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Mini C 到 Unicore 32 的编译和模拟. 徐泽骅，刘智猷，寻云波. 成果. Mini C 到 Unicore 32 平台的编译器 生成 Unicore 32 汇编 比 gcc 不开优化的结果快 20% Unicore 32 模拟器 行为级模拟 Cache 周期数估算. 任务分工. 徐泽骅：Mini C 编译器前端 刘智猷：Mini C 编译器后端 寻云波：Unicore 32 模拟器. Mini C 编译器前端. 徐泽骅. Mini C 编译器前端结构. 类型系统. 对象类型 标量类型 基本类型 一级指针 集合类型：数组 函数类型 - PowerPoint PPT Presentation
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Mini C 到 Unicore 32 的编译和模拟
徐泽骅，刘智猷，寻云波
成果• Mini C 到 Unicore 32 平台的编译器
– 生成 Unicore 32 汇编– 比 gcc 不开优化的结果快 20%
• Unicore 32 模拟器– 行为级模拟– Cache– 周期数估算
任务分工• 徐泽骅： Mini C 编译器前端• 刘智猷： Mini C 编译器后端• 寻云波： Unicore 32 模拟器
Mini C 编译器前端
徐泽骅
Mini C 编译器前端结构
类型系统• 对象类型
– 标量类型• 基本类型• 一级指针
– 集合类型：数组• 函数类型
– < 返回值 , 参数列表 > ：都是标量类型• 没有指针数组和高阶指针• 没有数组指针和函数指针
语言支持• 声明管理
– 符号表– 参数列表管理– 局部状态管理
• ID 分配及导出– 变量 ID– 标号
AST 的构造和求值• Bison 解释器自底向上构造 AST
– 组合表达式和语句– 类型推导
• 规约到最顶端的语句列表时，自顶向下求值– 语句（表达式）递归调用其子句（子表达式），并生成控制逻辑– 自顶向下求值避免了回填操作
前端优化• 没有流图？• 实际上 AST 就是流图• 没有 goto 、 break 和
continue• 逻辑短路相当于复合 if
前端优化• 在特定的执行状态中求值
– 定义一个特殊的结构，称为“执行状态”– 每个求值过程都接受一个执行状态作为参数– 执行状态影响求值的行为– 求值的过程会改变执行状态
前端优化
前端优化• 在执行状态中记录可用表达式，就实现了公共表达式优化• 在公共表达式的基础上通过三次迭代，可以实现循环常量
外提– 第一次迭代：可用表达式积累– 第二次迭代：可变表达式消除
• 消除的结果就是循环常量– 第三次迭代：生成最终代码
前端优化• int func(int *a, int b,
int c){ int i; for(i = 0; i < 10; ++i) a[b * c] = 0;}
•
LD_WORD TEMP_2 [AUTO_2 + 0*0]
LD_WORD TEMP_3 [AUTO_1 + 0*0]
MUL TEMP_4 TEMP_3 TEMP_2
LD_WORD TEMP_5 [AUTO_0 + 0*0]
LABEL_1:
MOV_ALL TEMP_12 0
ST_WORD TEMP_12 [TEMP_5 + TEMP_4*4]
ADD TEMP_8 TEMP_1 1
ST_WORD TEMP_8 [AUTO_3 + 0*0]
LD_WORD TEMP_1 [AUTO_3 + 0*0]
CSUB TEMP_0 TEMP_1 10
JMP_SLT LABEL_1
IR to Assembly
刘智猷
要解决的问题• 需要保证中间代码中 Call/Return 语句的语义
– 维护不同过程的栈帧– 按调用约定保存和恢复寄存器
• 将数量无限的临时变量映射到有限个寄存器上– 基于图染色算法的寄存器分配
Interference Graph
t1 = 1t2 = 2t3 = t1 + t2t4 = t1 + 3t5 = t1 + t2
t1 t2 t3
t4 t5
t1-t5 are not live
Slides make by Wei Li ,in Standford CS243
Register Assignment
t1/r1 t2/r2 t3/r3
t4/r3 t5/r1
Slides make by Wei Li ,in Standford CS243
另外一些小问题• 32 位定长指令系统， 32 位地址空间• 不能给寄存器赋值一个静态变量的指针
– 在代码段中预先保存需要用的静态变量指针• 不能直接将一个寄存器赋值为大整数
– 用 Mov 和位移凑• 对指令中的立即数大小有限制
– 为不能处理的立即数分配寄存器
MiniC vs MiniJava ：优化视角• 优点
– 没有继承• 新问题：存在指针，潜在地修改其他变量的值。
int *p; int a, b, c, d;if ( some_cond)
p = &a;else
p = &b;*p = a + b;
MiniC vs MiniJava ：优化视角• 另一个问题：中间表示中使用保守的 Load/Store策略 : 每
个 MiniC 中的变量存储在一块地址空间中 ,更新变量时 Load 到 Temp 变量上 ,计算 ,再存回。
• 产生大量的 Load/Store 指令
MiniC vs MiniJava ：优化视角
ST_WORD TEMP_-1 [AUTO_0 + 0*0] ST_WORD TEMP_-2 [AUTO_1 + 0*0] LD_WORD TEMP_1 [AUTO_0 + 0*0] LD_WORD TEMP_0 [TEMP_1 + 0*0] ST_WORD TEMP_0 [AUTO_2 + 0*0] LD_WORD TEMP_3 [AUTO_1 + 0*0] LD_WORD TEMP_2 [TEMP_3 + 0*0] ST_WORD TEMP_2 [TEMP_1 + 0*0] LD_WORD TEMP_4 [AUTO_2 + 0*0] ST_WORD TEMP_4 [TEMP_3 + 0*0] RETURN
void swap(int* a, int* b) { int tmp; tmp = *a; *a = *b; *b = tmp;}
别名分析• 对 C 语言中的指针 : 分析每个 Temp 变量在每个点上做为
指针可能指向的变量• 对于多余的 Load/Store: 分析每个 Temp 变量在每个点上
一定存有的变量 .
• 还应考虑数组：指针和数组有同样的表示。例如： int*
别名分析• 为每个变量定义三个属性• hold ：该变量在当前点一定存储着的变量• ref ：该变量做为指针可能指向的变量• offseted ：该变量做为指针是否做过偏移（即是否可能指
向数组变量的非 0元素）• 使用数据流分析方法计算这三个变量
别名分析 -例子• Mov temp1, temp2
– temp1.hold = temp2.hold– temp1.ref = temp2.ref– temp1.offseted = temp2.offseted
• Add temp1 ， var2, var3– temp1.hold = { }– temp1.ref = temp1.ref – temp1.offseted = true;
别名分析 -例子• Load temp1, auto1
– temp1.hold = {auto1}– temp1.ref = auto1.ref– temp1.offseted = auto.offseted
• Load temp1 ， [temp2 + offset]
– temp1.hold = {}– 由于 MiniC 中不存在指针数组， temp1 的 ref 和 offseted已经没
有意义了
别名分析 -例子• Call function, arg temp1
– clear temp1.ref in all holds (and static var)– all offseted of temp1.ref set as true
• Store temp1, auto1– clear all {auto1} in holds– temp1.hold = {auto1} + temp1.hold– auto1.ref = temp1.ref– auto.offseted = temp1.offseted
别名分析的使用• 所有的数据流分析都基于正确的别名分析信息
• 在分析指令行为时要充分考虑到别名信息– 例子：到达定值
• Store 可能对所有的引用定值
别名分析的使用： Load 消除• 对一个 Load 指令， 如果能确定其 Load 的目标，同时有
一个临时变量 hold 了该目标，可以用 Mov 代替这个 Load ，后继的复写传播可以进一步消除 Mov
ST_WORD TEMP_-1 [AUTO_0 + 0*0] ST_WORD TEMP_-2 [AUTO_1 + 0*0] LD_WORD TEMP_1 [AUTO_0 + 0*0] LD_WORD TEMP_0 [TEMP_1 + 0*0] ST_WORD TEMP_0 [AUTO_2 + 0*0] LD_WORD TEMP_3 [AUTO_1 + 0*0] LD_WORD TEMP_2 [TEMP_3 + 0*0] ST_WORD TEMP_2 [TEMP_1 + 0*0] LD_WORD TEMP_4 [AUTO_2 + 0*0] ST_WORD TEMP_4 [TEMP_3 + 0*0] RETURN
ST_WORD TEMP_-1 [AUTO_0 + 0*0] ST_WORD TEMP_-2 [AUTO_1 + 0*0] MOV_ALL TEMP_1 TEMP_-1 LD_WORD TEMP_0 [TEMP_1 + 0*0] ST_WORD TEMP_0 [AUTO_2 + 0*0] MOV_ALL TEMP_3 TEMP_-2 LD_WORD TEMP_2 [TEMP_3 + 0*0] ST_WORD TEMP_2 [TEMP_1 + 0*0] MOV_ALL TEMP_4 TEMP_0 ST_WORD TEMP_4 [TEMP_3 + 0*0] RETURN
Store 消除
• 对一个 Store 指令，将其看成一次 define 。如果该 define的所有可达使用都存在别的变量 hold 其 define 的变量，可以删除该 Store
ST_WORD TEMP_-1 [AUTO_0 + 0*0] ST_WORD TEMP_-2 [AUTO_1 + 0*0] MOV_ALL TEMP_1 TEMP_-1 LD_WORD TEMP_0 [TEMP_1 + 0*0] ST_WORD TEMP_0 [AUTO_2 + 0*0] MOV_ALL TEMP_3 TEMP_-2 LD_WORD TEMP_2 [TEMP_3 + 0*0] ST_WORD TEMP_2 [TEMP_1 + 0*0] MOV_ALL TEMP_4 TEMP_0 ST_WORD TEMP_4 [TEMP_3 + 0*0] RETURN
MOV_ALL TEMP_1 TEMP_-1 LD_WORD TEMP_0 [TEMP_1 + 0*0] MOV_ALL TEMP_3 TEMP_-2 LD_WORD TEMP_2 [TEMP_3 + 0*0] ST_WORD TEMP_2 [TEMP_1 + 0*0] MOV_ALL TEMP_4 TEMP_0 ST_WORD TEMP_4 [TEMP_3 + 0*0] RETURN
复写传播之后
LD_WORD TEMP_0 [TEMP_-1 + 0*0] LD_WORD TEMP_2 [TEMP_-2 + 0*0] ST_WORD TEMP_2 [TEMP_-1 + 0*0] ST_WORD TEMP_0 [TEMP_-2 + 0*0] RETURN
void swap(int* a, int* b) { int tmp; tmp = *a; *a = *b; *b = tmp;}
Unicore32体系实习模拟器部分
寻云波
完成内容• 因为初期的目标是完成一个供编译实习使用的 Unicore32
模拟器，所以重点是保证 Unicore32 模拟器的功能集，没有采用流水线结构，实现了下面几个功能：
• Unicore32功能集；• 简单的 Debug 模式；• Unicore32运行周期的统计；• Cache；
流程• 通过运行参数获得运行的文件以及模式；• 初始化内存寄存器，读入运行文件（ ELF ）加载到内存
中；• 通过读入 ELF文件的信息，运行代码，其中栈段从
0x0c000000 开始；同时进行系统性能和 Cache 的统计。• 程序运行结束之后，输出运行时统计的信息
Unicore32功能集• 这部分主要完成了 Unicore32手册上所给的所有指令：• 其中 ALU计算、跳转、读取等 6 个操作已经在中期报告
中有详细说明。• 处理 LDM 操作，即把多项寄存器的内容压入栈中：因为手册中没有给运行参数，所以在编译时进行了处理优化
Unicore32功能集• 系统调用处理：完成了基本的 I/O 处理，及输入输出整型，字符型，字符串 6 个功能。
• 因为在指令手册中只告诉了系统调用的进入参数，具体功能参数并没有告诉。
• 具体参数是从 0x50 开始，一直到 0x55 ：分别是：读入整型，读入字符、读入字符串，输出整型，输出字符，输出字符串。
• 其中 r0 保存的参数为：读入操作是需要保存的内存地址，输出整型、字符是输出的值，输出字符串是输出字符串在内存中的地址，以 \0 结束。
简单 Debug 模式• 主要是进行调试，用来处理检查模拟器和编译出的汇编代
码可能出现的错误• 通过 ./SIM <> D来开启 Debug 模式。• 每次运行完一条语句都会输出寄存器当前的信息。• N:运行下一句。• R ：输出寄存器信息。• C:输出状态寄存器信息 4 个值 NZCV 的信息。• E ：退出模拟器。• S ：关闭 Debug 模式
Unicore32运行的周期统计• 根据 5 级流水，进行周期的粗略估计：• 处理的情况有：数据冒险和跳转冒险。• 数据冒险：只有在出现前一条指令从内存中读入一个数，
后一条指令就使用时；• 跳转冒险：只出现在条件跳转下；• 对于这两个冒险处理是加入一个气泡（总周期数加 1 ）。
Cache• Cache 基本信息：大小 1024byte ，高速缓存块大小
32btye ，高速缓存组数 16 组，采用两路组相联高速缓存，以及用最不常使用策略进行替换。
• 考虑到代码段和数据段：用 I-Cache 和 D-Cache来进行分别的统计。
• Cache 的加入主要是进行 Cache命中率的分析，用来测试前面翻译成汇编代码的运行优化效率。
• Cache Hit 和 Miss 以及 Cache命中率统计情况。
最后总结• 完成了 Unicore32 模拟器，并且能够跑出所有对所有的指
令。• 加入 Debug 模式，用来调试正确性。• 加入了 Cache 和周期的统计，用来测试编译器优化的效率。
• 不足：运行时间过长，一旦运行指令过多时，所运行时间会很长。
