517cc110e545d9fe3490b0eeaf5c5d35b2c3d375
[scheme.git] / codegen.scm
1 (load "typecheck.scm")
2 (load "ast.scm")
3
4 (define target 'darwin)
5
6 (define (emit . s)
7   (begin
8     (apply printf s)
9     (display "\n")))
10
11 (define (codegen-add xs si env)
12   (define (go ys)
13     (if (null? ys)
14         (emit "movq ~a(%rbp), %rax" si)
15         (begin
16           (let ((y (car ys)))
17             (if (integer? y)
18                 (emit "addq $~a, ~a(%rbp)" y si)
19                 (begin
20                   (codegen-expr y (- si wordsize) env)
21                   (emit "addq %rax, ~a(%rbp)" si))))
22           (go (cdr ys)))))
23   (begin
24                                         ; use si(%rbp) as the accumulator
25     (emit "movq $0, ~a(%rbp)" si)
26     (go xs)))
27
28 (define (codegen-binop opcode)
29   (lambda (a b si env)
30     (codegen-expr b si env)
31     (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" si)
32     (codegen-expr a (- si wordsize) env)
33     (emit "~a ~a(%rbp), %rax" opcode si)))
34
35 (define codegen-sub (codegen-binop "sub"))
36
37 (define codegen-mul (codegen-binop "imul"))
38
39 (define (codegen-not x si env)
40   (codegen-expr x si env)
41   (emit "notq %rax")
42   (emit "andq $1, %rax"))
43
44 (define (codegen-eq a b si env)
45   (codegen-expr a si env)
46   (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" si)
47   (codegen-expr b (- si wordsize) env)
48   (emit "subq ~a(%rbp), %rax" si)
49   (emit "not %rax")
50   (emit "andq $1, %rax"))
51
52                                         ; 'write file handle addr-string num-bytes
53
54 (define (codegen-print x si env)
55   (codegen-expr x si env) ; x should be a static-string, producing a label
56
57                                         ; make a copy of string address since %rax and %rdi are clobbered
58   (emit "mov %rax, %rbx")
59   
60                                         ; get the length of the null terminated string
61   (emit "mov %rax, %rdi")
62   (emit "xor %al, %al")   ; set %al to 0
63   (emit "mov $-1, %rcx") ; max search length = max int = -1
64   (emit "cld")           ; clear direction flag, search up in memory
65   (emit "repne scasb")   ; scan string, %rcx = -strlen - 1 - 1
66   
67   (emit "not %rcx")      ; -%rcx = strlen + 1
68   (emit "dec %rcx")
69
70   (case target
71     ('darwin
72      (emit "movq %rbx, %rsi") ; string addr
73      (emit "movq %rcx, %rdx") ; num bytes
74      (emit "movq $1, %rdi")   ; file handle (stdout)
75      (emit "movq $0x2000004, %rax")) ; syscall 4 (write)
76     ('linux
77      (emit "mov %rbx, %rsi")  ; string addr
78      (emit "mov %rcx, %rdx")  ; num bytes
79      (emit "mov $1, %rax")    ; file handle (stdout)
80      (emit "mov $1, %rdi"))) ; syscall 1 (write)
81   (emit "syscall"))
82
83 (define (range s n)
84   (if (= 0 n) '()
85       (append (range s (- n 1))
86               (list (+ s (- n 1))))))
87
88 (define wordsize 8)
89
90 (define (codegen-let bindings body si env)
91   (let* ((stack-offsets (map (lambda (x) (- si (* x wordsize)))
92                              (range 0 (length bindings))))
93          (inner-si (- si (* (length bindings) wordsize)))
94          (names (map car bindings))
95          (exprs (map cadr bindings))
96
97                                         ; recursive let bindings: build environment as we go
98          (inner-env (fold-left
99                      (lambda (env name expr offset)
100                        (codegen-expr expr inner-si env)
101                        (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" offset)
102                        (cons (cons name offset) env))
103                      env names exprs stack-offsets)))
104     (for-each (lambda (form)
105                 (codegen-expr form inner-si inner-env))
106               body)))
107
108 (define (codegen-var name si env)
109   (when (not (assoc name env))
110     (error #f (format "Variable ~a is not bound" name)))
111   (let ((offset (cdr (assoc name env))))
112     (emit "movq ~a(%rbp), %rax" offset)))
113
114 (define cur-lambda 0)
115 (define (fresh-lambda)
116   (set! cur-lambda (+ 1 cur-lambda))
117   (format "_lambda~a" (- cur-lambda 1)))
118
119                                         ; a closure on the heap looks like:
120                                         ; 0    8         16        24
121                                         ; addr var1....  var2....  var3....
122
123 (define (codegen-closure label captured si env)
124   (let* ((heap-offsets (map (lambda (i) (+ 8 (* 8 i)))
125                             (range 0 (length captured))))) ; 4, 12, 20, etc.
126
127     (emit "## creating closure")
128
129     (emit "movq heap_start@GOTPCREL(%rip), %rbx")
130     
131     (emit "movq (%rbx), %rax")          ; %rax = heap addr of closure
132
133
134     ; point heap_start to next space
135     (emit "addq $~a, (%rbx)" (+ 8 (* 8 (length captured))))
136
137     (emit "## storing address to lambda")
138                                         ; store the address to the lambda code
139     (emit "movq ~a@GOTPCREL(%rip), %rbx" label)
140     (emit "movq %rbx, 0(%rax)")
141
142     (emit "## storing captives")
143                                         ; store the captured vars
144     (for-each
145      (lambda (var-name new-offset)
146        (begin
147          (emit "movq ~a(%rbp), %rbx" (cdr (assoc var-name env)))
148          (emit "movq %rbx, ~a(%rax)" new-offset)))
149      captured
150      heap-offsets)))
151
152                                         ; for now we can only call closures
153 (define (codegen-call f args si env)
154   (codegen-expr f si env)
155
156   (emit "## starting call")
157   
158   (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" si) ; store address of closure first on stack
159   
160                                         ; codegen the arguments, store them intermediately
161   (for-each
162    (lambda (e i)
163      (begin
164        (emit "## arg no. ~a" (- i 1))
165        (codegen-expr e (- si (* wordsize i)) env)
166                                         ; store intermediate result on stack
167        (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" (- si (* wordsize i)))))
168
169    args (range 1 (length args)))
170
171                                         ; now that we have everything we need on the stack,
172                                         ; move them into the param registers
173
174   (emit "## moving args into place")
175   (for-each
176    (lambda (i) (emit "movq ~a(%rbp), ~a"
177                      (- si (* wordsize i))
178                      (param-register i)))
179    (range 1 (length args)))
180
181                                         ; todo: can this be made more efficient
182   (emit "movq ~a(%rbp), %rax" si)       ; load back pointer to closure
183
184   (emit "## moving captives into place")
185   
186                                         ; move captives into first argument
187   (emit "movq %rax, %rbx")
188   (emit "addq $8, %rbx")
189   (emit "movq %rbx, ~a" (param-register 0))
190
191   (emit "## performing call")
192
193   (emit "addq $~a, %rsp" si) ; adjust the stack pointer to account all the stuff we put in the env
194   (emit "callq *(%rax)")                ; call closure function
195   (emit "subq $~a, %rsp" si))
196
197                                         ; LAMBDAS:
198                                         ; 1st param: pointer to captured args
199                                         ; 2nd param: 1st arg
200                                         ; 3rd param: 2nd arg, etc.
201
202 (define (codegen-lambda l)
203   (let* ((label (car l))
204          (stuff (cdr l))
205          (captured (car stuff))
206          (args (cadr stuff))
207          (body (caddr stuff))
208                                         ; params = what actually gets passed
209          (params (append captured args))
210
211          (stack-offsets (map (lambda (i)
212                                (* (- wordsize) i))
213                              (range 0 (length params))))
214
215          (env (map cons params stack-offsets)))
216     (emit "~a:" label)
217
218     (display "## lambda captives: ")
219     (display captured)
220     (newline)
221     (display "## lambda args: ")
222     (display args)
223     (newline)
224     (display "## lambda body: ")
225     (display body)
226     (newline)
227     
228     (emit "push %rbp") ; preserve caller's base pointer
229     
230     (emit "movq %rsp, %rbp") ; set up our own base pointer
231     (emit "subq $8, %rbp")   
232
233                                         ; load the captured vars onto the stack
234     (for-each
235      (lambda (i)
236        (begin
237          (emit "movq ~a(~a), %rbx" i (param-register 0))
238          (emit "movq %rbx, ~a(%rbp)" (* (- wordsize) i))))
239      (range 0 (length captured)))
240
241                                         ; load the args onto the stack
242     (for-each
243      (lambda (i)
244        (begin
245          (emit "movq ~a, %rbx" (param-register (+ 1 i)))
246          (emit "movq %rbx, ~a(%rbp)"
247                (* (- wordsize)
248                   (+ (length captured) i)))))
249      (range 0 (length args)))
250     
251     (codegen-expr body (* (- wordsize) (+ 1 (length params))) env)
252
253     (emit "pop %rbp") ; restore caller's base pointer
254     (emit "ret")))
255
256 (define (codegen-string label)
257   (case target
258     ('darwin (emit "movq ~a@GOTPCREL(%rip), %rax" label))
259     ('linux  (emit "lea $~a, %rax" label))))
260
261 (define cur-label 0)
262 (define (fresh-label)
263   (set! cur-label (+ 1 cur-label))
264   (format "label~a" (- cur-label 1)))
265
266 (define (codegen-if cond then else si env)
267   (codegen-expr cond si env)
268   (emit "cmpq $0, %rax")
269   (let ((exit-label (fresh-label))
270         (else-label (fresh-label)))
271     (emit "je ~a" else-label)
272     (codegen-expr then si env)
273     (emit "jmp ~a" exit-label)
274     (emit "~a:" else-label)
275     (codegen-expr else si env)
276     (emit "~a:" exit-label)))
277
278 (define (codegen-expr e si env)
279   (case (ast-type e)
280     ('closure (codegen-closure (cadr e) (caddr e) si env))
281     ('app
282      (case (car e)
283        ('+ (codegen-add (cdr e) si env))
284        ('- (codegen-sub (cadr e) (caddr e) si env))
285        ('* (codegen-mul (cadr e) (caddr e) si env))
286        ('! (codegen-not (cadr e) si env))
287        ('= (codegen-eq  (cadr e) (caddr e) si env))
288        ('bool->int (codegen-expr (cadr e) si env))
289        ('print (codegen-print (cadr e) si env))
290        (else (codegen-call (car e) (cdr e) si env))))
291
292                                         ; this is a builtin being passed around as a variable
293     ('builtin (emit "movq $~a, %rax" (builtin-id e)))
294
295     ('let (codegen-let (let-bindings e)
296                        (let-body e)
297                        si
298                        env))
299
300     ('var (codegen-var e si env))
301
302     ('if (codegen-if (cadr e) (caddr e) (cadddr e) si env))
303     
304     ('bool-literal (emit "movq $~a, %rax" (if e 1 0)))
305     ('int-literal (emit "movq $~a, %rax" e))
306     
307     ('static-string (codegen-string (cadr e)))
308
309     (else (error #f "don't know how to codegen this"))))
310
311
312 (define (fold-map f x) (fold-left append '() (map f x)))
313
314 (define (free-vars prog)
315   (define bound '())
316   (define (collect e)
317     (case (ast-type e)
318       ('builtin '()) ; do nothing
319       ('var (if (memq e bound) '() (list e)))
320       ('lambda
321           (set! bound (append (lambda-args e) bound))
322         (collect (lambda-body e)))
323
324       ('app (fold-map collect e))
325       ('let
326           (let ((bind-fvs (fold-map (lambda (a)
327                                       ((set! bound (cons (car a) bound))
328                                        (collect (cdr a))))
329                                     (let-bindings cadr)))
330                 (body-fvs (fold-map collect (let-body e))))
331             (append bind-fvs body-fvs)))
332       (else '())))
333   (collect prog))
334
335                                         ; ((lambda (x) (+ x y)) 42) => ((closure lambda1 (y)) 42)
336                                         ;                              [(lambda1 . ((y), (x), (+ x y))]
337                                         ; for builtins, this generates a closure if it is used
338                                         ; outside of an immediate app
339                                         ; but only one closure for each builtin
340
341 (define (extract-lambdas program)
342   (define lambdas '())
343   (define (add-lambda e)
344     (let* ((label (fresh-lambda))
345            (args (lambda-args e))
346            (captured (free-vars e))
347            (body (extract (lambda-body e)))
348            (new-lambda (cons label (list captured args body))))
349       (set! lambdas (cons new-lambda lambdas))
350       `(closure ,label ,captured))) ; todo: should we string->symbol?
351
352   (define (find-builtin-lambda e)
353     (let [(l (assq (builtin-name e) lambdas))]
354       (if l `(closure ,(car l) ,(caadr l)) #f)))
355
356   (define (builtin-name e)
357     (case e
358       ('+ "_add")
359       ('- "_sub")
360       ('* "_mul")
361       ('bool->int "_bool2int")
362       (else (error #f "fill this out"))))
363   (define (builtin-args e)
364     (case e
365       ('+ '(x y))
366       ('- '(x y))
367       ('* '(x y))
368       ('bool->int '(x))
369       (else (error #f "fill this out"))))
370
371   (define (add-builtin-lambda e)
372     (let* [(label (builtin-name e))
373            (captured '())
374            (args (builtin-args e))
375            (body `(,e ,@args))
376            (new-lambda (cons label (list captured args body)))]
377       (set! lambdas (cons new-lambda lambdas))
378       `(closure ,label ,captured)))
379   
380   (define (extract e)
381     (case (ast-type e)
382       ('lambda (add-lambda e))
383       ('let `(let ,(map extract (let-bindings e))
384                ,@(map extract (let-body e))))
385       ('app (append
386                                         ; if a builtin is used as a function, don't generate lambda
387              (if (eqv? 'builtin (ast-type (car e)))
388                  (list (car e))
389                  (list (extract (car e))))
390              (map extract (cdr e))))
391       
392       ('builtin
393        (if (find-builtin-lambda e)
394            (find-builtin-lambda e)
395            (add-builtin-lambda e)))
396
397       
398       (else (ast-traverse extract e))))
399   (let ((transformed (extract program)))
400     (cons lambdas transformed)))
401
402 (define (extract-strings program)
403   (let ((cur-string 0)
404         (strings '())) ; assoc list of labels -> string
405     (define (fresh-string)
406       (set! cur-string (+ cur-string 1))
407       (format "string~a" (- cur-string 1)))
408     (define (extract e)
409       (case (ast-type e)
410         ('string-literal
411          (let ((label (fresh-string)))
412            (set! strings (cons (cons label e) strings))
413            `(static-string ,label)))
414         (else (ast-traverse extract e))))
415     (let ((transformed (extract program)))
416       (cons strings transformed))))
417
418 (define (emit-string-data s)
419   (emit "~a:" (car s))
420   (emit "\t.string \"~a\"" (cdr s)))
421
422 ;; (define (amd64-abi f)
423 ;;                                      ; preserve registers
424 ;;   (emit "push %rbp")
425 ;;   ;; (emit "push %rbx")
426 ;;   ;; (for-each (lambda (i)
427 ;;   ;;               (emit (string-append
428 ;;   ;;                      "push %r"
429 ;;   ;;                      (number->string i))))
430 ;;   ;;             '(12 13 14 15))
431
432 ;;   (emit "movq %rsp, %rbp")              ; set up the base pointer
433
434 ;;   (f) ; call stuff
435 ;;                                      ; restore preserved registers
436 ;;   ;; (for-each (lambda (i)
437 ;;   ;;               (emit (string-append
438 ;;   ;;                      "pop %r"
439 ;;   ;;                      (number->string i))))
440 ;;   ;;             '(15 14 13 12))
441 ;;   ;; (emit "pop %rbx")
442 ;;   (emit "pop %rbp")
443 ;;   (emit "ret"))
444
445                                         ; 24(%rbp) mem arg 1
446                                         ; 16(%rbp) mem arg 0          prev frame
447                                         ; -----------------------
448                                         ;  8(%rbp) return address     cur frame
449                                         ;  0(%rbp) prev %rbp
450                                         ; -8(%rbp) do what you want
451                                         ;  ...     do what you want
452                                         ;  0(%rsp) do what you want
453
454 (define (param-register n)
455   (case n
456     (0 "%rdi")
457     (1 "%rsi")
458     (2 "%rdx")
459     (3 "%rcx")
460     (4 "%r8")
461     (5 "%r9")
462     (else (error #f "need to test out the below"))
463     (else (format "~a(%rsp)" (- n 6)))))
464
465 (define (initialize-heap)
466   (let ((mmap
467          (case target
468            ('darwin "0x20000c5")
469            ('linux "9"))))
470                                         ; allocate some heap memory
471     (emit "mov $~a, %rax" mmap) ; mmap
472     (emit "xor %rdi, %rdi")  ; addr = null
473     (emit "movq $1024, %rsi")   ; length = 1kb
474     (emit "movq $0x3, %rdx") ; prot = read | write = 0x2 | 0x1
475                                         ;    flags = anonymous | private
476     (case target
477       ('darwin (emit "movq $0x1002, %r10")) ; anon = 0x1000, priv = 0x02
478       ('linux (emit "movq $0x22, %r10")))   ; anon = 0x20,   priv = 0x02
479     (emit "movq $-1, %r8") ; fd = -1
480     (emit "xor %r9, %r9") ; offset = 0
481     (emit "syscall")
482                                         ; %rax now contains pointer to the start of the heap
483                                         ; keep track of it
484
485     (emit "movq heap_start@GOTPCREL(%rip), %rsi")
486     (emit "movq %rax, (%rsi)")))
487
488 (define (codegen program)
489   (let* ((extract-res-0 (extract-strings program))
490          (strings (car extract-res-0))
491          (extract-res-1 (extract-lambdas (cdr extract-res-0)))
492          (lambdas (car extract-res-1))
493          (xform-prog (cdr extract-res-1)))
494
495     (emit "\t.global _start")
496     (emit "\t.text")
497                                         ;    (emit ".p2align 4,,15") is this needed?
498
499     (for-each codegen-lambda lambdas)
500
501     (emit "_start:")
502
503     (initialize-heap)
504
505     (emit "movq %rsp, %rbp")            ; set up the base pointer
506     (codegen-expr xform-prog 0 '())
507
508                                         ; exit syscall
509     (emit "mov %rax, %rdi")
510     (case target
511       ('darwin (emit "movq $0x2000001, %rax"))
512       ('linux (emit "mov $60, %rax")))
513     (emit "syscall")
514
515     (emit ".data")
516
517     (emit "heap_start:")
518     (emit "\t.quad 0")
519
520     (for-each emit-string-data strings)))
521
522 (define (compile-to-binary program output t)
523   (set! target t)
524   (when (not (eq? (typecheck program) 'int)) (error #f "not an int"))
525   (let ([tmp-path "/tmp/a.s"])
526     (when (file-exists? tmp-path) (delete-file tmp-path))
527     (with-output-to-file tmp-path
528       (lambda () (codegen program)))
529
530     (case target
531       ('darwin
532        (system "as /tmp/a.s -o /tmp/a.o")
533        (system (format "ld /tmp/a.o -e _start -macosx_version_min 10.14 -static -o ~a" output)))
534       ('linux
535        (system "as /tmp/a.s -o /tmp/a.o")
536        (system (format "ld /tmp/a.o -o ~a" output))))))
537
538 ; NOTES
539 ; syscalls in linux and darwin use the following arguments for syscall instruction:
540 ; %rax = syscall #
541 ; %rdi = 1st arg
542 ; %rsi = 2nd arg
543 ; %rdx = 3rd arg
544 ; %r10 = 4th arg
545 ; %r8  = 5th arg
546 ; %r9  = 6th arg
547
548 ; on darwin, the syscall is offset by 0x2000000
549 ; https://opensource.apple.com/source/xnu/xnu-2782.20.48/bsd/kern/syscalls.master
550 ; documentation for most syscalls: /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX.sdk/usr/include/sys