂的嵌入式软件功能。

因此，在嵌入式系统设计中，软件复杂性和MCU硬件资源之间的平衡非常关键。需要优化嵌入式软件的设计和实现，以确保系统的性能、稳定和成本的完整考量。采用有效的软件工程方法和工具，可以在硬件资源有限的情况下实现更复杂的嵌入式系统功能。编译器作为嵌入式软件开发中不可或缺的生产工具，承担从C/C++源码到目标二进制代码的高效转换职责，对其的选择对于嵌入式软件的开发极为重要。

一款优秀的编译器应具备的特性

生成的代码体积

首先，优秀的编译器可以将C/C++源代码转换成体积更小的二进制代码，从而在给定的MCU中加入更多的功能。在嵌入式系统中，MCU的存储器资源通常是有限的，因此，如果代码越小，系统就可以实现更多的功能。此外，更小的代码也意味着更少的存储器占用，这可以降低系统的成本。

下面，我们通过CoreMark基准对市面上流行的MCU编译器输出的代码尺寸进行分析。CoreMark基准是一个很好的参考，因为它试图纳入开发人员做的一些更常见的事情，如矩阵操作、CRC计算、列表处理（包括查找和排序）等等。因此，它为你提供了一个关于编译器能做什么的“真实世界”的比较，而且它还有防篡改机制，以确保编译器供应商不会通过“手工优化”CoreMark代码来作弊。可以访问EEMBC网站查找包含各种MCU和编译器组合的CoreMark基准。

虽然CoreMark是一个速度基准，但得益于其广泛的方法，它也是一个很好的代码体积基准。在各种芯片上观察该基准测试的一个文件 (coremark.c)，可以发现，根据下图中显示的所使用的芯片，其体积有小幅的变化。IAR Embedded Workbench（图中为：ICCARM V7.70.1）呈现出比其他工具小得多的变化程度，并且在不同芯片上均能产生最小的代码体积。事实上，在CoreMark总共34个模块的30个中，IAR Embedded Workbench for Arm产生了更紧密的代码，总体体积差异约为20%。同样，我们在调研用户使用IAR Embedded Workbench for RX和IAR Embedded Workbench for RL78开发的真实应用案例发现，生成的代码体积比GCC和其他工具小27%至 28%。

生成的代码性能

其次，性能卓越的编译器可以通过代码优化技术提升代码执行速度。例如，编译器可以进行代码重排、内联函数和循环展开等优化操作，以提高代码的执行效率和性能。在嵌入式系统中，处理器的性能通常也是有限的，因此代码的执行速度很重要。通过提升代码执行速度，系统可以更充分地利用处理器的性能，这可以让开发人员在不需要更高性能的处理器的情况下实现更高效的系统设计，同时节省了系统成本。另外，高效的二进制代码同样可以降低MCU的功耗，有助于提升产品的续航能力，从而使得产品在低功耗应用中更具竞争力。

同样，我们通过CoreMark基准对市面上流行的MCU编译器输出的代码性能进行分析。这里我们举例来自Nordic Semiconductor芯片的CoreMark基准测试数据。选用“极致性能”编译优化选项参数进行编译时，IAR Embedded Workbench for Arm确实远超其他工具。如下表所示，从这些基准测试中，可以看到IAR Embedded Workbench比Keil工具链高出19.1%，比GCC工具链高出惊人的29.8%。建议在CoreMark网页上查看当前最新的分数。也可以自己运行基准测试以获得精确的数字。

稳定性

另外，编译器编译输出的稳定性也至关重要。如果编译器的输出不稳定，那么在相同的源代码上编译可能会得到不同的结果，从而使得嵌入式系统在不同的环境中表现出不一致的行为。这将对系统的可靠性和稳定性产生负面影响，并且可能会导致系统的错误行为，从而增加项目时间和成本。因此，编译器必须确保其输出的结果是可靠和可重复的，以确保系统的稳定性和可靠性。

相对于开源编译器工具，IAR Embedded Workbench作为商用编译器工具的领导者，拥有资深的专业技术团队和严格的品控流程，在发布版本之前会经过严格的测试和审核过程，确保其在各种情况下都能稳定运行。

除此之外，对于有功能安全产品需求的用户， IAR Embedded Workbench高质量编译器通过了由TÜV SÜD 认证的功能安全认证，涵盖了工业（IEC 61508），汽车（ISO 26262）等10种不同种类的功能安全标准，可以帮助用户加快功能安全认证，加速产品上市。

技术支持

最后，也是非常重要的一点是用户是否能快速有效的获得技术支持。尽管编译器的性能和稳定性都非常优秀，但如果用户在使用时遇到问题并且不能获得及时的技术支持，这将导致用户使用体验下降，项目开发延期，甚至导致用户产品无法按时交付。因此，能否提供及时的技术支持也是用户选择编译器的一个极为重要的考量因素。

如果免费工具有问题，例如编译器或库中的错误，用户唯一能做的就是试着自己解决，或者在相关的资源库中发布一个问题。

为避免整个开发团队因为开发工具的问题而停止工作，是利用IAR等商用专业开发工具的最大优势之一。除此之外，IAR在世界各地都有当地的支持团队，IAR中国技术支持团队直接为国内客户提供高效的本地技术支持服务。

总结

一款优秀的编译器可以将源代码转换成高效、稳定、优化的二进制代码，使得嵌入式系统能够在有限的硬件资源下实现复杂的功能和卓越的性能。选择一款适合特定平台、性能卓越、稳定可靠、并提供优质技术支持的编译器对于嵌入式软件开发来说是至关重要的。

IAR拥有资深的编译器技术团队，深耕编译器产品开发40余年，为用户提供业界领先、性能卓越的编译工具链。IAR中国的技术支持团队时刻准备着为国内的用户提供高效专业的技术支持，为嵌入式应用开发者保驾护航。

审核编辑：汤梓红