RISC-V目标代码生成
以下文档将向大家介绍实验五的进阶实验部分，讲解涉及的源码部分以及具体实验任务。
与该阶段有关的文件如下：
Makefile
拷贝
.
|-- CMakeLists
.txt
|-- include
| |--
...
| |-- codegen # 你需要阅读该目录下的文件
| | |--
ASMInstruction
.hpp # 描述汇编指令
| | |-- CodeGen
.hpp # 后端框架顶层设计，你可能需要修改此文件，e
.g
.增加context的域
| | |-- CodeGenUtil
.hpp # 一些辅助函数及宏的定义
| | `-- Register
.hpp # 描述寄存器
|--
...
|-- src
| |-- codegen
| | |-- CMakeLists
.txt
| | |-- CodeGen
.cpp # 你需要修改此文件，完成其中的TODO
| | `-- Register
.cpp # 你需要阅读此文件了解寄存器及其ABI
|--
...
`-- tests
|--
...
|-- 4-code-gen
| |-- autogen # 进阶实验本地测试目录
| | |-- cleanup
.sh
| | |-- eval_
lab5
.sh # 测试脚本
| | |-- log
.txt # 测试结果日志
| | `-- testcases # 存放本地测试用例
`-- CMakeLists
.txt
实验内容
源码中TODO部分暂时用下面抛出异常代码替代，后续完成TODO后需要删除该代码
C++
拷贝
throw not_implemented_error{__FUNCTION__};
该代码用于定位你当前还需实现的函数，比如当你未完善gen_ret函数时，输入测试用例后执行到此处，就会抛出异常
C++
拷贝
terminate called after throwing an instance of 'not_implemented_error'
what(): gen_ret
Aborted
完成src/codegen/CodeGen
.cpp 中的9个TODO，具体位置在文件内搜索TODO即可看到，推荐完成顺序
lv0：根据你的理解实现函数的 epilogue以及函数返回操作（TODO
1&TODO2）
lv
1：补全load整型变量的情况以及处理浮点数转向整数的情况（TODO3&TODO8）
lv2：完善浮点型全局变量声明及其初始化、完善浮点型全局数组变量声明及其初始化（TODO4&TODO5）
lv3：补全条件跳转操作（TODO6）
lv4：补全各种浮点型变量比较的情况（对应的Light IR：feq/fne/fgt/fge/flt/fle）（TODO7）
lv5：完善数组地址计算（TODO9）
lvx 对应本地测试目录
编译、运行
编译命令如下
Bash
拷贝
$ mkdir build
$ cd build
# 使用 cmake 生成 makefile 等文件
$ cmake
..
# 使用 make 进行编译
$ make
$ sudo make install
如果构建成功，你会在 build 文件夹下找到 sysy 可执行文件，它能将 sysy 文件输出为
.s汇编文件。
运行分为2种情况
生成 汇编文件
编译完一定要 sudo make install，确保sysy 在
$PATH 中。
Bash
拷贝
# 假设 sysy 的路径在你的
$PATH 中，并且你现在在 test
.sysy 文件所在目录中
$ sysy -S test
.sysy
此时会在同目录下生成同名的
.s 文件，在这里即为 test
.s。也可以使用 -o 指定输出文件名，比如 sysy -S test
.sysy -o anyname
.s，这里 -o anyname
.s 与 -S 的顺序可以是任意的。
生成可执行文件
上面生成的
.s 文件用于阅读，如果需要运行，需要调用 clang 编译链接生成二进制文件 test
Bash
拷贝
$ riscv64-unknown-elf-gcc -static test
.s
../src/io/io
.c -o test
这里是在build目录下执行，具体io库文件（
../src/io/io
.c）需要替换成你本地的对应路径。
之后可以用qemu运行
Bash
拷贝
$ qemu-riscv64
./test
# 查看返回值
$ echo
$?
ASMInstruction
.hpp
#pragma once
#include <cassert>
#include <string>
struct
ASMInstruction {
enum InstType { Instruction, Atrribute,
Label, Comment } type;
std::string content;
explicit
ASMInstruction(std::string s, InstType ty = Instruction)
: type(ty), content(s) {}
std::string format() const {
switch (type) {
case
ASMInstruction::Instruction:
case
ASMInstruction::Atrribute:
return "\t" + content + "\n";
case
ASMInstruction::
Label:
return content + ":\n";
case
ASMInstruction::Comment:
return "# " + content + "\n";
}
assert(false && "unreachable");
}
};
CodeGen
.hpp
#pragma once
#include "
ASMInstruction
.hpp"
#include "Module
.hpp"
#include "Register
.hpp"
#include <map>
#include <utility>
#include <set>
#include <unordered_set>
#include <unordered_map>
#include <cassert>
#include <cstring>
#include <string>
#define STACK_ALIGN(x) ALIGN(x,
16)
#define CONST_0 ConstantInt::get(0, m)
#define FP "s0"
#define SP "sp"
#define RA_reg "ra"
#define R_USABLE (
17 - 3)
#define FR_USABLE (24 - 2)
#define ARG_R 8
using std::map;
using std::pair;
using std::set;
using std::string;
using std::to_string;
using std::vector;
class CodeGen {
public:
explicit CodeGen(Module *module) : m(module) {}
string print() const;
void run();
template <class
... Args> void append_inst(Args
... arg) {
output
.emplace_back(arg
...);
}
void append_inst(const char *inst, std::initializer_list<string> args,
ASMInstruction::InstType ty =
ASMInstruction::Instruction) {
static const std::unordered_set<std::string> offset_base_insts = {//需要使用 offset(base) 地址寻址格式的指令
"lb", "lbu", "lh", "lhu", "lw", "lwu", "ld",
"sb", "sh", "sw", "sd",
"flw", "fld", "fsw", "fsd"
};
auto content = string(inst) + " ";
if (offset_base_insts
.count(inst) && args
.size() == 3) {
// 假设格式为 {"rd", "base", "offset"}
auto it = args
.begin();
std::string reg = *it++;
std::string base = *it++;
std::string offset = *it;
content += reg + ", " + offset + "(" + base + ")";
} else {
for (const auto &arg : args) {
content += arg + ", ";
}
// 移除最后的 ", "
content
.pop_back();
content
.pop_back();
}
output
.emplace_back(content, ty);
}
private:
void allocate();
// 向寄存器中装载数据
void load_to_greg(Value *, const Reg &);
void load_to_freg(Value *, const FReg &);
void load_from_stack_to_greg(Value *, const Reg &);
// 向寄存器中加载立即数
void load_large_int32(int32_t, const Reg &);
void load_large_int64(int64_t, const Reg &);
void load_float_imm(float, const FReg &);
// 将寄存器中的数据保存回栈上
void store_from_greg(Value *, const Reg &);
void store_from_freg(Value *, const FReg &);
void global_array_int(ConstantArray * init_val);
void global_array_float(ConstantArray * init_val);
void gen_prologue();
void gen_ret();
void gen_br();
void gen_binary();
void gen_float_binary();
void gen_alloca();
void gen_load();
void gen_store();
void gen_icmp();
void gen_fcmp();
void gen_zext();
void gen_call();
void gen_gep();
void gen_sitofp();
void gen_fptosi();
void gen_epilogue();
string tmpregname(int i, bool is_float) const {//只会用到t0 or t
1
assert(i == 0 or i ==
1);
return (is_float ? "ft" : "t") + to_string(i);
}
static pair<int, int> immRange(int bit, bool u) {
pair<int, int> res;
if (u) {
res
.first = 0;
res
.second = (
1 << bit) -
1;
} else {
bit--;
res
.first = -(
1 << bit);
res
.second = (
1 << bit) -
1;
}
return res;
}
static string
label_name(BasicBlock *bb) {
return "
." + bb->get_parent()->get_name() + "_" + bb->get_name();
}
static string func_exit_
label_name(Function *func) {
return func->get_name() + "_exit";
}
static string fcmp_
label_name(BasicBlock *bb, unsigned cnt) {
return
label_name(bb) + "_fcmp_" + to_string(cnt);
}
void makeSureInRange(string instr_ir,
string reg
1,
string reg2,
int imm,
string tinstr,
int tid = 0,
int bits =
12,
bool u = false){
auto treg = tmpregname(tid, false);
assert(treg != reg2 && "it's possible to write tid before reg2's use");
// 获取立即数的合法范围
auto [l, h] = immRange(bits, u);
// 如果立即数在合法范围内，直接使用
if (l <= imm && imm <= h){
append_inst(instr_ir
.c_str(), {reg
1, reg2, to_string(imm)});
} else {
int imm_high = (imm + (
1 <<
11)) >>
12; // rounding
int imm_low = imm - (imm_high <<
12);
// 强制转为无符号 20-bit
int lui_imm = imm_high & ((
1 << 20) -
1);
// 构造指令
append_inst("lui", {treg, to_string(lui_imm)});
append_inst("addi", {treg, treg, to_string(imm_low)});
// 根据类型决定后续操作
if (tinstr == "ldx" || tinstr == "stx") {
append_inst("add", {treg, reg2, treg});
append_inst(instr_ir
.c_str(), {reg
1, treg, "0"});
} else {
append_inst(tinstr
.c_str(), {reg
1, treg, reg2});
}
}
}
struct {
/* 随着ir遍历设置 */
Function *func{nullptr}; // 当前函数
Instruction *inst{nullptr}; // 当前指令
BasicBlock *bb{nullptr}; // 当前BB
/* 在allocate()中设置 */
unsigned frame_size{0}; // 当前函数的栈帧大小
std::unordered_map<Value *, int> offset_map{}; // 指针相对 fp 的偏移
std::unordered_map<Value *, int> offset_call{}; // 指针相对 sp 的偏移
unsigned fcmp_cnt{0}; // fcmp 的计数器, 用于创建 fcmp 需要的
label
std::unordered_map<Value *, int> array_start_offset{};
void clear() {
func = nullptr;
inst = nullptr;
bb =nullptr;
fcmp_cnt = 0;
frame_size = 0;
offset_map
.clear();
offset_call
.clear();
array_start_offset
.clear();
}
} context;
Module *m;
std::list<
ASMInstruction> output;//输出RISCV
};
CodeGenUtil
.hpp
#pragma once
#include <string>
#include <stdexcept>
/* 关于位宽 */
#define IMM_
12_MAX 0x7FF
#define IMM_
12_MIN -0x800
#define LOW_
12_MASK 0x00000FFF
#define LOW_20_MASK 0x000FFFFF
#define LOW_32_MASK 0xFFFFFFFF
inline unsigned ALIGN(unsigned x, unsigned alignment) {
return ((x + (alignment -
1)) & ~(alignment -
1));
}
inline bool IS_IMM_
12(int x) { return x <= IMM_
12_MAX and x >= IMM_
12_MIN; }
/* 栈帧相关 */
#define PROLOGUE_OFFSET_BASE
16 //
$ra
$fp
#define PROLOGUE_ALIGN
16
/* RISC-V指令 */
// Arithmetic
#define ADD "add"
#define SUB "sub"
#define MUL "mul"
#define DIV "div"
#define SLLI "slli"
#define ADDI "addi"
#define FADD "fadd"
#define FSUB "fsub"
#define FMUL "fmul"
#define FDIV "fdiv"
#define ORI "ori"
#define LI "li"
#define LU
12I_W "lui"
// Data transfer (greg <-> freg)
#define GR2FR "fcvt
.s
.w"
#define FR2GR "fcvt
.w
.s"
// Memory access
#define LOAD_BYTE "lb"
#define LOAD_WORD "lw"
#define LOAD_DOUBLE "ld"
#define STORE_BYTE "sb"
#define STORE_WORD "sw"
#define STORE_DOUBLE "sd"
#define FLOAD_SINGLE "flw"
#define FSTORE_SINGLE "fsw"
//
ASM syntax sugar
#define LOAD_ADDR "la"
// errors
class not_implemented_error : public std::logic_error {
public:
explicit not_implemented_error(std::string &&err_msg = "")
: std::logic_error(err_msg){};
};
class unreachable_error : public std::logic_error {
public:
explicit unreachable_error(std::string &&err_msg = "")
: std::logic_error(err_msg){};
};
Register
.hpp
#pragma once
#include <cassert>
#include <string>
struct Reg {
unsigned id;
explicit Reg(unsigned i) : id(i) { assert(i <= 3
1); }
bool operator==(const Reg &other) { return id == other
.id; }
std::string print() const;
static Reg zero() { return Reg(0); }
static Reg ra() { return Reg(
1); }
static Reg sp() { return Reg(2); }
static Reg fp() { return Reg(8); }
static Reg a(unsigned i) {
assert(0 <= i and i <= 7);
return Reg(i +
10);
}
static Reg t(unsigned i) {
assert(0 <= i and i <= 6);
if(i < 3)
return Reg(i + 5);
else
return Reg(i + 25);
}
static Reg s(unsigned i) {
assert(0 <= i and i <=
11);
if (i < 2)
return Reg(i + 8);
else
return Reg(i +
16);
}
};
struct FReg {
unsigned id;
explicit FReg(unsigned i) : id(i) { assert(i <= 3
1); }
bool operator==(const FReg &other) { return id == other
.id; }
std::string print() const;
static FReg fa(unsigned i) {
assert(0 <= i and i <= 7);
return FReg(i +
10);
}
static FReg ft(unsigned i) {
assert(0 <= i and i <=
15);
if (i >=
12) return FReg(i +
12);
else if (i >= 8) return FReg(i + 20);
else return FReg(i);
}
static FReg fs(unsigned i) {
assert(0 <= i and i <= 7);
if (i <=
1) return FReg(i + 8);
else return FReg(i +
16);
}
};
Register
.cpp
#include "
../
../include/codegen/Register
.hpp"
#include <string>
std::string Reg::print() const {
if (id == 0) {
return "zero";
}
if (id ==
1) {
return "ra";
}
if (id == 2) {
return "sp";
}
if (id == 3) {
return "gp";
}
if (id == 4) {
return "tp";
}
if (5 <= id and id <= 7) {
return "t" + std::to_string(id - 5);
}
if (id == 8) {
return "fp";
}
if (id == 9) {
return "s
1";
}
if (
10 <= id and id <=
17) {
return "a" + std::to_string(id -
10);
}
if (
18 <= id and id <= 27) {
return "s" + std::to_string(id -
16);
}
if (28 <= id and id <= 3
1) {
return "t" + std::to_string(id - 25);
}
assert(false);
}
std::string FReg::print() const {
if (0 <= id and id <= 7) {
return "ft" + std::to_string(id);
}
if (8 <= id and id <= 9) {
return "fs" + std::to_string(id - 8);
}
if (
10 <= id and id <=
17) {
return "fa" + std::to_string(id -
10);
}
if (
18 <= id and id <= 27) {
return "fs" + std::to_string(id -
16);
}
if (28 <= id and id <= 3
1) {
return "ft" + std::to_string(id - 20);
}
assert(false);
}
CodeGen
.cpp
#include "CodeGen
.hpp"
#include "CodeGenUtil
.hpp"
#include <algorithm>
#include <cstdint>
#include <cstring>
#include <string>
#include <sys/types
.h>
#include <utility>
#include <vector>
void CodeGen::allocate() {
unsigned offset = PROLOGUE_OFFSET_BASE;
// 为每个参数分配栈空间（如果没有被分配寄存器）
for (auto &arg : context
.func->get_args()) {
auto size = arg
.get_type()->get_size();
offset = ALIGN(offset + size, size);
context
.offset_map[&arg] = -static_cast<int>(offset);
}
// 为每条指令结果分配栈空间
for (auto &bb : context
.func->get_basic_blocks()) {
for (auto &instr : bb
.get_instructions()) {
// 每个非 void 的定值都分配栈空间
if (not instr
.is_void()) {
auto size = instr
.get_type()->get_size();
offset = ALIGN(offset + size, size);
context
.offset_map[&instr] = -static_cast<int>(offset);
}
// 为数组 alloca 分配额外空间（不对齐）
if (instr
.is_alloca()) {
auto *alloca_inst = static_cast<AllocaInst *>(&instr);
auto alloc_size = alloca_inst->get_alloca_type()->get_size();
offset += alloc_size;
context
.array_start_offset[alloca_inst] = offset;
}
}
}
// 最终的帧大小对齐为
16 的倍数
context
.frame_size = ALIGN(offset, PROLOGUE_ALIGN);
}
void CodeGen::gen_prologue() {
makeSureInRange("addi", SP, SP, -context
.frame_size, "add");
makeSureInRange("sd", RA_reg, SP, context
.frame_size - 8, "stx");
makeSureInRange("sd", FP, SP, context
.frame_size -
16, "stx");
makeSureInRange("addi", FP, SP, context
.frame_size, "add");
// 将函数参数转移到栈帧上
int garg_cnt = 0;
int farg_cnt = 0;
for (auto &arg : context
.func->get_args()) {
if (arg
.get_type()->is_float_type()) {
store_from_freg(&arg, FReg::fa(farg_cnt++));
} else { // int or pointer
store_from_greg(&arg, Reg::a(garg_cnt++));
}
}
}
void CodeGen::gen_epilogue() {
// TODO
1:根据你的理解实现函数的 epilogue
// 提示：可能包括的步骤：恢复ra、恢复s0、恢复sp、返回到调用方
throw not_implemented_error{__FUNCTION__};
//TODO
1-------------end
}
// 将一个值 val 加载到目标通用寄存器 reg 中
void CodeGen::load_to_greg(Value *val, const Reg ®) {
assert(val->get_type()->is_integer_type() ||
val->get_type()->is_pointer_type());
if (auto *constant = dynamic_cast<ConstantInt *>(val)) {// 如果 val 是一个常数整数
int32_t val = constant->get_value();
if (IS_IMM_
12(val)) {
append_inst(ADDI, {reg
.print(), "zero", std::to_string(val)});
} else {
load_large_int32(val, reg);// 如果常数太大，用 load_large_int32 处理
}
} else if (auto *global = dynamic_cast<GlobalVariable *>(val)) { // 如果是全局变量，生成地址加载指令
append_inst(LOAD_ADDR, {reg
.print(), global->get_name()});
} else { //剩余情况从栈中加载到寄存器
load_from_stack_to_greg(val, reg);
}
}
// 加载一个 32 位大整数到寄存器（通常是伪指令 li 会被展开成 lui+addi）
void CodeGen::load_large_int32(int32_t val, const Reg ®) {
append_inst(LI, {reg
.print(), std::to_string(val)});
}
// 加载一个 64 位整数到寄存器，先加载高 32 位并左移，再加载低 32 位
void CodeGen::load_large_int64(int64_t val, const Reg ®) {
auto low_32 = static_cast<int32_t>(val & LOW_32_MASK); // 提取低 32 位
auto high_32 = static_cast<int32_t>(val >> 32); // 提取高 32 位
load_large_int32(high_32, reg);
append_inst(SLLI, {reg
.print(), reg
.print(), "32"}); // 加载高 32 位并左移 32 位
load_large_int32(low_32, reg);// 覆盖写入低 32 位
}
// 从栈帧中加载某个变量 val 到通用寄存器 reg 中
void CodeGen::load_from_stack_to_greg(Value *val, const Reg ®) {
// 获取该变量在当前函数栈帧中的偏移
auto offset = context
.offset_map
.at(val);
auto offset_str = std::to_string(offset);
auto *type = val->get_type(); // 获取该变量的类型（用于确定加载指令）
if (IS_IMM_
12(offset)) { // 如果 offset 能够用
12 位立即数表示，可以直接使用 offset(fp) 格式访问内存
if (type->is_int
1_type()) {
append_inst(LOAD_BYTE, {reg
.print(), "fp", offset_str});
} else if (type->is_int32_type()) {
append_inst(LOAD_WORD, {reg
.print(), "fp", offset_str});
} else { // Pointer
append_inst(LOAD_DOUBLE, {reg
.print(), "fp", offset_str});
}
} else { // 如果偏移过大，不能直接编码到指令中，先将 offset 加载到寄存器
load_large_int64(offset, reg); // reg = offset
append_inst(ADD, {reg
.print(), "fp", reg
.print()}); // reg = fp + offset
if (type->is_int
1_type()) {
append_inst(LOAD_BYTE, {reg
.print(), reg
.print(), "0"});
} else if (type->is_int32_type()) {
append_inst(LOAD_WORD, {reg
.print(), reg
.print(), "0"});
} else { // Pointer
append_inst(LOAD_DOUBLE, {reg
.print(), reg
.print(), "0"});
}
}
}
// 将通用寄存器 reg 中的值存储到 val 对应的栈上位置（以 fp 为基址）
void CodeGen::store_from_greg(Value *val, const Reg ®) {
// 获取该变量在当前函数栈帧中的偏移
auto offset = context
.offset_map
.at(val);
auto offset_str = std::to_string(offset);
auto *type = val->get_type(); // 获取该变量的类型（用于确定加载指令）
if (IS_IMM_
12(offset)) { // 如果 offset 能够用
12 位立即数表示，可以直接使用 offset(fp) 格式访问内存
if (type->is_int
1_type()) {
append_inst(STORE_BYTE, {reg
.print(), "fp", offset_str});
} else if (type->is_int32_type()) {
append_inst(STORE_WORD, {reg
.print(), "fp", offset_str});
} else { // Pointer
append_inst(STORE_DOUBLE, {reg
.print(), "fp", offset_str});
}
} else { // 对于 offset 超出立即数范围的情况，需要通过地址计算访问
auto addr = Reg::s(
11); // 使用临时寄存器 s
11 作为中间地址计算（可更换）
load_large_int64(offset, addr);
append_inst(ADD , {addr
.print(), "fp", addr
.print()});
if (type->is_int
1_type()) {
append_inst(STORE_BYTE, {reg
.print(), addr
.print(), "0"});
} else if (type->is_int32_type()) {
append_inst(STORE_WORD, {reg
.print(), addr
.print(), "0"});
} else { // Pointer
append_inst(STORE_DOUBLE, {reg
.print(), addr
.print(), "0"});
}
}
}
// 将一个浮点类型的 Value 加载到浮点寄存器 freg 中
void CodeGen::load_to_freg(Value *val, const FReg &freg) {
assert(val->get_type()->is_float_type());
if (auto *constant = dynamic_cast<ConstantFP *>(val)) { // 若是浮点常量，加载立即数
float val = constant->get_value();
load_float_imm(val, freg);
} else { // 从栈中加载浮点变量
auto offset = context
.offset_map
.at(val);
auto offset_str = std::to_string(offset);
if (IS_IMM_
12(offset)) {
append_inst(FLOAD_SINGLE, {freg
.print(), "fp", offset_str});
} else { // 偏移过大，使用寄存器间接寻址
auto addr = Reg::s(
11); // 临时通用寄存器 s
11
load_large_int64(offset, addr); // 加载偏移
append_inst(ADD, {addr
.print(), "fp", addr
.print()}); // addr = fp + offset
append_inst(FLOAD_SINGLE, {freg
.print(), addr
.print(), "0"}); // 从 addr 加载
}
}
}
// 将 float 常量加载进浮点寄存器 freg
void CodeGen::load_float_imm(float val, const FReg &r) {
int32_t bytes = *reinterpret_cast<int32_t *>(&val); // 将 float 解释为 32 位整数（IEEE 754 bit pattern）
load_large_int32(bytes, Reg::s(
11));
append_inst("fmv
.s
.x", {r
.print(), Reg::s(
11)
.print()}); // 使用 fmv
.s
.x 指令将整数位模式转成 float 放入 freg
}
// 将浮点寄存器 r 中的值存储回栈中 val 对应的位置
void CodeGen::store_from_freg(Value *val, const FReg &r) {
auto offset = context
.offset_map
.at(val);
if (IS_IMM_
12(offset)) {
auto offset_str = std::to_string(offset);
append_inst(FSTORE_SINGLE, {r
.print(), "fp", offset_str});
} else { // 偏移过大，需要间接寻址
auto addr = Reg::s(
11);
load_large_int64(offset, addr);
append_inst(ADD, {addr
.print(), "fp", addr
.print()}); // addr = fp + offset
append_inst(FSTORE_SINGLE, {r
.print(), addr
.print(), "0"}); // 从 r 存到 addr
}
}
void CodeGen::gen_ret() {
// TODO2：函数返回操作，你需要思考如何处理返回值(a0/fa0)，如何返回到调用者（可以使用j指令、context中或许有你需要的信息）
throw not_implemented_error{__FUNCTION__};
// TODO2----------------end
}
void CodeGen::gen_br() {
auto *branchInst = static_cast<BranchInst *>(context
.inst);
if (branchInst->is_cond_br()) {
// TODO6：补全条件跳转操作
// 提示： 根据条件表达式的结果（reg t
1 != 0），选择跳转到 true 分支或 false 分支。
// 你可能会用到blt、j等指令
throw not_implemented_error{__FUNCTION__};
// TODO6-------------------end
} else {
// 无条件跳转
auto *branchbb = static_cast<BasicBlock *>(branchInst->get_operand(0));
append_inst("j " +
label_name(branchbb)); // 跳转到目标基本块
}
}
void CodeGen::gen_binary() {
// 分别将左右操作数加载到 t0 t
1
load_to_greg(context
.inst->get_operand(0), Reg::t(0));
load_to_greg(context
.inst->get_operand(
1), Reg::t(
1));
// 根据指令类型生成汇编
switch (context
.inst->get_instr_type()) {
case Instruction::add:
output
.emplace_back("add t2, t0, t
1");
break;
case Instruction::sub:
output
.emplace_back("sub t2, t0, t
1");
break;
case Instruction::mul:
output
.emplace_back("mul t2, t0, t
1");
break;
case Instruction::sdiv:
output
.emplace_back("div t2, t0, t
1");
break;
case Instruction::srem:
output
.emplace_back("remw t2, t0, t
1");
break;
default:
assert(false);
}
// 将结果填入栈帧中
store_from_greg(context
.inst, Reg::t(2));
}
void CodeGen::gen_alloca() {
auto *alloca_inst = static_cast<AllocaInst *>(context
.inst);
auto shuzu_offset = context
.array_start_offset[alloca_inst];
std::string temp_reg = "t
1";
// 加载偏移量到临时寄存器
load_large_int32(shuzu_offset, Reg::t(0));
// 计算栈地址：fp - shuzu_offset
append_inst(SUB + string(" ") + temp_reg + ", fp, t0");
store_from_greg(context
.inst, Reg::t(
1));
}
void CodeGen::gen_load() {
auto ptr = context
.inst->get_operand(0);//在指针类型auto*和auto没有任何区别
auto *type = context
.inst->get_type();
load_to_greg(ptr, Reg::t(0));
std::string sreg ="t0";
if (type->is_float_type()) {
std::string dest="ft0";
append_inst(FLOAD_SINGLE,{dest, sreg, "0"});//ft0=M[t0+0]
store_from_freg(context
.inst, FReg::ft(0));
} else {
// TODO3: 补全load整型变量的情况，考虑int
1 int32 int64
throw not_implemented_error{__FUNCTION__};
// TODO3----------------end
}
}
void CodeGen::gen_store() {
auto *type = context
.inst->get_operand(0)->get_type();//怎么store取决于我们要存的数据是什么类型
auto *ptr = context
.inst->get_operand(
1);//位置
auto *data = context
.inst->get_operand(0);//要存入的值
load_to_greg(ptr, Reg::t(
1));
auto pst_reg=std::string("t
1");
if (type->is_float_type()) {
load_to_freg(data, FReg::ft(0));
append_inst(FSTORE_SINGLE ,{"ft0", pst_reg , "0"});//M[t
1+0]=ft0
} else {
if(type->is_int
1_type()){
load_to_greg(data, Reg::t(0));
append_inst("sb "+std::string("t0")+", "+ "0("+pst_reg+")");//M[t
1+0]=t0
}else if(type->is_int32_type()){
load_to_greg(data, Reg::t(0));
append_inst("sw "+std::string("t0")+", "+ "0("+pst_reg+")");
}else{
load_to_greg(data, Reg::t(0));
append_inst("sd "+std::string("t0")+", "+ "0("+pst_reg+")");
}
}
}
void CodeGen::gen_icmp() {
//这个指令有两个参数，就是两个参与运算的参数
auto sreg0=std::string("t0");
auto sreg
1=std::string("t
1");
load_to_greg(context
.inst->get_operand(0), Reg::t(0)); // Operand
1
load_to_greg(context
.inst->get_operand(
1), Reg::t(
1)); // Operand 2
auto dest_reg = std::string("t0");
// 根据指令类型生成汇编
switch (context
.inst->get_instr_type()) {
case Instruction::eq:
append_inst("slt s
11,"+sreg
1+","+sreg0);
append_inst("slt t0,"+sreg0+","+sreg
1);
append_inst("or t0,t0,s
11");
append_inst("addi s
11,zero,
1");
append_inst("sub "+dest_reg+",s
11,t0");
break;
case Instruction::ne:
append_inst("slt s
11,"+sreg
1+","+sreg0);
append_inst("slt t0,"+sreg0+","+sreg
1);
append_inst("or "+dest_reg+",t0,s
11");
break;
case Instruction::gt:
append_inst("slt "+dest_reg+","+sreg
1+","+sreg0);
break;
case Instruction::ge:
append_inst("slt "+dest_reg+","+sreg0+","+sreg
1);
append_inst("addi s
11,zero,
1");
append_inst("sub "+dest_reg+",s
11,"+dest_reg);
break;
case Instruction::lt:
append_inst("slt "+dest_reg+","+sreg0+","+sreg
1);
break;
case Instruction::le:
append_inst("slt "+dest_reg+","+sreg
1+","+sreg0);
append_inst("addi s
11,zero,
1");
append_inst("sub "+dest_reg+",s
11,"+dest_reg);
break;
default:
assert(false);
}
store_from_greg(context
.inst,Reg::t(0));
}
void CodeGen::gen_fcmp() {
// TODO7: 补全各种浮点型变量比较的情况（对应的Light IR：feq/fne/fgt/fge/flt/fle）
// 提示： 你可能会用到 feq
.s、flt
.s、fle
.s、xori等指令
throw not_implemented_error{__FUNCTION__};
// TODO7----------------end
}
void CodeGen::gen_float_binary() {
auto sreg0=std::string("ft0");
auto sreg
1=std::string("ft
1");
load_to_freg(context
.inst->get_operand(0), FReg::ft(0)); // Operand
1
load_to_freg(context
.inst->get_operand(
1), FReg::ft(
1)); // Operand 2
auto dest_reg = std::string("ft0");
// 根据指令类型生成汇编
switch (context
.inst->get_instr_type()) {
case Instruction::fadd:
output
.emplace_back("fadd
.s "+dest_reg+","+sreg0+","+sreg
1);
break;
case Instruction::fsub:
output
.emplace_back("fsub
.s "+dest_reg+","+sreg0+","+sreg
1);
break;
case Instruction::fmul:
output
.emplace_back("fmul
.s "+dest_reg+","+sreg0+","+sreg
1);
break;
case Instruction::fdiv:
output
.emplace_back("fdiv
.s "+dest_reg+","+sreg0+","+sreg
1);
break;
default:
assert(false);
}
// 将结果填入栈帧中
store_from_freg(context
.inst,FReg::ft(0));
}
void CodeGen::gen_zext() {
auto sreg0=std::string("t0");
auto dest_reg = std::string("t0");
auto *type = context
.inst->get_type();
if (type->is_float_type()) {
sreg0=std::string("ft0");
load_to_freg(context
.inst->get_operand(0), FReg::ft(0)); // Operand
1
dest_reg=std::string("ft0");
append_inst(GR2FR + string(" ")+sreg0+","+dest_reg);//放到合适的位置
} else {
load_to_greg(context
.inst->get_operand(0), Reg::t(0)); // Operand
1
if (type->is_int8_type()) {
append_inst("andi " + dest_reg + ", " + sreg0 + ", 0xff");
} else if (type->is_int
16_type()) {
append_inst("andi " + dest_reg + ", " + sreg0 + ", 0xffff");
}else if(sreg0!=dest_reg){
append_inst("add "+dest_reg+", zero, "+sreg0);
}
}
if(type->is_float_type()){
store_from_freg(context
.inst,FReg::ft(0));
}else{
store_from_greg(context
.inst,Reg::t(0));
}
}
void CodeGen::gen_call() {
auto *callInst = static_cast<CallInst *>(context
.inst);
auto retType = callInst->get_function_type()->get_return_type();
int gregs = 0; // 通用寄存器参数计数器
int fregs = 0; // 浮点寄存器参数计数器
// 处理函数参数，按照类型加载到相应的寄存器
for (auto& arg : callInst->get_operands()) {
auto argType = arg->get_type();
if (argType->is_float_type()) {
load_to_freg(arg, FReg::fa(fregs++)); // 加载到浮点寄存器
} else if (argType->is_pointer_type() || argType->is_integer_type()) {
load_to_greg(arg, Reg::a(gregs++)); // 加载到通用寄存器
}
}
// 生成函数调用指令
append_inst("jal " + callInst->get_operand(0)->get_name());
// 根据返回值类型选择寄存器存储返回值
if (retType->is_float_type()) {
store_from_freg(callInst, FReg::fa(0)); // 浮点返回值
} else if (retType->is_integer_type()) {
store_from_greg(callInst, Reg::a(0)); // 整数返回值
}
}
/*
* %op = getelementptr [
10 x i32], [
10 x i32]* %op, i32 0, i32 %op //多维数组访问
* %op = getelementptr i32, i32* %op, i32 %op //一维数组/直接访问指针
*
* Memory layout
* - ^
* +-----------+ | 低地址
* | arg ptr |---+ | //arg ptr 是你传给 GEP 的起始指针（基准地址）
* +-----------+ | |
* | | | |
* +-----------+ / |
* | |<-- |
* | | \ |
* | | | | //Array 是连续内存的数组区域，GEP 会根据偏移量在这里面计算具体元素地址。
* | Array | | |
* | | | |
* | | | |
* | | | |
* +-----------+ | |
* | Pointer |---+ | //Pointer 表示计算完地址后的结果，即 GEP 的结果（往往是你要访问或存储的内存地址）。
* +-----------+ |
* | | |
* +-----------+ |
* | | |
* +-----------+ |
* | | |
* +-----------+ | 高地址
* +
*/
void CodeGen::gen_gep() {
auto *gepInst = static_cast<GetElementPtrInst *>(context
.inst);
int len=gepInst->get_num_operand(); // 操作数个数，包含指针 + 若干维度的下标
std::vector<Value *> ops=gepInst->get_operands(); // 获取所有操作数
//拿到基准地址->拿到值->基准地址修改一下->存回去
if(len>=3){
// TODO9: 完善多维数组地址计算，形如 a[i][j] 、 a[i][j][k]等形式的访问
// 提示：
1. 操作数从第二个开始处理即可，第一个操作数是基准指针，后面的操作数都表示下标，
// 2
. 具体可以用context
.inst->get_operand(j)获取第j+
1个操作数。
// 3
. 依次处理每一维度下标，将其乘以对应元素大小，累加偏移量。
// 需要考虑元素大小超过imm
12范围的情况，比如int a[2][300][300];时，
// 处理第一维时，每个 a[i] 是一个 300x300 的二维数组，共 360000 字节，超过imm
12
// 4
. 将偏移量加到基准指针上，得到最终地址。并存入当前指令目标变量对应的栈帧位置
throw not_implemented_error{__FUNCTION__};
// TODO9-------------------end
}else{//形如a[i]的访问，或访问指针
auto dest_reg=std::string("t0");
auto *ptr = context
.inst->get_operand(0); // 指针
auto ptr_reg=std::string("t
1");
load_to_greg(ptr, Reg::t(
1)); // 加载基准地址
auto *idx = context
.inst->get_operand(
1); // 下标
auto idx_reg=std::string("t0");//这个是常数，也就是数组下标
load_to_greg(idx, Reg::t(0)); // 加载下标值
// 以下三条指令实现乘以 4（即元素大小为 4 的简化情况）：
append_inst("add s
11,"+idx_reg+" , "+idx_reg); // s
11 = 2 * idx
append_inst("add s
11,s
11,s
11");// s
11 = 4 * idx
// t0 = ptr_reg + s
11，即最终地址 = 原始地址 + 偏移
append_inst("add "+dest_reg+",s
11,"+ptr_reg);
//把t0里存的最终地址存回栈帧的对应位置
//比如当前IR是 %op0 = getelementptr xxxxxx ，那这里就是把计算得到的地址存到%op0在栈帧中的位置
store_from_greg(context
.inst, Reg::t(0));
}
}
void CodeGen::gen_sitofp() {
auto *itfInst = static_cast<SiToFpInst *>(context
.inst);
std::vector<Value *> ops=itfInst->get_operands();
auto sreg0=std::string("t0");
load_to_greg(context
.inst->get_operand(0),Reg::t(0));
auto dest_reg= std::string("ft0");
append_inst(GR2FR ,{dest_reg, sreg0});
store_from_freg(context
.inst,FReg::ft(0));
}
void CodeGen::gen_fptosi() {
// TODO8: 浮点数转向整数，注意向下取整(rtz)，你可能会用到指令fcvt
.w
.s
throw not_implemented_error{__FUNCTION__};
// TODO8--------------------end
}
void CodeGen::global_array_int(ConstantArray * init_val){//全局整型数组变量
/*示例输出 int a[5]={0,
1,2,3,4};
.data
.globl a
.align 3
.type a, @object
.size a, 20
a:
.word 0
.word
1
.word 2
.word 3
.word 4
*/
for (unsigned i = 0; i < init_val->get_size_of_array(); i++)
{//获得这一层的大小
Constant *element = init_val->get_element_value(i);
if (!dynamic_cast<ConstantArray *>(element))
{//这个元素已经不再是array了
auto *IntVal = static_cast<ConstantInt *>(element);
append_inst("
.word", {std::to_string(IntVal->get_value())},
ASMInstruction::Atrribute);
}else{
//这个元素依然是array，递归下去
auto new_array=static_cast<ConstantArray *>(element);
global_array_int(new_array);
}
}
}
void CodeGen::global_array_float(ConstantArray * init_val){
/*示例输出 float a[3]={
1.0
1,4
.11,
13
.99};
.data
.globl a
.align 3
.type a, @object
.size a,
12
a:
.word
1065437
102 //float
1.0
1
.word
108236
1119 //float 4
.11
.word
10968000
10 //float
13
.99
*/
// TODO5-2:完善浮点型全局数组变量初始化
// 提示:可以参考global_array_int的实现
throw not_implemented_error{__FUNCTION__};
// TODO5-2------------------end
}
void CodeGen::run() {
// 确保每个函数中基本块的名字都被设置好
m->set_print_name();
/* 使用 GNU 伪指令为全局变量分配空间
* 你可以使用 `la` 指令将标签 (全局变量) 的地址载入寄存器中, 比如
* 要将 `a` 的地址载入 t0, 只需要 `la t0, a`
* 由于在IR自动化生成阶段，我们为无初始值的全局变量分配了0作为初始值，因此在目标代码生成阶段，全局变量都有初始值
*/
if (!m->get_global_variable()
.empty()) {
append_inst("Global variables",
ASMInstruction::Comment);
/*
* 虽然可以使用 `
.bss` 伪指令为未初始化数据分配空间，
* 我们依然显式指定 `
.data` 段，这是因为：
*
* - `
.data` 更加通用，与标准 RISC-V 编译器行为一致；
* - `
.bss` 虽然常用于未初始化数据，但某些旧版本 GNU 汇编器对其支持不完善；
* - 显式使用 `
.data` 能更好地控制输出段结构。
*/
append_inst("
.text",
ASMInstruction::Atrribute);
append_inst("
.data",
ASMInstruction::Atrribute);
for (auto &global : m->get_global_variable()) { //给全局变量分配空间
if(global
.get_type()->get_pointer_element_type()->is_integer_type()){//处理整数型全局变量
auto *IntVal = static_cast<ConstantInt *>(global
.get_init());
/* 输出形式示例：
.globl a
.align 2
.type a, @object
.size a, 4
a:
.word 5
*/
auto size =
global
.get_type()->get_pointer_element_type()->get_size();
append_inst("
.globl", {global
.get_name()},
ASMInstruction::Atrribute);
append_inst("
.align 2",
ASMInstruction::Atrribute); // 对齐到 4 字节
append_inst("
.type", {global
.get_name(), "@object"},
ASMInstruction::Atrribute);
append_inst("
.size", {global
.get_name(), std::to_string(size)},
ASMInstruction::Atrribute);
append_inst(global
.get_name(),
ASMInstruction::
Label);
append_inst("
.word", {std::to_string(IntVal->get_value())},
ASMInstruction::Atrribute);
}else if(global
.get_type()->get_pointer_element_type()->is_array_type()){ //处理数组类型全局变量
/* 输出形式示例：
.globl a
.data
.align 3
.type a, @object
.size a, 20
a:
.word 0
.word
1
.word 2
.word 3
.word 4
*/
if(global
.get_type()->get_pointer_element_type()->get_array_element_type()->is_integer_type()){ //整型数组
auto size =
global
.get_type()->get_pointer_element_type()->get_size();
append_inst("
.globl", {global
.get_name()},
ASMInstruction::Atrribute);
append_inst("
.align 3",
ASMInstruction::Atrribute); // 对齐到 8 字节
append_inst("
.type", {global
.get_name(), "@object"},
ASMInstruction::Atrribute);
append_inst("
.size", {global
.get_name(), std::to_string(size)},
ASMInstruction::Atrribute);
append_inst(global
.get_name(),
ASMInstruction::
Label);
if(dynamic_cast<ConstantZero *>(global
.get_init())){
// 初始化值为 0，使用 `
.space` 节省空间
append_inst("
.space", {std::to_string(size)},
ASMInstruction::Atrribute);
}else{
//如果不是0
auto *IntVal = static_cast<ConstantArray *>(global
.get_init());
global_array_int(IntVal);
}
}else{ //浮点型数组
// TODO5-
1:完善浮点型全局数组变量声明及其初始化
// 提示：你可能需要将初始化值不为0的浮点型全局数组变量的处理逻辑封装到global_array_float函数中，因此可能需要完成TODO5-2，即填充global_array_float函数
// 当然你也可以直接在当前else分支内处理，弃用global_array_float函数（对应的TODO5-2也不用完成）
throw not_implemented_error{__FUNCTION__};
// TODO5-
1------------------end
}
}else if(global
.get_type()->get_pointer_element_type()->is_float_type()){ //浮点型全局变量
/* 输出形式示例： float a=
1.0
1;
.globl a
.align 2
.type a, @object
.size a, 4
a:
.word
1065437
102 // float
1.0
1
*/
// TODO4:完善浮点型全局变量声明及其初始化
// 提示：RISC-V 中没有
.float 指令，需手动将 float 转换为 int 再用
.word 表示原始比特位
// 可以使用 reinterpret_cast<int&>(float) 实现 float → int 的位级转换
throw not_implemented_error{__FUNCTION__};
// TODO4--------------------------end
}
}
}
// 函数代码段
append_inst("
.text",
ASMInstruction::Atrribute);
append_inst("
.align 2",
ASMInstruction::Atrribute);
for (auto &func : m->get_functions()) {
if (not func
.is_declaration()) {
// 更新 context
context
.clear();
context
.func = &func;
// 函数信息
append_inst("
.globl", {func
.get_name()},
ASMInstruction::Atrribute);
append_inst("
.type", {func
.get_name(), "@function"},
ASMInstruction::Atrribute);
append_inst(func
.get_name(),
ASMInstruction::
Label);
// 分配函数栈帧
allocate();
// 生成 prologue
gen_prologue();
//处理bb
for (auto &bb : func
.get_basic_blocks()) {
context
.bb = &bb;
append_inst(
label_name(context
.bb),
ASMInstruction::
Label);
for (auto &instr : bb
.get_instructions()) {
// For debug
append_inst(instr
.print(),
ASMInstruction::Comment);
context
.inst = &instr; // 更新 context
switch (instr
.get_instr_type()) {
case Instruction::ret:
gen_ret();
break;
case Instruction::br:
gen_br();
break;
case Instruction::add:
case Instruction::sub:
case Instruction::mul:
case Instruction::sdiv:
case Instruction::srem:
gen_binary();
break;
case Instruction::fadd:
case Instruction::fsub:
case Instruction::fmul:
case Instruction::fdiv:
gen_float_binary();
break;
case Instruction::alloca:
gen_alloca();
break;
case Instruction::load:
gen_load();
break;
case Instruction::store:
gen_store();
break;
case Instruction::ge:
case Instruction::gt:
case Instruction::le:
case Instruction::lt:
case Instruction::eq:
case Instruction::ne:
gen_icmp();
break;
case Instruction::fge:
case Instruction::fgt:
case Instruction::fle:
case Instruction::flt:
case Instruction::feq:
case Instruction::fne:
gen_fcmp();
break;
case Instruction::phi:
break;
case Instruction::call:
gen_call();
break;
case Instruction::getelementptr:
gen_gep();
break;
case Instruction::zext:
gen_zext();
break;
case Instruction::fptosi:
gen_fptosi();
break;
case Instruction::sitofp:
gen_sitofp();
break;
default:
assert(false && "Unhandled instruction type");
}
}
}
// 生成 epilogue
gen_epilogue();
}
}
}
std::string CodeGen::print() const {
std::string result;
for (const auto &inst : output) {
result += inst
.format();
}
auto sub = result
.find("memset_int");
while (sub != string::npos) {
result
.replace(sub,
10, "memset");
sub = result
.find("memset_int");
}
sub = result
.find("memset_float");
while (sub != string::npos) {
result
.replace(sub,
12, "memset");
sub = result
.find("memset_float");
}
return result;
}
本文详细解析了汇编指令Blockequ6000h及其应用，包括如何使用equ命令简化表达式引用，解释了MOV、MOVX、MOVC指令的区别，并探讨了片内数据存储器与片外数据存储器的概念。同时，介绍了数据指针DPTR的作用，以及如何使用其进行变址寻址和访问不同类型的存储器。此外，还讨论了循环操作中的关键指令和其背后的逻辑。最后，文章深入分析了CLRA指令在逻辑运算中的应用以及CLRC指令用于清零程序状态寄存器CY位的原理。
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