初探PLC的ST语言转换成C++的方法

自动控制软件绕不开ST （StructureText ） 语言。它是IEC61131-3 标准中唯一的一个高级语言。目前，大多数PLC 产品支持ST语言。在IEC61499 中，根据IEC61499的定义，功能块的内部算法可以使用若干语言来描述，虽然可以是C，或者java 这样的通用高级语言，但是为了符合OT 工程的使用习惯，几个主要的IEC61499 开发工具也都以STL语言作为功能块内部算法的语言，在著名的IEC61499 开源项目4diac 中，除了ST 以外，还可以采用lua 脚本语言。不过对于OT 工程师而言，大概也不会使用lua 这样的语言。
   另一方面，在IEC61499  或IEC61131 的运行时中，通常是使用C++，或者java 这样的通用程序设计语言编写的。在这样的运行时中运行ST 程序的方式无非是两种方式。第一种方式是将ST 翻译成为一种中间语言，由运行时解释执行。第二种方式是将ST转换成C++ 。与运行时源码一起编译。4diac 采取的是后一种方法。

      ST 语言是一种类似PASCAL 的语言，将它转换成为C++ 代码并非易事。传统的方式与编译器没有什么两样，一般采取两趟编译，第一趟词法分析，第二趟语法分析。只是产生的目标代码是C++罢了。这样的程序过于复杂。将它们融入自己的开发环境，工作量也不小。本博文讨论基于xtext 的方式，实现ST 转换成C++ 的技术方案。

ST 程序实例

ST 编写的程序长成这个样子：

PROGRAM stexampleVARx : BOOL;END_VARx := TRUE;REPEATx := FALSE;UNTIL x := FALSE;END_REPEAT;
END_PROGRAM;

可以看出，ST与pascal有几分神似，也有很大的差别。所以如果将pascal 2 C 的程序修改成为ST to C++ ，改动也不小。而改动一个编译器并不是容易的事情。

xtext 与DSL 语言

        作者一直在寻找实现ST 语言到C++ 转换的其它技术路线。万般无奈之时，硬着头皮研究了4diac IDE 的源代码。结果发现4diac中，它采取了Eclipse xtext 项目的技术。于是开始关注xtext

官网：https://www.eclipse.org/Xtext/

     按照xtext官网的说法，Xtext 是开发程序设计语言和领域特定语言（DSL：domain-specific languages）的架构。于是又引入了一个术语DSL。这才发现，Xtext和DSL 是语言工程方面的一个重要的工具和概念，网络上有许多信息，而且有一本完整的书来介绍-《Implementing Domain-Specific Languages with Xtext and Xtend - Second Edition》。本博文没有办法全面地介绍Xtext和DSL 。只是提一下基本概念。在后续的博文中我会继续介绍这方面的内容（如果有人点赞的话）。

DSL语言

       网络上将DSL 语言翻译成为领域特定语言，这是一种面向专有领域的小型语言，例如SQL 语言就是一种DSL，它是数据库查询的专有语言。其实DSL 是相对于通用程序设计语言（GPL） 而言的。比如Java。C++，PASCAL 等等。IEC61131-3 中的ST 是工业控制领域的专用语言。DSL 的另一个特点当然是它们普遍都比较小。

定义（Wikipedia）：DSL 是特定领域的专用计算机语言。

这种定义完全是相对而言的，ST相对于java ，ST是一种DSL 语言，而java 相对于 英语，java 是一种DSL 语言。所以没有严格之分。

  那么，为什么要DSL呢？它们主要的用途是什么呢？

DSL 的特点：

1. 更多的表达，更少的冗余

                 这意味着更高的效率。

1. 更好的学习曲线
2. 有助于和领域专家交流
3. 能自成文档（self-documenting）
4. 领域特定验证

   软件开发大师Martin Flowler 指出：任何一个傻子都能够写成计算机能懂的代码。好的程序员能够编写人类能够读懂的代码。DSL 能够使代码更加容易让人理解。特别是让非计算机人士理解。这非常重要。D。Knuth 曾经指出：好的算法必需看上去令人信服（ An algorithm must be see to believed）。计算机语言通常比较地复杂，使人们不能集中精力去关注算法本身。例如XML 是一种普遍使用的结构化文本描述语言。在PLCOpen 和IEC61499 中采用XML 来描述程序，功能块，设备，系统等各种模型。这相对于PLC 厂商私有的文档格式，是一大进步。但是XML 恐怕只适合计算机程序处理，仍然不适合人类阅读。例如：


James
Smith
50



John
Anderson
40



XML不愧为是结构性语言，XML 中太多<> 括起的tag 。使我们很难看出内容 。这也称为“信息噪声”太大。如果使用 ad-hoc DSL描述：

person {
name=James
surname=Smith
age=50
}
person employed {
name=John
surname=Anderson
age=40
}

显然它们要清晰多了。它是低噪声的，信息更能理解。进一步地，如果按如下方式描述，显然更加清晰。 

James Smith (50)
John Anderson (40) employed

DSL的实现

   对于最终用户而言，使用DSL 要比XML 代码容易多了，但是俗话说：“话越少，事越大“。开发DSL 的主要任何就是如何实现它。实现DSL 意味着能够阅读DSL 编写的文本，对它语法分析，处理它，和转换成为其它语言的代码。这个过程类似与编译器（compiler） ，涉及词法分析，语法分析和代码生成。具体的方式是采用一种语法描述语言来描述DSL语言的语法（这种语法描述语言其实也是DSL），然后通过语言工具（语法生成器（parser generators）或者编译器的编译器（compiler-compiler）来编译DSL 语言编写的代码。

 Bison 和Flex 是非常著名的基于C语言的语法描述语言，Bison 用于语法规范，Flex 用于词法规范。Bison 是Yacc（Yet Another Compiler-compiler）的实现。在java 的世界，ANTLR 非常出名。github 有一个开源项目：https://github.com/nucleron/matiec。不过这个编译器需要4 个stage。看上去比较复杂。

实现DSL 的另一种方法是基于eclipse 的Xtext项目。

进入Xtext

Xtext 是Eclipse 用于实现程序设计语言和DSL 的软件架构。它包含了一个完整的语言基础设施，从语法分析开始，代码生成或者解释，直到完整的EclipseIDE集成，实现一个DSL语言非常快。。Xtext 最惊喜的事情是实现DSL 语言，只需要一个语法规范就可以了。Xtext 的语法规范类似于ANTLR。

安装Eclipse Xtext

         安装Eclips 的方法是首先从Eclipse 官网下载一个eclipse-install ，然后安装一个Eclipse Modling Tools。在Eclipse Modling 下，安装Xtext 插件。就可以使用了。如果你点赞，我会在后面的博文中介绍安装过程的细节。

使用Xtext 实现ST 语言

前面提到，使用Xtext 实现DSL 的需要是编写语言的规范。如果我们要实现ST 语言的编译，首先需要有一个xtex格式的ST语言的规范。他们在4diac IDE 的源代码中可以找到。文件比较长，这里就不列出来了。摘录一些片段。

StructuredTextAlgorithm: {StructuredTextAlgorithm}(&＃39;VAR&＃39;((localVariables += Var_Decl_Init) &＃39;;&＃39;)*&＃39;END_VAR&＃39;)?statements=Stmt_List
;Var_Decl_Init returns libraryElement::VarDeclaration:Var_Decl_Local
;Var_Decl_Local returns libraryElement::LocalVariable:{LocalVariable} (constant ?= &＃39;CONSTANT&＃39;)? name=ID (located?=&＃39;AT&＃39; location=Variable)? &＃39;:&＃39;( array?=&＃39;ARRAY&＃39; &＃39;[&＃39; arrayStart=Array_Size &＃39;..&＃39; arrayStop=Array_Size &＃39;]&＃39; &＃39;OF&＃39;)?type=[datatype::DataType|Type_Name]( initalized?=&＃39;:=&＃39; initialValue=Constant)?
;/************************************************************************statement
************************************************************************/
Stmt_List returns StatementList: {StatementList}((statements += Stmt)? &＃39;;&＃39;)*
;Stmt returns Statement:Assign_Stmt |Subprog_Ctrl_Stmt |Selection_Stmt |Iteration_Stmt
;Assign_Stmt returns AssignmentStatement:variable=Variable &＃39;:=&＃39;expression=Expression
;Subprog_Ctrl_Stmt returns Statement:Func_Call |//Invocation |{SuperStatement} &＃39;SUPER&＃39; &＃39;(&＃39; &＃39;)&＃39; |{ReturnStatement} &＃39;RETURN&＃39;
;Selection_Stmt returns Statement:IF_Stmt | Case_Stmt
;IF_Stmt returns IfStatement:&＃39;IF&＃39; expression=Expression &＃39;THEN&＃39;statments=Stmt_List(elseif += ELSIF_Clause)*(else=ELSE_Clause)?&＃39;END_IF&＃39;
;ELSIF_Clause returns ElseIfClause:&＃39;ELSIF&＃39; expression=Expression &＃39;THEN&＃39;statements=Stmt_List
;ELSE_Clause returns ElseClause:&＃39;ELSE&＃39;statements=Stmt_List
;Case_Stmt returns CaseStatement:&＃39;CASE&＃39; expression=Expression &＃39;OF&＃39;(case += Case_Selection)+(else=ELSE_Clause)?&＃39;END_CASE&＃39;
;Case_Selection returns CaseClause:case += Constant (&＃39;,&＃39; case += Constant)* &＃39;:&＃39; //only allow explicit constants herestatements=Stmt_List
;Iteration_Stmt returns Statement:For_Stmt |While_Stmt |Repeat_Stmt |{ExitStatement} &＃39;EXIT&＃39; |{ContinueStatement} &＃39;CONTINUE&＃39;
;For_Stmt returns ForStatement:&＃39;FOR&＃39; variable=Variable_Primary &＃39;:=&＃39; from=Expression &＃39;TO&＃39; to=Expression (&＃39;BY&＃39; by=Expression)? &＃39;DO&＃39;statements=Stmt_List&＃39;END_FOR&＃39;
;While_Stmt returns WhileStatement:&＃39;WHILE&＃39; expression=Expression &＃39;DO&＃39;statements=Stmt_List&＃39;END_WHILE&＃39;
;Repeat_Stmt returns RepeatStatement:&＃39;REPEAT&＃39;statements=Stmt_List&＃39;UNTIL&＃39; expression=Expression&＃39;END_REPEAT&＃39;
;

完整的xtext 文件 443 行。

语言服务器协议（Language Server Protocol）

Eclipes xtext 项目提供了DSL的所有工具，包括了编辑时的高亮，语法检查，编译，代码生成，验证等等。全部是在Eclipse IDE 下完成的。但是ST语言的编译需要在IEC61131-3 或IEC61499 的IEC 环境下实现/对于4diac 而言，它同样是使用Eclipse IDE来实现的，所以，Xtext 成为了4diac IDE的插件。但是，如果你的IEC61131-3/IEC61499 IDE 采用其他语言和架构来实现的（比如C++，或者Javascript/nodeJS），那么如何将Xtext嵌入到你的IDE 中去呢？这要感谢微软公司开源的语言服务器协议。协议定义了在编辑器或IDE与语言服务器之间使用的协议。比如微软的VS Code 与编译器之间的协议。使用语言服务器协议能够实现云端语言开发环境。

到了Xtext 采用了eclipse 的lsp4j。实际上，xtext 指出web 方式的编辑。

  具体实现时，可以将ST 编译做成一个服务器，甚至可以放置在docker 中。你的IEC61131-3/IEC61499 IDE 通过lsp4j 协议与ST编译服务器交互完成ST语言的转换。既可以本地访问，也可以远程访问。可以实现云端PLC。

小结和今后的工作

本博客介绍了采用Eclipse Xtext 工具实现IEC61131-3/IEC61499 的ST语言的编译方案，并且大致介绍了Xtext和语言服务器协议两个重要的技术。未来，我们会实现一个完整的，独立的ST语言服务器。这里特别要指出的是，Xtext 对于工业自动化领域的开放模型，模型驱动自动化（model driven automation） 同样非常重要，Xtext是值得研究的课题。