codegen.scm

   1 (load "typecheck.scm")
   2 (load "ast.scm")
   3
   4 (define (emit . s)
   5   (begin
   6     (apply printf s)
   7     (display "\n")))
   8
   9 (define (codegen-add xs si env)
  10   (define (go ys)
  11     (if (null? ys)
  12       (emit "movq ~a(%rbp), %rax" si)
  13       (begin
  14         (let ((y (car ys)))
  15              (if (integer? y)
  16                  (emit "addq $~a, ~a(%rbp)" y si)
  17                  (begin
  18                    (codegen-expr y (- si wordsize) env)
  19                    (emit "addq %rax, ~a(%rbp)" si))))
  20         (go (cdr ys)))))
  21   (begin
  22                                         ; use si(%rbp) as the accumulator
  23     (emit "movq $0, ~a(%rbp)" si)
  24     (go xs)))
  25
  26 (define (codegen-binop opcode)
  27   (lambda (a b si env)
  28     (codegen-expr b si env)
  29     (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" si)
  30     (codegen-expr a (- si wordsize) env)
  31     (emit "~a ~a(%rbp), %rax" opcode si)))
  32
  33 (define codegen-sub (codegen-binop "sub"))
  34
  35 (define codegen-mul (codegen-binop "imul"))
  36
  37 (define (codegen-not x si env)
  38   (codegen-expr x si env)
  39   (emit "notq %rax")
  40   (emit "andq $1, %rax"))
  41
  42 (define (codegen-eq a b si env)
  43   (codegen-expr a si env)
  44   (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" si)
  45   (codegen-expr b (- si wordsize) env)
  46   (emit "subq ~a(%rbp), %rax" si)
  47   (emit "not %rax")
  48   (emit "andq $1, %rax"))
  49
  50 (define (codegen-print x si env)
  51   (codegen-expr x si env) ; x should be a static-string, producing a label
  52
  53                       ; make a copy of string address since %rax and %rdi are clobbered
  54   (emit "mov %rax, %rbx")
  55
  56                       ; get the length of the null terminated string
  57   (emit "mov %rax, %rdi")
  58   (emit "xor %al, %al")   ; set %al to 0
  59   (emit "mov $-1, %rcx") ; max search length = max int = -1
  60   (emit "cld")           ; clear direction flag, search up in memory
  61   (emit "repne scasb")   ; scan string, %rcx = -strlen - 1 - 1
  62
  63   (emit "not %rcx")      ; -%rcx = strlen + 1
  64   (emit "dec %rcx")
  65
  66   (emit "mov %rcx, %rdx") ; number of bytes
  67   (emit "mov %rbx, %rsi") ; addr of string
  68   (emit "mov $1, %rax") ; file handle 1 (stdout)
  69   (emit "mov $1, %rdi") ; syscall 1 (write)
  70   (emit "syscall"))
  71
  72 (define (range s n)
  73   (if (= 0 n) '()
  74       (append (range s (- n 1))
  75               (list (+ s (- n 1))))))
  76
  77 (define wordsize 8)
  78
  79 (define (codegen-let bindings body si env)
  80   (let* ((stack-offsets (map (lambda (x) (- si (* x wordsize)))
  81                              (range 0 (length bindings))))
  82          (inner-si (- si (* (length bindings) wordsize)))
  83          (names (map car bindings))
  84          (exprs (map cadr bindings))
  85
  86          ; recursive let bindings: build environment as we go
  87          (inner-env (fold-left
  88                      (lambda (env name expr offset)
  89                        (codegen-expr expr inner-si env)
  90                        (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" offset)
  91                        (cons (cons name offset) env))
  92                      env names exprs stack-offsets)))
  93     (for-each (lambda (form)
  94                 (codegen-expr form inner-si inner-env))
  95               body)))
  96
  97 (define (codegen-var name si env)
  98   (when (not (assoc name env))
  99     (error #f (format "Variable ~a is not bound" name)))
 100   (let ((offset (cdr (assoc name env))))
 101     (emit "movq ~a(%rbp), %rax" offset)))
 102
 103 (define cur-lambda 0)
 104 (define (fresh-lambda)
 105   (set! cur-lambda (+ 1 cur-lambda))
 106   (format "_lambda~a" (- cur-lambda 1)))
 107
 108 ; a closure on the heap looks like:
 109 ; 0-x    x+0   x+4       x+12      x+20
 110 ; label #vars var1....  var2....  var3....
 111 (define (codegen-closure label captured si env)
 112   (let* ((heap-offsets (range 4 (length captured))) ; 4, 12, 20, etc.
 113          (inner-si (- si (* (length captured) wordsize))))
 114     (emit "movl $~a, (heap_start)")
 115     (emit "add $4, (heap_start)")
 116     (for-each (lambda (var-name new-offset)
 117                 (emit "movq ~a(%rbp), ~a(heap_start)" ; todo: do we need to copy this?
 118                       (cdr (assoc var-name env))
 119                       new-offset)
 120                 (emit "add $8, (heap_start)")
 121               captured
 122               stack-offsets)
 123 )
 124                                         ; for now we can only call closures
 125 (define (codegen-call closure args si env)
 126 ;  (codegen-expr closure si env)
 127   (when (not (eq? (ast-type closure) 'closure))
 128     (error #f (format "~a is not a closure" closure)))
 129   (let* ((captured (caddr closure))
 130          (label (cadr closure))
 131          (argument-start (length captured)))
 132
 133                                         ; first move the captured variables into param registers
 134     (for-each
 135      (lambda (e i)
 136        (emit "movq ~a(%rbp), ~a"
 137              (cdr (assoc e env)) ; offset of the var
 138              (param-register i)))
 139      captured (range 0 (length captured)))
 140
 141                                         ; then codegen the arguments and move them into the next param registers
 142     (for-each
 143      (lambda (e i)
 144        (begin
 145          (codegen-expr e si env)
 146                                         ; move result to correct param register
 147          (emit "movq %rax, ~a" (param-register i))))
 148      args (range argument-start (length args)))
 149
 150     (emit "addq $~a, %rsp" si) ; adjust the stack pointer to account all the stuff we put in the env
 151     (emit "callq ~a" label)
 152     (emit "subq $~a, %rsp" si)))
 153
 154 (define (codegen-lambda l)
 155   (let* ((label (car l))
 156          (args (cadr l))
 157          (captured (caddr l))
 158          (body (cadddr l))
 159 ; params = what actually gets passed
 160          (params (append captured args))
 161
 162          (param-registers (map param-register
 163                                (range 0 (length params))))
 164          (stack-offsets (map (lambda (i)
 165                                (* (- wordsize) i))
 166                              (range 1 (length params))))
 167
 168          (copy-insts (map (lambda (r o)
 169                             (format "movq ~a, ~a(%rbp)" r o))
 170                           param-registers stack-offsets))
 171
 172          (env (map cons params stack-offsets)))
 173     (emit "~a:" label)
 174     (display "## lambda body: ")
 175     (display body)
 176     (newline)
 177     (display "## environment: ")
 178     (display env)
 179     (newline)
 180
 181     (emit "push %rbp") ; preserve caller's base pointer
 182     (emit "movq %rsp, %rbp") ; set up our own base pointer
 183
 184     (for-each emit copy-insts)
 185     (codegen-expr body (* (- wordsize) (+ 1 (length params))) env)
 186
 187     (emit "pop %rbp") ; restore caller's base pointer
 188     (emit "ret")))
 189
 190 (define cur-label 0)
 191 (define (fresh-label)
 192   (set! cur-label (+ 1 cur-label))
 193   (format "label~a" (- cur-label 1)))
 194
 195 (define (codegen-if cond then else si env)
 196   (codegen-expr cond si env)
 197   (emit "cmpq $0, %rax")
 198   (let ((exit-label (fresh-label))
 199         (else-label (fresh-label)))
 200     (emit "je ~a" else-label)
 201     (codegen-expr then si env)
 202     (emit "jmp ~a" exit-label)
 203     (emit "~a:" else-label)
 204     (codegen-expr else si env)
 205     (emit "~a:" exit-label)))
 206
 207 (define (codegen-expr e si env)
 208   (case (ast-type e)
 209     ('builtin e)
 210     ('closure (codegen-closure (cadr e) (caddr e) si env))
 211     ('app
 212      (let ((callee (codegen-expr (car e) si env)))
 213        (case callee
 214          ('+ (codegen-add (cdr e) si env))
 215          ('- (codegen-sub (cadr e) (caddr e) si env))
 216          ('* (codegen-mul (cadr e) (caddr e) si env))
 217          ('! (codegen-not (cadr e) si env))
 218          ('= (codegen-eq  (cadr e) (caddr e) si env))
 219          ('bool->int (codegen-expr (cadr e) si env))
 220          ('print (codegen-print (cadr e) si env))
 221          (else (codegen-call callee (cdr e) si env)))))
 222
 223     ('let (codegen-let (let-bindings e)
 224                        (let-body e)
 225                        si
 226                        env))
 227
 228     ('var (codegen-var e si env))
 229
 230     ('if (codegen-if (cadr e) (caddr e) (cadddr e) si env))
 231
 232     ('bool-literal (emit "movq $~a, %rax" (if e 1 0)))
 233     ('int-literal (emit "movq $~a, %rax" e))
 234
 235     ('static-string (emit "lea ~a, %rax" (cadr e))) ; move label
 236
 237     (else (error #f "don't know how to codegen this"))))
 238
 239
 240 (define (fold-map f x) (fold-left append '() (map f x)))
 241
 242 (define (free-vars prog)
 243   (define bound '())
 244   (define (collect e)
 245     (case (ast-type e)
 246       ('builtin '()) ; do nothing
 247       ('var (if (memq e bound) '() (list e)))
 248       ('lambda
 249           (set! bound (append (lambda-args e) bound))
 250         (collect (lambda-body e)))
 251
 252       ('app (fold-map collect e))
 253       ('let
 254           (let ((bind-fvs (fold-map (lambda (a)
 255                                       ((set! bound (cons (car a) bound))
 256                                        (collect (cdr a))))
 257                                     (let-bindings cadr)))
 258                 (body-fvs (fold-map collect (let-body e))))
 259             (append bind-fvs body-fvs)))
 260       (else '())))
 261   (collect prog))
 262
 263                                         ; ((lambda (x) (+ x 1)) 42) => {lambda0: (x) (+ x 1)}, (@lambda0 42)
 264 (define (extract-lambdas program)
 265   (define lambdas '())
 266   (define (add-lambda e)
 267     (let* ((label (fresh-lambda))
 268            (args (lambda-args e))
 269            (captured (free-vars e))
 270            (body (extract (lambda-body e)))
 271            (new-lambda (list label args captured body)))
 272       (set! lambdas (cons new-lambda lambdas))
 273       `(closure ,label ,captured))) ; todo: should we string->symbol?
 274   (define (extract e)
 275     (case (ast-type e)
 276       ('lambda (add-lambda e))
 277       ('let `(let ,(map extract (let-bindings e))
 278                ,@(map extract (let-body e))))
 279       ('app (append (list (extract (car e)))
 280                     (map extract (cdr e))))
 281       (else (ast-traverse extract e))))
 282   (let ((transformed (extract program)))
 283     (cons lambdas transformed)))
 284
 285 (define (extract-strings program)
 286   (let ((cur-string 0)
 287         (strings '())) ; assoc list of labels -> string
 288     (define (fresh-string)
 289       (set! cur-string (+ cur-string 1))
 290       (format "string~a" (- cur-string 1)))
 291     (define (extract e)
 292       (case (ast-type e)
 293         ('string-literal
 294          (let ((label (fresh-string)))
 295            (set! strings (cons (cons label e) strings))
 296            `(static-string ,label)))
 297         (else (ast-traverse extract e))))
 298     (let ((transformed (extract program)))
 299       (cons strings transformed))))
 300
 301 (define (emit-string-data s)
 302   (emit "~a:" (car s))
 303   (emit "\t.string \"~a\"" (cdr s)))
 304
 305 ;; (define (amd64-abi f)
 306 ;;                                      ; preserve registers
 307 ;;   (emit "push %rbp")
 308 ;;   ;; (emit "push %rbx")
 309 ;;   ;; (for-each (lambda (i)
 310 ;;   ;;               (emit (string-append
 311 ;;   ;;                      "push %r"
 312 ;;   ;;                      (number->string i))))
 313 ;;   ;;             '(12 13 14 15))
 314
 315 ;;   (emit "movq %rsp, %rbp")              ; set up the base pointer
 316
 317 ;;   (f) ; call stuff
 318 ;;                                      ; restore preserved registers
 319 ;;   ;; (for-each (lambda (i)
 320 ;;   ;;               (emit (string-append
 321 ;;   ;;                      "pop %r"
 322 ;;   ;;                      (number->string i))))
 323 ;;   ;;             '(15 14 13 12))
 324 ;;   ;; (emit "pop %rbx")
 325 ;;   (emit "pop %rbp")
 326 ;;   (emit "ret"))
 327
 328                                         ; 24(%rbp) mem arg 1
 329                                         ; 16(%rbp) mem arg 0          prev frame
 330                                         ; -----------------------
 331                                         ;  8(%rbp) return address     cur frame
 332                                         ;  0(%rbp) prev %rbp
 333                                         ; -8(%rbp) do what you want
 334                                         ;  ...     do what you want
 335                                         ;  0(%rsp) do what you want
 336
 337 (define (param-register n)
 338   (case n
 339     (0 "%rdi")
 340     (1 "%rsi")
 341     (2 "%rdx")
 342     (3 "%rcx")
 343     (4 "%r8")
 344     (5 "%r9")
 345     (else (error #f "need to test out the below"))
 346     (else (format "~a(%rsp)" (- n 6)))))
 347
 348 (define (codegen program)
 349   (let* ((extract-res-0 (extract-strings program))
 350          (strings (car extract-res-0))
 351          (extract-res-1 (extract-lambdas (cdr extract-res-0)))
 352          (lambdas (car extract-res-1))
 353          (xform-prog (cdr extract-res-1)))
 354
 355     (emit "\t.global _start")
 356     (emit "\t.text")
 357 ;    (emit ".p2align 4,,15") is this needed?
 358
 359     (for-each codegen-lambda lambdas)
 360
 361     (emit "_start:")
 362
 363     ; allocate some heap memory
 364     (emit "mov $9, %rax") ; mmap
 365     (emit "xor %rdi, %rdi")  ; addr = null
 366     (emit "movq $1024, %rsi")   ; length = 1kb
 367     (emit "movq $0x3, %rdx") ; prot = read | write = 0x2 | 0x1
 368     (emit "movq $0x22, %r10") ; flags = anonymous | private = 0x20 | 0x02
 369     (emit "movq $-1, %r8") ; fd = -1
 370     (emit "xor %r9, %r9") ; offset = 0
 371     (emit "syscall")
 372
 373     ; %rax now contains pointer to the start of the heap
 374     ; keep track of it
 375     (emit "movq %rax, (heap_start)")
 376
 377     (emit "movq %rsp, %rbp")            ; set up the base pointer
 378     (codegen-expr xform-prog 0 '())
 379
 380                                         ; exit syscall
 381     (emit "mov %rax, %rdi")
 382     (emit "mov $60, %rax")
 383     (emit "syscall")
 384
 385     (emit ".data")
 386
 387     (emit "heap_start:")
 388     (emit "\t.quad 0")
 389
 390     (for-each emit-string-data strings)))
 391
 392 (define (compile-to-binary program output)
 393   (when (not (eq? (typecheck program) 'int)) (error #f "not an int"))
 394   (let ([tmp-path "/tmp/a.s"])
 395     (when (file-exists? tmp-path) (delete-file tmp-path))
 396     (with-output-to-file tmp-path
 397       (lambda () (codegen program)))
 398     (system (format "clang -nostdlib /tmp/a.s -o ~a" output))))
 399
 400 ; NOTES
 401 ; syscalls in linux use the following arguments for syscall instruction:
 402 ; %rax = syscall #
 403 ; %rdi = 1st arg
 404 ; %rsi = 2nd arg
 405 ; %rdx = 3rd arg
 406 ; %r10 = 4th arg
 407 ; %r8  = 5th arg
 408 ; %r9  = 6th arg