编译技术与编译器设计专题前言

编译器作为重要的基础软件,是连接上层应用与底层系统的桥梁,在整个计算机系统软件栈中具有举足轻重的作用.编译技术与编译器设计,一方面作为国家亟待增强和突破的研究领域,迫切需要开展独立自主的科研与创新,另一方面一系列崭新领域的应用需求(如人工智能、异构计算、云计算等)也不断催生新的编译技术创新与突破.因此,编译技术与编译器设计一直是国内外学者的关注点和研究热点.本专题聚焦编译优化、编译器设计、以及编译器可信与安全等基础性问题,重点关注在相关研究领域具有创新性、突破性的高水平研究成果,探讨编译基础理论、关键技术以及编译器研发过程中关于系统设计原理、架构、经验等方面的实质性进展,及其在我国基础软件产业中的应用前景.

深度学习编译器模型训练负载均衡优化方法

对于计算密集型的人工智能(AI)训练应用,其计算图网络结构更加复杂,数据加载、计算图的任务划分以及任务调度的负载均衡性都会成为影响计算性能的关键因素。为了使深度学习编译器中模型训练应用的任务调度达到负载均衡的状态,提出了三种计算图负载均衡优化方法:第一,通过自动建立数据加载与模型训练的高效流水实现中央处理器和后端计算设备的负载均衡,提高了系统整体能效;第二,通过计算图的分层优化技术,实现计算图在后端设备执行调度时的负载均衡;最后,通过自动建立层间的高效流水提高后端设备的资源利用率。实验结果表明,计算图负载均衡优化方法实现了训练任务到底层硬件设备自动映射过程中系统的负载均衡,与Tensorflow、nGraph等传统的深度学习框架和编译器相比,在不同模型训练中通过任务调度负载均衡优化技术分别获得了2%~10%的性能提升,同时能够使系统整体的能耗降低10%以上。

面向国产高性能加速器的LLVM编译器设计及优化

国防科技大学自主研制的高性能加速器采用中央处理器(CPU)+通用数字信号处理器(GPDSP)的片上异构融合架构,使用超长指令集(VLIW)+单指令多数据流(SIMD)的向量化结构的GPDSP是峰值性能主要支撑的加速核。主流编译器在密集的数据计算指令排布、为指令静态分配硬件执行单元、GPDSP特有的向量指令等方面不能很好地支持高性能加速器。基于低级虚拟器(LLVM)编译框架,在前寄存器分配调度阶段,结合峰值寄存器压力感知方法(PERP)、蚁群优化(ACO)算法与GPDSP结构特点,优化代价模型,设计支持寄存器压力感知的指令调度模块;在后寄存器分配阶段提出支持静态功能单元分配的指令调度策略,通过冲突检测机制保证功能单元分配的正确性,为指令并行执行提供软件基础;在后端封装一系列丰富且规整的向量指令接口,实现对GPDSP向量指令的支持。实验结果表明,所提出的LLVM编译架构优化方法从功能和性能上实现了对GPDSP的良好支撑,GCC testsuite测试整体性能平均加速比为4.539,SPEC CPU 2017浮点测试整体性能平均加速比为4.49,SPEC CPU 2017整型测试整体性能平均加速比为3.24,使用向量接口的向量程序实现了平均97.1%的性能提升率。

基于JSR 269的安全多方计算编译器

随着多种通用安全多方计算协议的提出,在这些协议上构建的框架、领域特定语言层出不穷,但都有着易用性差、现有编程语言难以交互等问题。因此,针对这些问题,设计一种基于JSR 269的安全多方计算编译器构建方案。该方案将经过了安全多方计算相关的注解标注的Java源代码,通过编译器插件编译为安全多方计算应用,并且可以和Java语言进行交互。通过实验及结果分析,该方案可保留Java语言的高级语言特性,以高度抽象的方式进行安全多方计算应用逻辑的编写。

基于存储器编译器的敏捷生成技术研究

磁随机存储器作为一种新型非易失性存储,因其优良的读写速度与耐久度特性,在嵌入式存储领域具有广阔的应用前景。然而,由于磁随机存储器的定制化设计通常需要数月完成,具有较长的设计周期,这与片上系统较快的设计迭代需求存在一定矛盾。存储器编译器作为一种快速生成存储器设计的工具,是解决这一矛盾的有效手段。本文从磁随机存储器的全定制设计流程出发,同时对各类存储器编译器的研究现状开展调研,总结了目前存储器编译器工作的现状与挑战,最终讨论了磁随机存储器编译器的设计方法学。

车磨复合数控系统的编译器与衔接速度算法的研究与实现

针对复合型车磨数控系统的特点,本文介绍的编译器在传统NC程序编译的基础上增加了编译缓冲、指令分流、并行编译、构建编译、语句编译等功能,有效地提高了NC程序的编译效率;同时,本文阐述了车磨复合数控系统在切削加工过程中,采用高速衔接方式时编译器的衔接速度算法,与传统的连续平滑过渡模式或减速到零模式相比,该算法极大地提高了系统的加工效率和精度。试验结果表明,该编译器具有良好的可移植性和较强的译码功能。

动态模糊逻辑程序设计语言编译器的实现

动态模糊逻辑程序设计语言的独特优势在于可以处理动态模糊数据,但现存的编译器很难有效解析动态模糊数据。针对此问题,通过扩展监督命令程序结构,引入对动态模糊性的形式化描述,设计一种新型的动态模糊逻辑程序设计语言编译器。通过实例验证,该编译器能正确解析动态模糊数据,降低了动态模糊逻辑程序调试难度,提高了动态模糊逻辑程序开发效率。

编译器前端构造工具及JLUCC的实现

针对多种典型的编译器构造工具存在对文法有限制、嵌入式语义动作有负面影响,目标语言单一和调试维护困难等一些问题,设计并实现了一种新的编译器构造工具———JLUCC(JilinUniversityCompilerCompil-er)。JLUCC使用Earley分析方法,结合反射、面向对象和设计模式等技术,具有词法分析器、语法分析器、抽象语法树和遍历工具等编译器模块的自动生成功能,可以支持任意上下文无关文法、多遍处理和对目标语言的扩展。其功能强大、使用方便、便于维护和扩展,具有广阔的应用前景。展望了未来编译器构造工具的发展趋势。

通用可扩展编译器前端生成器的设计与实现

传统的编译器前端生成器由于结构和算法等原因, 通用性和可扩展性较差. 为解决这一问题, 提出并实现一种通用可扩展编译器前端生成器JLUCC. JLUCC使用面向对象、反射和设计模式等技术, 具有通用、可扩展和易于使用等特点. 通过使用JLUCC开发C/ATLAS语言编译器的实践, 验证了JLUCC的有效性.

CompCert编译器目标代码生成机制分析

CompCert是著名的C语言可信编译器,是经过形式化验证的编译器的杰出代表,近年来被广泛应用于学术界和工业界的许多研发工作中。CompCert编译器的当前版本支持多种目标机结构。文中对CompCert编译器目标代码生成机制进行剖析,主要介绍其设计逻辑、翻译过程、语义保持性以及代码结构,并给出了CompCert编译器重定向设计的要点。文中工作有助于实现CompCert重定向,比如实现面向重要国产处理器的后端。

多目标交叉编译技术——GCC与Zephyr编译器构造的分析与比较

1引言 编译系统是任何计算机系统中不可缺少的重要部分.编译系统的研制因其技术复杂、难度较高而需要投入较多的人力、物力和花费较长的研制周期.过去编译器均是针对某一特定语言和目标机而编写的.随着计算机的飞速发展,过去那种编写编译器的方法已很难满足需要.在八十年代初,针对各种程序设计语言的后端具有较大共性的特点,国外相继开发了支持多种语言的编译系统,并很快成为各计算机公司编译系统采用的通用方法.

基于X86平台的编译器性能优化

编译器的性能受机器平台的影响,只有编译器与机器平台相适应配套,才能发挥出极致性能.因此,编译器优化工作显得尤为重要.在传统的编译器优化工作中,常采用的是迭代测试分析方法,但编译器优化Pass繁多,使用此方法致使测试任务量大、分析数据量多、优化工作难.因此,提出一种正确性粗细粒度差异化分析技术,从正确性性能摸索、粗粒度迭代测试以及细粒度核心差异化分析三方面解决编译器优化工作中的困难.最后,通过SPEC CPU2017实验测试,验证了该方法的实用性,为GCC优化提供了正确的优化方向.

面向VHDL语言编译器VCompiler93的研制

研制用于 VHDL语言的编译器 ,语法分析采用一便扫描和预测分析的策略 ,提出了适用于处理 VHDL语言中语法冲突、各类重载语法、静态层次确立等语法现象的具体算法 .开发出面向 VHDL93标准的 VHDL语言编译器 VCompiler93,该编译器运行正常 ,表明所采用的解决方案合理 ,算法有效 .

同步数据流语言可信编译器的构造

同步数据流语言近年来在航空、高铁、核电等安全关键领域得到广泛应用.然而,此类语言相关开发工具本身的安全性业已成为被高度关注的安全隐患之一.借助辅助定理证明器实现常规语言编译器的构造和验证已被证明是成功的,有望最大限度地解决误编译问题.基于这种方法,开展了从同步数据流语言(Lustre为原型)到串行命令式语言(C为原型)的可信编译器构造的关键技术研究.其挑战性在于两类语言之间的巨大差异,源语言具有时钟同步、数据流、并发及流数据对象等特征,而目标语言则具有顺序控制流特征.同类研究中,目前尚无针对核心翻译过程的公开成果.就单一时钟的情形实现了一个经过形式化验证的完整编译过程,相关技术将应用于安全关键领域编译系统的开发.综述了这一可信编译器的研究背景、意义、总体设计框架、核心技术、现状以及进行中或后续的工作.

HPF编译器中的通信实现策略及其相关算法

介绍了ＨＰＦ编译系统ｐ＿ＨＰＦ中的通信实现策略及其相关算法．综合数组的分布方式、对准、ＦＯＲＡＬＬ语句的空间索引变量范围以及数组元素的下标表达式，将程序语句中所隐含的通信划分为３种情形，即无通信、ＳＨＩＦＴ通信和其它通信（ＲＥＭＡＰ通信），指出了这种划分的意义，给出相应的通信检测算法，描述了具体的实现细节；详细讨论了ＳＨＩＦＴ通信以及利用阴影区技术对它进行的优化，对于ＲＥＭＡＰ通信的典型形式及其优化也进行了讨论．

安全编码预编译器的设计与实现

针对轨道交通车载装备的安全性问题,基于安全编码处理器(VCP)的编码思想,设计并实现安全编码预编译器(VCPC)。VCPC能将没有安全性的源代码转换成具有验证能力的安全代码,生成的安全代码可应用于VCP中的单处理器,实现对处理器各种故障的监测和保护。测试结果表明,该安全代码的剩余错误率可以达到1/A。

可信编译器L2C的核心翻译步骤及其设计与实现

同步数据流语言(如Lustre)近年来在航空、高铁、核电等安全攸关领域得到广泛应用.这些领域对相关开发工具本身的安全性有着相当高的要求.为尽力解决好"误编译"问题,近期人们借助reliable-by-construction辅助定理证明器实现常规命令式语言编译器的构造和验证,取得了很大的成功,如Comp Cert C编译器.L2C是基于这种方法开发的可信编译器.它以扩展的Lustre语言为源语言,以Clight(Comp Cert中的C语言子集)为目标语言.L2C是面向实际工业应用的同步数据流语言编译器.重点介绍L2C编译器的核心翻译步骤及其设计与实现过程中考虑的主要问题和相关经验.

典型编译器自动向量化效果评估与分析

SIMD(Single-Instruction-Multiple-Data)体系结构在现代处理器体系结构中扮演重要的角色。多种国产高性能通用处理器也大都实现了SIMD结构。SIMD体系结构提供了短向量数据并行处理能力,编译器自动向量化是应用程序获得性能提升的主要手段之一。使用成熟的支持SIMD的商用处理器平台评估典型编译器自动向量化的效果,对于处理器体系结构的设计以及编译器的分析和设计非常有益。采用SPECCPU2006和SPECOMPM2001基准测试程序,评估了典型编译器(包括Intel编译器、PGI编译器和GCC编译器)的自动向量化的效果。并且以产品级的开源编译器GCC为目标,用手工编写的程序片段(主要是多种类型的循环结构)评估了当前GCC编译器自动向量化的效果,并深入分析了GCC编译器中现有的自动向量化的能力和局限。此项工作为进一步研发高效的编译器自动向量化提供了有价值的参考。

利用LEX与YACC实现数控线切割的加工程序编译器

使用LEX和YACC语言及基于Windows操作系统的集成开发工具ParserGenerator ,设计和实现了线切割加工程序编译器。编译器用于DD7710 0龙门式线切割机床数控系统。

JAVA并行化编译器JAPS-Ⅱ

JAPS-Ⅱ（Java automatic parallelizing system version 2）是一个Java源代码重构编译器,用来发现和实现串行Java程序中对象内和对象间的并行性.其目标体系结构为基于工作站网络环境的分布式存储器计算机系统.介绍了JAPS-Ⅱ的体系结构和实现JAPS-Ⅱ的关键技术,包括用于对象并行性分析的数据流分析技术、提高对象并行性和减少运行开销的优化技术以及类重构和代码生成技术.测试结果表明,JAPS-Ⅱ能够有效地发现循环中和对象内、对象间的并行性,获得加速比.这种技术也可应用于其他面向对象语言的并行化.