First support for arm architecture
[voodoo-lang.git] / lib / voodoo / generators / arm_gas_generator.rb
blobe7d93016aadde91647a1054055b1cd1def8dc620
1 require 'voodoo/generators/common_code_generator'
3 module Voodoo
4   # = ARM GNU Assembler Code Generator
5   #
6   # The ARM code generator generates assembly code for use with
7   # the GNU assembler.
8   #
9   # == Calling Convention
10   #
11   # The first four arguments are passed in the registers r0 through r3.
12   # Any additional arguments are passed on the stack, starting at
13   # r13. r13 will always be a multiple of 8.
14   #
15   # The return address for the called function is passed in r14.
16   #
17   # The called function will store its return value in r0.
18   #
19   # The called function is required to preserve the values of registers
20   # r4 through r11 and register r13.
21   #
22   # This calling convention is compatible with the Procedure Call
23   # Standard for the ARM Architecture (AAPCS).
24   #
25   # == Call Frames
26   #
27   # Call frames have the following layout:
28   #
29   # When a function is called, it receives a stack frame that looks like
30   # the following:
31   #
32   #   :
33   #   old frame
34   #   padding
35   #   argn
36   #   :
37   #   arg4        <-- r13 points here
38   #
39   # The function prologue of functions generated by this code generator
40   # creates activiation frames that look as follows:
41   #
42   #   :
43   #   old frame
44   #   padding
45   #   argn
46   #   :
47   #   arg4
48   #   saved r14
49   #   saved r11
50   #   :
51   #   saved r4   <-- r13 points here
52   #
53   # == Register Usage
54   #
55   # Inside a function, registers r4..r8, r10, and r11 are used for
56   # local variables and function arguments.
57   #
58   # r12 is used as a temporary, and r3 is used when another temporary
59   # is needed.
60   #
61   class ARMGasGenerator < CommonCodeGenerator
62     def initialize params
63       @WORDSIZE = 4
64       @CODE_ALIGNMENT = 4
65       @DATA_ALIGNMENT = @WORDSIZE
66       @FUNCTION_ALIGNMENT = @WORDSIZE
68       @NREGISTER_ARGS = 4
69       @NREGISTER_LOCALS = 7
70       @RETURN = :r0
71       @TEMPORARY = :r12
72       @constants = []
73       @frame_offset = 0
74       @frame_size = 0
75       @function_end_label = nil
76       @imports = {}
77       @if_labels = []
78       @saved_registers = []
79       super params
80       @output_file_suffix = '.s'
81     end
83     # Create an entry in the constants table,
84     # returning the label that will refer to the constant.
85     # The value may be an integer or a label.
86     def add_constant value
87       label = gensym
88       @constants << [label, value]
89       label
90     end
92     def align alignment = nil
93       unless alignment
94         # Get default alignment
95         case @section
96         when :code
97           alignment = @CODE_ALIGNMENT
98         when :data
99           alignment = @DATA_ALIGNMENT
100         when :function
101           alignment = @FUNCTION_ALIGNMENT
102         else
103           # Use data alignment as default
104           alignment = @DATA_ALIGNMENT
105         end
106       end
107       emit ".align #{alignment}\n" unless alignment == 0
108     end
110     # Returns an sp-relative reference for the nth (0-based) argument.
111     def arg_reference n
112       "[sp, \##{@frame_size + (n - @NREGISTER_ARGS) * @WORDSIZE}]"
113     end
115     # Return the register in which the nth (0-based) argument is stored, or
116     # nil if not stored in a register
117     def arg_register n
118       # The first @NREGISTER_ARGS arguments are in the v registers,
119       # the rest are on the stack.
120       if register_arg? n
121         "v#{n + 1}"
122       else
123         nil
124       end
125     end
127     # Test if op is a binary operation
128     def assymetric_binop? op
129       [:asr, :bsr, :div, :mod, :rol, :ror, :shl, :shr, :sub].member?(op)
130     end
132     # Test if a value is an at-expression
133     def at_expr? value
134       value.respond_to?(:[]) && value[0] == :'@'
135     end
137     # Emit function prologue and declare _formals_ as function arguments
138     def begin_function formals, nlocals
139       if @environment != @top_level
140         raise "Can only begin a function at top level"
141       end
143       @function_end_label = gensym
144       emit "# function #{formals.join ' '}\n"
145       environment = Environment.new @environment
146       environment.add_args formals
147       @environment = environment
148       emit_function_prologue formals, nlocals
149     end
151     # Test if op is a binary operation
152     def binop? op
153       assymetric_binop?(op) || symmetric_binop?(op)
154     end
156     # Define a byte with the given value
157     def byte value
158       emit ".byte #{value}\n"
159     end
161     # Call a function.
162     def call func, *args
163       emit "# call #{func} #{args.join ' '}\n"
165       # Calculate how many arguments need to be pushed on
166       # the stack, and allocate space for them.
167       nstack_args = number_of_stack_arguments args.length
168       old_frame_offset = @frame_offset
169       old_frame_size = @frame_size
170       grow_frame nstack_args if nstack_args > 0
171       $stderr.puts "@frame_size was #{old_frame_size}, is now #{@frame_size}"
173       # Put stack arguments on the stack
174       (@NREGISTER_ARGS...args.length).each do |n|
175         load_value_into_register args[n], @TEMPORARY
176         emit "str #{@TEMPORARY}, " +
177           "[sp , \##{(n - @NREGISTER_ARGS) * @WORDSIZE}]\n"
178       end
180       # Put register arguments in the right registers
181       nregister_args = number_of_register_arguments args.length
182       nregister_args.times do |n|
183           load_value_into_register args[n], :"a#{n + 1}"        
184       end
186       # Call function
187       emit "bl #{func}\n"
189       # Restore original stack frame
190       if old_frame_size != @frame_size
191         emit "add sp, sp, \##{@frame_size - old_frame_size}\n"
192         @frame_offset = old_frame_offset
193         @frame_size = old_frame_size
194       end
195     end
197     # Start a conditional using the specified branch instruction
198     # after the comparison.
199     def common_if comp, x, y = nil
200       emit "# #{comp} #{x} #{y}\n"
202       xreg = load_value x, @TEMPORARY
203       yreg = load_value y, :a4
205       falselabel = @environment.gensym
206       @if_labels.push falselabel
208       emit "cmp #{xreg}, #{yreg}\n"
210       lut = { :ifeq => "bne", :ifge => "blt", :ifgt => "ble",
211         :ifle => "bgt", :iflt => "bge", :ifne => "beq" }
212       emit "#{lut[comp]} #{falselabel}\n"
213     end
215     # Counts the number of local variables created in
216     # a sequence of statements.
217     def count_locals statements
218        count = 0
219        each_statement(statements) do |statement|
220          if statement[0] == :let
221            # let introduces a single local
222            count = count + 1
223          end
224        end
225        count
226     end
228     # Emit function prologue.
229     def emit_function_prologue formals = [], nlocals = 0
230       # For the calculations here, treat the first @NREGISTER_ARGS
231       # function arguments as local variables.
232       nregister_args = [formals.length, @NREGISTER_ARGS].min
233       nlocals = nlocals + nregister_args
235       nregister_locals = [nlocals, @NREGISTER_LOCALS].min
236       nstack_locals = (nlocals > nregister_locals ?
237                        nlocals - nregister_locals : 0)
239       # Save the registers we will clobber to the stack.
240       clobbered = []
241       nregister_locals.times do |i|
242         clobbered << :"v#{i < 5 ? i + 1 : i + 2}"
243       end
244       @saved_registers = clobbered
245       clobbered = clobbered + [:lr]
246       emit "stmfd sp!, {#{clobbered.join ', '}}\n"
248       # Move arguments that were passed in registers into
249       # callee-save registers.
250       nregister_args.times do |i|
251         emit "cpy v#{i + 1}, a#{i + 1}\n"
252       end
254       # Calculate frame size so that the stack pointer will
255       # be properly aligned at the end of emit_function_prologue.
256       @frame_size = (clobbered.length + nstack_locals) * @WORDSIZE
257       if @frame_size % 8 != 0
258         @frame_size = (@frame_size + 7) / 8 * 8
259       end
260       extra_space = @frame_size - clobbered.length * @WORDSIZE
261       if extra_space > 0
262         emit "sub sp, sp, \##{extra_space}\n"
263       end
264       @frame_offset = 0
265     end
267     # End a function body
268     def end_function
269       if @environment == @top_level
270         raise "Cannot end function when not in a function"
271       end
273       emit "# function epilogue\n"
274       label @function_end_label
276       # Set sp back to where saved registers were stored
277       saved = @saved_registers + [:pc]
278       offset = @frame_size - saved.length * @WORDSIZE
279       if offset != 0
280         emit "add sp, sp, \##{offset}\n"
281       end
283       # Restore saved registers and return
284       emit "ldmfd sp!, {#{saved.join ', '}}\n"
285       @frame_size = 0
286       @frame_offset = 0
288       # Emit constants
289       @constants.each do |x|
290         label x[0]
291         word x[1]
292       end
293       @constants = []
295       emit "# end function\n\n"
297       @environment = @top_level
298       @saved_registers = []
299     end
301     # Ends a conditional.
302     def end_if
303       label @if_labels.pop
304     end
306     # Evaluate the binary operation expr and store the result in register
307     def eval_binop expr, register
308       x = load_value expr[1], :a4
309       y = load_value expr[2], @TEMPORARY
311       case expr[0]
312       when :bsr
313         emit "lsr #{register}, #{x}, #{y}\n"
314       when :div
315         raise "TODO: Not implemented yet"
316       when :mod
317         raise "TODO: Not implemented yet"
318       when :or
319         emit "orr #{register}, #{x}, #{y}\n"
320       when :shl
321         emit "lsl #{register}, #{x}, #{y}\n"
322       when :shr
323         emit "lsr #{register}, #{x}, #{y}\n"
324       when :xor
325         emit "eor #{register}, #{x}, #{y}\n"
326       else
327         emit "#{expr[0]} #{register}, #{x}, #{y}\n"
328       end
329     end
331     # Evaluates the expression +expr+ and stores the result in +register+.
332     def eval_expr expr, register
333       if expr.length == 1
334         # Load value
335         load_value_into_register expr[0], register
336       else
337         # Evaluate expression
338         op = expr[0]
339         case op
340         when :call
341           call *expr[1..-1]
342           emit "cpy #{register}, #{@RETURN}\n" if register != @RETURN
343         when :'get-byte'
344           get_byte expr[1], expr[2], register
345         when :'get-word'
346           get_word expr[1], expr[2], register
347         when :not
348           load_value_into_register expr[1], register
349           emit "mvn #{@TEMPORARY}, #0\n"
350           emit "eor #{register}, #{register}, #{@TEMPORARY}\n"
351         else
352           if binop? op
353             eval_binop expr, register
354           else
355             raise "Not a magic word: #{op}"
356           end
357         end
358       end
359     end
361     # Export symbols from the current section
362     def export *symbols
363       symbols.each { |sym| emit ".globl #{sym}\n" }
364     end
366     # Add a function to the current section
367     def function formals, *code
368       nlocals = count_locals code
369       begin_function formals, nlocals
370       code.each { |action| add section, action }
371       end_function
372     end
374     # Load byte from _base_ + _offset_ into _register_
375     def get_byte base, offset, register
376       # If base is an integer, but offset isn't, swap them
377       if !integer?(offset) && integer?(base)
378         base, offset = [offset, base]
379       end
381       if integer? offset
382         base_reg = load_value base
383         if offset == 0
384           emit "ldrb #{register}, [#{base_reg}]\n"
385         else
386           emit "ldrb #{register}, [#{base_reg}, \##{offset}]\n"
387         end
388       else
389         base_reg = load_value base
390         offset_reg = load_value offset, :a4
391         emit "ldrb #{register}, [#{base_reg}, #{offset_reg}]\n"
392       end
393     end
395     # Load word from _base_ + _offset_ * _@WORDSIZE_ into _register_
396     def get_word base, offset, register
397       if integer? offset
398         base_reg = load_value base
399         if offset == 0
400           emit "ldr #{register}, [#{base_reg}]\n"
401         else
402           emit "ldr #{register}, [#{base_reg}, \##{offset * @WORDSIZE}]\n"
403         end
404       else
405         base_reg = load_value base
406         offset_reg = load_value offset, :a4
407         emit "ldr #{register}, [#{base_reg}, #{offset_reg}, LSL #2]\n"
408       end
409     end
411     # Test if a symbol refers to a global
412     def global? symbol
413       symbol?(symbol) && @environment[symbol] == nil
414     end
416     # Jump to a label.
417     def goto label
418       emit "b #{label}\n"
419     end
421     # Grows the current frame by n words, plus padding to
422     # respect alignment rules.
423     def grow_frame nwords
424       increment = (nwords * @WORDSIZE + 7) / 8 * 8
425       emit "sub sp, sp, \##{increment}\n"
426       @frame_size = @frame_size + increment
427       @frame_offset = @frame_offset + increment
428     end
430     # Start the false path of a conditional.
431     def ifelse
432       emit "# else\n"
433       newlabel = @environment.gensym
434       goto newlabel
435       lbl = @if_labels.pop
436       label lbl
437       @if_labels.push newlabel
438     end
440     # Test if x is equal to y
441     def ifeq x, y
442       common_if :ifeq, x, y
443     end
445     # Test if x is greater than or equal to y
446     def ifge x, y
447       common_if :ifge, x, y
448     end
450     # Test if x is strictly greater than y
451     def ifgt x, y
452       common_if :ifgt, x, y
453     end
455     # Test if x is less than or equal to y
456     def ifle x, y
457       common_if :ifle, x, y
458     end
460     # Test if x is strictly less than y
461     def iflt x, y
462       common_if :iflt, x, y
463     end
465     # Test if x different from y
466     def ifne x, y
467       common_if :ifne, x, y
468     end
470     # Import labels into the current section
471     def import *symbols
472       # Record imported labels in @imports
473       symbols.each { |sym| @imports[sym] = sym }
474     end
476     # Test if a value is an integer
477     def integer? value
478       value.kind_of? Integer
479     end
481     # Emit a label
482     def label name
483       emit "#{name}:\n"
484     end
486     # Introduce a new local variable
487     def let symbol, *expr
488       emit "# let #{symbol} #{expr.join ' '}\n"
489       n = @environment.locals
490       @environment.add_local symbol
492       register = local_register n
493       if register
494         # We will use a register to store the value
495         eval_expr expr, register
496       else
497         # We will use the stack to store the value
498         ref = local_reference n
499         eval_expr expr, @TEMPORARY
500         emit "str #{@TEMPORARY}, #{ref}\n"
501       end
502     end
504     # Load the value at the given address.
505     def load_at address, register = @TEMPORARY
506       load_value_into_register address, register
507       emit "ldr #{register}, [#{register}]\n"
508       register
509     end
511     # Load a value into a register.
512     # Returns the name of the register.
513     # If the value was already in a register, the name of that
514     # register is returned.
515     # Else, the value is loaded into a register and the name of
516     # that register is returned. The register to use in that case
517     # may be specified using the optional second argument.
518     def load_value x, register = @TEMPORARY
519       if integer? x
520         if x >= 0 && x <= 255
521           emit "mov #{register}, \##{x}\n"
522           return register
523         elsif x >= -255 && x < 0
524           emit "mvn #{register}, \##{-(x + 1)}\n"
525           return register
526         else
527           lbl = add_constant x
528           emit "ldr #{register}, #{lbl}\n"
529           return register
530         end
531       elsif symbol? x
532         binding = @environment[x]
533         if binding
534           case binding[0]
535           when :arg
536             n = binding[1]
537             if register_arg? n
538               return arg_register(n)
539             else
540               emit "ldr #{register}, #{arg_reference binding[1]}\n"
541               return register
542             end
543           when :local
544             n = binding[1]
545             if register_local? n
546               return local_register(n)
547             else
548               emit "ldr #{register}, #{local_reference n}\n"
549               return register
550             end
551           else
552             raise "Don't know how to load #{x.inspect}"
553           end
554         else
555           # Assume global
556           label = add_constant x
557           emit "ldr #{register}, #{label}\n"
558           return register
559         end
560       elsif at_expr? x
561         load_at x[1], register
562       else
563         raise "Don't know how to load #{x.inspect}"
564       end
565     end
567     # Load a value into a specific register
568     def load_value_into_register x, register
569       reg = load_value x, register
570       if reg != register
571         emit "cpy #{register}, #{reg}\n"
572       end
573     end
575     # Returns an sp-relative reference for the nth (0-based) local.
576     def local_reference n
577       "[sp, \##{@frame_offset + (number_of_register_arguments + n) * @WORDSIZE}]"
578     end
580     # Return the register in which the nth local (0-based) is stored, or
581     # nil if not stored in a register
582     def local_register n
583       if register_local? n
584         n = n + number_of_register_arguments
585         if n < 5
586           "v#{n + 1}"
587         else
588           "v#{n + 2}"
589         end
590       else
591         nil
592       end
593     end
595     # Calculate the number of register arguments,
596     # given the total number of arguments.
597     def number_of_register_arguments n = @environment.args
598       [n, @NREGISTER_ARGS].min
599     end
601     # Calculate the number of stack arguments,
602     # given the total number of arguments.
603     def number_of_stack_arguments n = @environment.args
604       [0, n - @NREGISTER_ARGS].max
605     end
607     # Returns true if the nth (0-based) argument is stored in a register
608     def register_arg? n
609       n < @NREGISTER_ARGS
610     end
612     # Returns true if the nth (0-based) local is stored in a register
613     def register_local? n
614       (n + number_of_register_arguments) < @NREGISTER_LOCALS
615     end
617     # Returns from a function.
618     # 
619     # _words_ may contain an expression to be evaluated. The result
620     # of the evaluation is returned from the function.
621     def ret *words
622       emit "# return #{words.join ' '}\n"
623       # Compute return value and store it in @RETURN
624       eval_expr(words, @RETURN) unless words.empty?
625       # Go to epilogue
626       goto @function_end_label
627     end
628     
629     # Set a variable to the result of evaluating an expression
630     def set symbol, *expr
631       emit "# set #{symbol} #{expr.join ' '}\n"
633       x = @environment[symbol]
634       if x == nil
635         raise "Cannot change value of constant #{symbol}"
636       end
638       register = nil
639       case x[0]
640       when :arg
641         register = arg_register x[1]
642       when :local
643         register = local_register x[1]
644       end
646       if register
647         # Set new value
648         eval_expr expr, register
649       else
650         case x[0]
651         when :local
652           ref = local_reference x[1]
653         when :arg
654           ref = arg_reference x[1]
655         else
656           raise "??? #{sym} is neither a local nor an argument"
657         end
658         eval_expr expr, @TEMPORARY
659         emit "str #{@TEMPORARY}, #{ref}\n"
660       end
661     end
663     # Set the byte at _base_ + _offset_ to _value_
664     def set_byte base, offset, value
665       emit "# set-byte #{base} #{offset} #{value}\n"
666       # If base is an integer, but offset isn't, swap them
667       if !integer?(offset) && integer?(base)
668         base, offset = [offset, base]
669       end
671       if integer? offset
672         base_reg = load_value base, :a4
673         load_value_into_register value, @TEMPORARY
674         if offset == 0
675           emit "strb #{@TEMPORARY}, [#{base_reg}]\n"
676         else
677           emit "strb #{@TEMPORARY}, [#{base_reg}, \##{offset}]\n"
678         end
679       else
680         eval_binop [:add, base, offset], :a4
681         load_value_into_register value, @TEMPORARY
682         emit "strb #{@TEMPORARY}, [a4]\n"
683       end
684     end
686     # Set the word at _base_ + _offset_ * +@WORDSIZE+ to _value_
687     def set_word base, offset, value
688       emit "# set-word #{base} #{offset} #{value}\n"
689       # If base is an integer, but offset isn't, swap them
690       if !integer?(offset) && integer?(base)
691         base, offset = [offset, base]
692       end
694       if integer? offset
695         base_reg = load_value base, :a4
696         load_value_into_register value, @TEMPORARY
697         if offset == 0
698           emit "str #{@TEMPORARY}, [#{base_reg}]\n"
699         else
700           emit "str #{@TEMPORARY}, [#{base_reg}, \##{offset * @WORDSIZE}]\n"
701         end
702       else
703         load_value_into_register base, :a4
704         load_value_into_register offset, @TEMPORARY
705         emit "add a4, a4, #{@TEMPORARY}, LSL #2\n"
706         load_value_into_register value, @TEMPORARY
707         emit "str #{@TEMPORARY}, [a4]\n"
708       end
709     end
711     # Define a string with the given value
712     def string value
713       code = ''
714       value.each_byte do |b|
715         if b == 92
716           code << "\\\\"
717         elsif b >= 32 && b < 127 && b != 34
718           code << b.chr
719         else
720           code << sprintf("\\%03o", b)
721         end
722       end
723       emit ".ascii \"#{code}\"\n"
724     end
726     # Test if a value is a symbol
727     def symbol? value
728       value.kind_of? Symbol
729     end
731     # Test if op is a symmetric binary operation (i.e. it will yield the
732     # same result if the order of its source operands is changed).
733     def symmetric_binop? op
734       [:add, :and, :mul, :or, :xor].member? op
735     end
737     # Call a function, re-using the current call frame if possible.
738     def tail_call func, *args
739       emit "# tail-call #{func} #{args.join ' '}\n"
741       # TODO: Implement proper tail calls
742       ret :call, func, *args
743     end
745     # Define a word with the given value
746     def word value
747       emit ".int #{value}\n"
748     end
750     # Write generated code to the given IO object.
751     def write io
752       @sections.each do |section,code|
753         unless code.empty?
754           io.puts ".section #{section.to_s}"
755           io.puts code
756           io.puts
757         end
758       end
759     end
761   end
763   # Register class for little endian ARM
764   Voodoo::CodeGenerator.register_generator ARMGasGenerator,
765                                            :architecture => :arm,
766                                            :format => :gas