wha
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37ff58c5e5
commit
326adf47ce
592
hblang/src/codegen.rs
Normal file
592
hblang/src/codegen.rs
Normal file
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@ -0,0 +1,592 @@
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use std::{iter::Cycle, ops::Range, usize};
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use crate::{
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lexer::{self, Ty},
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parser::{Exp, Function, Item, Literal, Struct, Type},
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};
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type Reg = u8;
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type Offset = i32;
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type Pushed = bool;
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type SlotIndex = usize;
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type Label = usize;
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type Data = usize;
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type Size = usize;
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//| Register | Description | Saver |
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//|:-----------|:--------------------|:-------|
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//| r0 | Hard-wired zero | N/A |
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//| r1 - r2 | Return values | Caller |
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//| r2 - r11 | Function parameters | Caller |
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//| r12 - r30 | General purpose | Caller |
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//| r31 | Return address | Caller |
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//| r32 - r253 | General purpose | Callee |
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//| r254 | Stack pointer | Callee |
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//| r255 | Thread pointer | N/A |
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struct RegAlloc {
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pub regs: Box<[Option<usize>; 256]>,
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pub used: Box<[bool; 256]>,
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pub spill_cycle: Cycle<Range<u8>>,
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}
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impl RegAlloc {
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const STACK_POINTER: Reg = 254;
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const ZERO: Reg = 0;
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const RETURN_ADDRESS: Reg = 31;
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fn alloc_general(&mut self, slot: usize) -> Option<Reg> {
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self.regs[32..254]
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.iter_mut()
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.zip(&mut self.used[32..254])
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.position(|(reg, used)| {
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if reg.is_none() {
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*reg = Some(slot);
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*used = true;
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true
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} else {
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false
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}
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})
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.map(|reg| reg as Reg + 32)
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}
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fn free(&mut self, reg: Reg) {
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assert!(self.regs[reg as usize].take().is_some());
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}
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fn is_used(&self, reg: Reg) -> bool {
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self.regs[reg as usize].is_some()
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}
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fn spill(&mut self, for_slot: usize) -> (Reg, Option<usize>) {
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let to_spill = self.spill_cycle.next().unwrap();
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let slot = self.spill_specific(to_spill, for_slot);
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(to_spill as Reg + 32, slot)
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}
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fn spill_specific(&mut self, reg: Reg, for_slot: usize) -> Option<usize> {
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self.regs[reg as usize].replace(for_slot)
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}
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fn restore(&mut self, reg: Reg, slot: usize) -> usize {
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self.regs[reg as usize].replace(slot).unwrap()
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}
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fn alloc_specific(&mut self, reg: u8, to: usize) {
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assert!(self.regs[reg as usize].replace(to).is_none());
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}
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fn alloc_specific_in_reg(&mut self, reg: InReg, to: usize) {
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match reg {
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|
InReg::Single(r) => self.alloc_specific(r, to),
|
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|
InReg::Pair(r1, r2) => {
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|
self.alloc_specific(r1, to);
|
||||||
|
self.alloc_specific(r2, to);
|
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|
}
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}
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}
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}
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pub struct ParamAlloc {
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reg_range: Range<Reg>,
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stack: Offset,
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}
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impl ParamAlloc {
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fn for_params() -> Self {
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Self {
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stack: 8, // return adress is in callers stack frame
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|
reg_range: 2..12,
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}
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}
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fn for_returns() -> Self {
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Self {
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stack: 0,
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|
reg_range: 0..2,
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}
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}
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fn alloc(&mut self, size: usize) -> SlotValue {
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match self.try_alloc_regs(size) {
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|
Some(reg) => reg,
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|
None => {
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let stack = self.stack;
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self.stack += size as Offset;
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SlotValue::Stack(stack)
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}
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}
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}
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fn try_alloc_regs(&mut self, size: usize) -> Option<SlotValue> {
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let mut needed = size.div_ceil(8);
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if needed > 2 {
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|
needed = 1; // passed by ref
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}
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if self.reg_range.len() < needed {
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return None;
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}
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match needed {
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1 => {
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let reg = self.reg_range.start;
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|
self.reg_range.start += 1;
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|
Some(SlotValue::Reg(InReg::Single(reg)))
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}
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|
2 => {
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let reg = self.reg_range.start;
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self.reg_range.start += 2;
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|
Some(SlotValue::Reg(InReg::Pair(reg, reg + 1)))
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}
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_ => unreachable!(),
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}
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}
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}
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impl Default for RegAlloc {
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fn default() -> Self {
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Self {
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regs: Box::new([None; 256]),
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|
used: Box::new([false; 256]),
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|
spill_cycle: (32..254).cycle(),
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}
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}
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}
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struct Variable {
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name: String,
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location: usize,
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}
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#[derive(Clone, Copy)]
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struct SlotId {
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// index into slot stack
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index: SlotIndex,
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|
// temorary offset carried over when eg. accessing fields
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offset: Offset,
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// this means we can mutate the value as part of computation
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owned: bool,
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|
}
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impl SlotId {
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fn base(location: usize) -> Self {
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Self {
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index: location,
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|
offset: 0,
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|
owned: true,
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|
}
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}
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fn borrowed(self) -> Self {
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Self {
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owned: false,
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|
..self
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}
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}
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}
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struct Slot {
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ty: Type,
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value: SlotValue,
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}
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#[repr(transparent)]
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struct InstBuffer {
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|
buffer: Vec<u8>,
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}
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impl InstBuffer {
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fn new(vec: &mut Vec<u8>) -> &mut Self {
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unsafe { &mut *(vec as *mut Vec<u8> as *mut Self) }
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}
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}
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impl hbbytecode::Buffer for InstBuffer {
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fn reserve(&mut self, bytes: usize) {
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self.buffer.reserve(bytes);
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}
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unsafe fn write(&mut self, byte: u8) {
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|
self.buffer.push(byte);
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}
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}
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#[derive(Clone, Copy)]
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enum InReg {
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Single(Reg),
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// if one of the registes is allocated, the other is too, ALWAYS
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|
// with the same slot
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|
Pair(Reg, Reg),
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}
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#[derive(Clone, Copy)]
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|
enum Spill {
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||||||
|
Reg(InReg),
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||||||
|
Stack(Offset), // relative to frame end (rsp if nothing was pushed)
|
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|
}
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#[derive(Clone, Copy)]
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|
enum SlotValue {
|
||||||
|
Reg(InReg),
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|
Stack(Offset), // relative to frame start (rbp)
|
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|
Imm(u64),
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|
Spilled(Spill, SlotIndex),
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|
}
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pub struct Value {
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store: ValueStore,
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offset: Offset,
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}
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|
#[derive(Clone, Copy)]
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|
enum ValueStore {
|
||||||
|
Reg(InReg),
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||||||
|
Stack(Offset, Pushed),
|
||||||
|
Imm(u64),
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}
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impl From<SlotValue> for ValueStore {
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fn from(value: SlotValue) -> Self {
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match value {
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SlotValue::Reg(reg) => ValueStore::Reg(reg),
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|
SlotValue::Stack(offset) => ValueStore::Stack(offset, false),
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||||||
|
SlotValue::Imm(imm) => ValueStore::Imm(imm),
|
||||||
|
SlotValue::Spilled(spill, _) => match spill {
|
||||||
|
Spill::Reg(reg) => ValueStore::Reg(reg),
|
||||||
|
Spill::Stack(offset) => ValueStore::Stack(offset, true),
|
||||||
|
},
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
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|
}
|
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|
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|
pub struct LabelReloc {
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|
pub label: Label,
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|
pub offset: usize,
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|
}
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|
pub struct DataReloc {
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|
pub data: Data,
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|
pub offset: usize,
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}
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#[must_use]
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pub struct Frame {
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pub slot_count: usize,
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|
pub var_count: usize,
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}
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|
enum Instr {
|
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|
BinOp(lexer::Op, Value, Value),
|
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|
Move(Size, Value, Value),
|
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|
Push(Reg),
|
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|
Jump(Label),
|
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|
Call(String),
|
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|
JumpIfZero(Value, Label),
|
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|
}
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#[derive(Default)]
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pub struct Generator<'a> {
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ast: &'a [Item],
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func_labels: Vec<(String, Label)>,
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stack_size: Offset,
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|
pushed_size: Offset,
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regs: RegAlloc,
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|
variables: Vec<Variable>,
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|
slots: Vec<Slot>,
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|
labels: Vec<Option<usize>>,
|
||||||
|
label_relocs: Vec<LabelReloc>,
|
||||||
|
|
||||||
|
data: Vec<Option<usize>>,
|
||||||
|
data_relocs: Vec<DataReloc>,
|
||||||
|
|
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|
code_section: Vec<u8>,
|
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|
data_section: Vec<u8>,
|
||||||
|
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||||||
|
instrs: Vec<Instr>,
|
||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
impl<'a> Generator<'a> {
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||||||
|
fn generate(mut self) -> Vec<u8> {
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||||||
|
for item in self.ast {
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||||||
|
let Item::Function(f) = item else { continue };
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||||||
|
self.generate_function(f);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
self.link()
|
||||||
|
}
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||||||
|
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||||||
|
fn generate_function(&mut self, f: &Function) {
|
||||||
|
let frame = self.push_frame();
|
||||||
|
|
||||||
|
let mut param_alloc = ParamAlloc::for_params();
|
||||||
|
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||||||
|
for param in f.args.iter() {
|
||||||
|
let param_size = self.size_of(¶m.ty);
|
||||||
|
let value = param_alloc.alloc(param_size);
|
||||||
|
let slot = self.add_slot(param.ty.clone(), value);
|
||||||
|
if let SlotValue::Reg(reg) = value {
|
||||||
|
self.regs.alloc_specific_in_reg(reg, slot);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
self.add_variable(param.name.clone(), slot);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
for stmt in f.body.iter() {
|
||||||
|
assert!(self
|
||||||
|
.generate_expr(Some(Type::Builtin(Ty::Void)), stmt)
|
||||||
|
.is_none());
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
self.pop_frame(frame);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn generate_expr(&mut self, expected: Option<Type>, expr: &Exp) -> Option<SlotId> {
|
||||||
|
let value = match expr {
|
||||||
|
Exp::Literal(lit) => SlotId::base(match lit {
|
||||||
|
Literal::Int(i) => self.add_slot(expected.clone().unwrap(), SlotValue::Imm(*i)),
|
||||||
|
Literal::Bool(b) => {
|
||||||
|
self.add_slot(Type::Builtin(Ty::Bool), SlotValue::Imm(*b as u64))
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}),
|
||||||
|
Exp::Variable(ident) => {
|
||||||
|
SlotId::base(self.lookup_variable(ident).unwrap().location).borrowed()
|
||||||
|
}
|
||||||
|
Exp::Call { name, args } => self.generate_call(expected.clone(), name, args),
|
||||||
|
Exp::Ctor { name, fields } => todo!(),
|
||||||
|
Exp::Index { base, index } => todo!(),
|
||||||
|
Exp::Field { base, field } => todo!(),
|
||||||
|
Exp::Unary { op, exp } => todo!(),
|
||||||
|
Exp::Binary { op, left, right } => todo!(),
|
||||||
|
Exp::If { cond, then, else_ } => todo!(),
|
||||||
|
Exp::Let { name, ty, value } => todo!(),
|
||||||
|
Exp::For {
|
||||||
|
init,
|
||||||
|
cond,
|
||||||
|
step,
|
||||||
|
block,
|
||||||
|
} => todo!(),
|
||||||
|
Exp::Block(_) => todo!(),
|
||||||
|
Exp::Return(_) => todo!(),
|
||||||
|
Exp::Break => todo!(),
|
||||||
|
Exp::Continue => todo!(),
|
||||||
|
};
|
||||||
|
|
||||||
|
if let Some(expected) = expected {
|
||||||
|
let actual = self.slots[value.index].ty.clone();
|
||||||
|
assert_eq!(expected, actual);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
Some(value)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn generate_call(&mut self, expected: Option<Type>, name: &str, args: &[Exp]) -> SlotId {
|
||||||
|
let frame = self.push_frame();
|
||||||
|
let func = self.lookup_function(name);
|
||||||
|
|
||||||
|
let mut ret_alloc = ParamAlloc::for_returns();
|
||||||
|
let ret_size = self.size_of(&func.ret);
|
||||||
|
let ret_slot = ret_alloc.alloc(ret_size);
|
||||||
|
|
||||||
|
let mut arg_alloc = ParamAlloc::for_params();
|
||||||
|
for (arg, param) in args.iter().zip(&func.args) {
|
||||||
|
let arg_slot = self.generate_expr(Some(param.ty.clone()), arg).unwrap();
|
||||||
|
let arg_size = self.size_of(¶m.ty);
|
||||||
|
let param_slot = arg_alloc.alloc(arg_size);
|
||||||
|
self.set_temporarly(arg_slot, param_slot);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
self.instrs.push(Instr::Call(name.to_owned()));
|
||||||
|
|
||||||
|
todo!()
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn set_temporarly(&mut self, from: SlotId, to: SlotValue) {
|
||||||
|
let to = self.make_mutable(to, from.index);
|
||||||
|
let to_slot = self.add_slot(self.slots[from.index].ty.clone(), to);
|
||||||
|
self.emit_move(from, SlotId::base(to_slot));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn make_mutable(&mut self, target: SlotValue, by: SlotIndex) -> SlotValue {
|
||||||
|
match target {
|
||||||
|
SlotValue::Reg(in_reg) => {
|
||||||
|
self.regs.alloc_specific_in_reg(in_reg, by);
|
||||||
|
target
|
||||||
|
}
|
||||||
|
SlotValue::Spilled(Spill::Reg(in_reg), slot) => {
|
||||||
|
let new_val = SlotValue::Spilled(
|
||||||
|
match in_reg {
|
||||||
|
InReg::Single(reg) => Spill::Stack(self.emmit_push(reg)),
|
||||||
|
InReg::Pair(r1, r2) => {
|
||||||
|
self.emmit_push(r2);
|
||||||
|
Spill::Stack(self.emmit_push(r1))
|
||||||
|
}
|
||||||
|
},
|
||||||
|
slot,
|
||||||
|
);
|
||||||
|
let new_slot = self.add_slot(self.slots[slot].ty.clone(), new_val);
|
||||||
|
SlotValue::Spilled(Spill::Reg(in_reg), new_slot)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
_ => unreachable!(),
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn emmit_push(&mut self, reg: Reg) -> Offset {
|
||||||
|
self.pushed_size += 8;
|
||||||
|
self.instrs.push(Instr::Push(reg));
|
||||||
|
self.pushed_size
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn emit_move(&mut self, from: SlotId, to: SlotId) {
|
||||||
|
let size = self.size_of(&self.slots[from.index].ty);
|
||||||
|
let other_size = self.size_of(&self.slots[to.index].ty);
|
||||||
|
assert_eq!(size, other_size);
|
||||||
|
|
||||||
|
self.instrs.push(Instr::Move(
|
||||||
|
size,
|
||||||
|
self.slot_to_value(from),
|
||||||
|
self.slot_to_value(to),
|
||||||
|
));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn slot_to_value(&self, slot: SlotId) -> Value {
|
||||||
|
let slot_val = &self.slots[slot.index];
|
||||||
|
Value {
|
||||||
|
store: slot_val.value.into(),
|
||||||
|
offset: slot.offset,
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn size_of(&self, ty: &Type) -> Size {
|
||||||
|
match ty {
|
||||||
|
Type::Builtin(ty) => match ty {
|
||||||
|
Ty::U8 | Ty::I8 | Ty::Bool => 1,
|
||||||
|
Ty::U16 | Ty::I16 => 2,
|
||||||
|
Ty::U32 | Ty::I32 => 4,
|
||||||
|
Ty::U64 | Ty::I64 => 8,
|
||||||
|
Ty::Void => 0,
|
||||||
|
},
|
||||||
|
Type::Struct(name) => self
|
||||||
|
.lookup_struct(name)
|
||||||
|
.fields
|
||||||
|
.iter()
|
||||||
|
.map(|field| self.size_of(&field.ty))
|
||||||
|
.sum(),
|
||||||
|
Type::Pinter(_) => 8,
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
impl<'a> Generator<'a> {
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|
fn add_variable(&mut self, name: String, location: usize) {
|
||||||
|
self.variables.push(Variable { name, location });
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn add_slot(&mut self, ty: Type, value: SlotValue) -> usize {
|
||||||
|
let slot = self.slots.len();
|
||||||
|
self.slots.push(Slot { ty, value });
|
||||||
|
slot
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn link(mut self) -> Vec<u8> {
|
||||||
|
for reloc in self.label_relocs {
|
||||||
|
let label = self.labels[reloc.label].unwrap();
|
||||||
|
let offset = reloc.offset;
|
||||||
|
let target = label - offset;
|
||||||
|
let target_bytes = u64::to_le_bytes(target as u64);
|
||||||
|
self.code_section[offset..offset + 8].copy_from_slice(&target_bytes);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
for reloc in self.data_relocs {
|
||||||
|
let data = self.data[reloc.data].unwrap();
|
||||||
|
let offset = reloc.offset;
|
||||||
|
let target = data;
|
||||||
|
let target_bytes = u64::to_le_bytes((target + self.code_section.len()) as u64);
|
||||||
|
self.data_section[offset..offset + 8].copy_from_slice(&target_bytes);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
self.code_section.extend_from_slice(&self.data_section);
|
||||||
|
self.code_section
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn lookup_func_label(&mut self, name: &str) -> Label {
|
||||||
|
if let Some(label) = self.func_labels.iter().find(|(n, _)| n == name) {
|
||||||
|
return label.1;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
panic!("Function not found: {}", name);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn declare_label(&mut self) -> Label {
|
||||||
|
self.labels.push(None);
|
||||||
|
self.labels.len() - 1
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn define_label(&mut self, label: Label) {
|
||||||
|
self.labels[label] = Some(self.code_section.len());
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn declare_data(&mut self) -> Data {
|
||||||
|
self.data.push(None);
|
||||||
|
self.data.len() - 1
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn define_data(&mut self, data: Data, bytes: &[u8]) {
|
||||||
|
self.data[data] = Some(self.data.len());
|
||||||
|
self.data_section.extend_from_slice(bytes);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn lookup_struct(&self, name: &str) -> &Struct {
|
||||||
|
self.lookup_item(name)
|
||||||
|
.map(|item| match item {
|
||||||
|
Item::Struct(s) => s,
|
||||||
|
_ => panic!("Not a struct: {}", name),
|
||||||
|
})
|
||||||
|
.expect("Struct not found")
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn lookup_function(&self, name: &str) -> &'a Function {
|
||||||
|
self.lookup_item(name)
|
||||||
|
.map(|item| match item {
|
||||||
|
Item::Function(f) => f,
|
||||||
|
_ => panic!("Not a function: {}", name),
|
||||||
|
})
|
||||||
|
.expect("Function not found")
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn lookup_item(&self, name: &str) -> Option<&'a Item> {
|
||||||
|
self.ast.iter().find(|item| match item {
|
||||||
|
Item::Import(_) => false,
|
||||||
|
Item::Struct(s) => s.name == name,
|
||||||
|
Item::Function(f) => f.name == name,
|
||||||
|
})
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn lookup_variable(&self, name: &str) -> Option<&Variable> {
|
||||||
|
self.variables.iter().find(|variable| variable.name == name)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn push_frame(&mut self) -> Frame {
|
||||||
|
Frame {
|
||||||
|
slot_count: self.slots.len(),
|
||||||
|
var_count: self.variables.len(),
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn pop_frame(&mut self, frame: Frame) {
|
||||||
|
self.slots.truncate(frame.slot_count);
|
||||||
|
self.variables.truncate(frame.var_count);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
pub fn generate(ast: &[Item]) -> Vec<u8> {
|
||||||
|
Generator {
|
||||||
|
ast,
|
||||||
|
..Default::default()
|
||||||
|
}
|
||||||
|
.generate()
|
||||||
|
}
|
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