nanopass之一--代码生成

2015-03-11

作业1

内容

  1. 背景
  2. 开始的Scheme子集
  3. 样板代码
  4. 运行时系统
  5. 汇编指令
  6. 编码提示
  7. 测试

1.背景

这门课中,我们将写一个Scheme子集的编译器,它能够编译生成x86_64架构下的汇编代码。事实上,我们这个学期将每个星期做一点,包括这个星期,但是过程中Scheme的子集将慢慢变大。编译器也会变得越来越复杂,为了生成更高效的代码。

这个星期的作业是实现一个第2部分所描述的Scheme子集的编译器。这个编译器需要包含下面两个步骤:

  • 检验
  • 代码生成

检验步骤接受任意的Scheme值作为参数,但是如果这个值不符合当前的Scheme子集,会报错(要有错误描述信息)。代码生成步骤接受一个符合当前Scheme子集的程序,生成对应的x86_64代码。要将生成的代码打印到当前标准输出端口。

检验步骤应该被命名为verify-scheme,代码生成步骤应该被命名为generate-x86-64。你要能够在一个Scheme程序中运行它们,使用下面这样的简单驱动代码:

(define driver
    (lambda (program)
        (with-output-to-file "t.s"
            (lambda ()
                (generate-x86-64 (verify-scheme program))))))

这样会输出生成到文件t.s。

第3部分中给出生成的代码的结构。第4部分中给出简单的C代码的运行时,它会调用生成的Scheme程序并打印输出,第5部分描述如何使用gcc汇编生成代码,编译运行时,将两者链接起来,并运行最后的程序。第6部分和第7部分给了一些编码提示和编译器测试指令。

我们所需要知道的X86_64架构的指令集可以在《X86_64 Primer》中找到。

2.开始的Scheme子集

下面是我们需要处理的最初的Scheme子集:

Program ->  (begin Statement+)
Statement   ->  (set! Var1 int64)
        |   (set! Var1 Var2)
        |   (set! Var1 (Binop Var1 int32))
        |   (set! Var1 (Binop Var1 Var2))
Var     ->  rax | rcx | rdx | rbx | rbp | rsi | rdi
        |   r8 | r9 | r10 | r11 | r12 | r13 | r14 | r15
Binop   ->  + | - | *

最后两个Statement表中,set!的等式左边的变量和二元操作中的第一个必须是相同的变量,比如,(set! rdx (+ rdx r11))可以,但是(set! rdx (+ r11 rdx))不行。

int32和int64分别是32位和64位精确整数,即,-2^31<=int32<=2^31-1和-2^63<=int64<=2^63-1

操作符号,以及变量名的选择,这些是因为x86_64架构指令集的限制。后面我们将放松这些限制。

3.样板代码

生成的代码必须附上一层样板代码包装,这样C的运行时才可以运行生成的代码,以及返回到C中。样板代码如下,其中generated code表示由生成代码填充。

.global _scheme_entry
_scheme_entry:
    generated code
    ret

生成代码必须将rax设置成最终的计算结果。例如,下面代码:

(begin
    (set! rax 8)
    (set! rcx 3)
    (set! rax (- rax rcx)))

会生成下面的汇编代码:

.global _scheme_entry
_scheme_entry:
    movq $8, %rax
    movq $3, %rcx
    subq %rcx, %rax
    ret

这会返回5,并且最终rax寄存器里的值为5。

4.运行时系统

运行时系统包含一个main函数和一个打印,目前都很简单。

``` #include <stdlib.h> #include <stdio.h>

#ifdef __APPLE__ /* MacOS */
#define SCHEME_ENTRY scheme_entry
#else
#define SCHEME_ENTRY _scheme_entry
#endif

extern long scheme_entry(void);

void
print(long x) {
  printf("%ld\n", x);
}

int
main(int argc, char *argv[]) {
  if (argc != 1) {
    fprintf(stderr, "usage: %s\n", argv[0]);
    exit(1);
  }

  print(scheme_entry());
  return 0;
}

```

scheme_entry需要特殊处理是因为MacOS会给scheme_entry加上一个下划线,而我们不想它开头带两个下划线。

将运行时代码放到文件runtime.c中。你也可以选择一个不同的文件名,那么用C编译器编译(如下所示)的时候也要相应做修改。

5.汇编指令

为了编译和运行生成的汇编代码,你必须运行在一个64位的Linux或者MaxOS系统中。

生成的汇编代码必须再生成机器码,这样处理器可以运行它。类似地,C的运行时代码也必须编译为机器码。两者需要链接成为一个可执行文件。这三步可以调用GNU C编译器一步完成,它知道如何处理汇编文件(.s文件扩展名的),也知道如何处理C文件。假设生成的汇编代码像第3部分描述的那样是t.s,并且运行时系统的文件是runtime.c,输入下面命令可以完成这项工作。

gcc -o t t.s runtime.c

然后运行生成的文件:

./t

6.编码提示

你可以使用像Statement来表示语法结构,我们推荐在文件头部中加入下列代码将case-sensitive设置为true:

(case-sensitive #t)

如果你使用Chez Scheme的format和printf过程,generate-x86-64写起来将更轻松一些。你现在大概可以定义一些辅助函数来做format操作,生成指令,生成标签等。

尽管这些步骤用if和cond写起来也足够短,如果你用match,代码会更加清晰也更加健壮。match是在match.ss文件中定义的。

如果你使用优化级别2,你的编译器运行起来会快一点,这样你得到反馈也更快一点,将下面代码加到文件头部中:

(optimize-level 2)

这个告诉系统它可以假设像cons这样的primitive名称是不会被重定义的。坏的一面是不能再重定义primitive的名字了。

7.测试

在test.ss里面有一个短小的测试程序,包括有效的和无效的程序。你需要确定你的编译器步骤至少会通过这一系列的测试。

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