第0頁：各位同學(xué)，我們今天來講的是miniCC編譯工具鏈，這是我們課程組的老師對標(biāo)gcc等來自主開發(fā)的。gcc功能強大，可靠性高，但源代碼有一百多萬行，想要深入理解其中的原理，非常困難。而miniCC的源代碼大概在一萬多行左右，用java來開發(fā)，容易理解。源代碼都向大家開放，前面幾屆都有同學(xué)基于這些源碼進(jìn)行了完善，大家如果有興趣來參與其中，也可以跟老師聯(lián)系。第1頁：所謂的編譯工具鏈，就是輸入符合要求的程序，然后輸出可執(zhí)行的代碼。在計算機的世界里，約定無處不在，這個c語言規(guī)范就是我們與編譯工具鏈的一種約定，只有按照規(guī)范來寫代碼，才符合我們編譯工具鏈的輸入要求，gcc是能支持完整的c語言規(guī)范，我們的miniCC只支持c語言的子集。后面我們要接觸到的匯編語言、機器指令、可執(zhí)行文件的格式等等，都是人制定的規(guī)范，都是軟件硬件之間進(jìn)行交流的約定。大家可以看右邊的這個圖，當(dāng)我們寫好一個c的代碼時，如果我們不清楚這個c語言規(guī)范，那么就無法知道這個c代碼的執(zhí)行結(jié)果，但我們在大一的時候?qū)W習(xí)了c語言的這個規(guī)范，明白這個約定，那么我們的大腦就具有了c語言的編譯功能，當(dāng)然每個人的編譯能力有強有弱。gcc編譯工具鏈把整個編譯過程，分成了編譯、匯編、鏈接等步驟，也就是說，編譯工具鏈包括了編譯器、匯編器、鏈接器等工具。對于普通用戶來說，只要關(guān)注輸入輸出即可，但我們是計算機專業(yè)的學(xué)生，需要搞清楚這中間每一步發(fā)生了什么，需要自己去調(diào)整和優(yōu)化，甚至還有可能要寫這些工具。我們的miniCC就是一個很好的例子，上個學(xué)期我們所實現(xiàn)的cpu，gcc是沒有辦法把一個c代碼編譯成我們cpu上可以執(zhí)行的代碼，因此就需要自己來實現(xiàn)編譯工具鏈。下面我們就來詳細(xì)介紹下miniCC。第2頁：這是miniCC編譯器的功能。它的作用是將c代碼轉(zhuǎn)換成匯編語言，這中間還會有一個過程，就是先將c代碼轉(zhuǎn)成四元組。左邊是一個非常簡單的c代碼，右邊是轉(zhuǎn)換后的四元組，請大家注意，四元組是一種更抽象和簡單的形式表示源代碼的操作，四個元素分別是操作符，第一個操作數(shù)，第二個操作數(shù)，操作結(jié)果，這與哪一種編程語言無關(guān)，與在什么樣的機器上運行也無關(guān)。我們來簡單看下這個c代碼生成的四元組，第一行，就是輸入整數(shù)a的值，第二行就對應(yīng)著左邊的賦值語句c=0，而整個for循環(huán)就對應(yīng)著第三行到第10行這8個四元組，第三行是for循環(huán)的賦初值b=a，第四行就是判斷一下b是否大于0，如果大于0，則跳轉(zhuǎn)到第8行，如果小于等于0，就不跳轉(zhuǎn)，接著執(zhí)行第五個四元組，第五個就是直接跳轉(zhuǎn)第11行，也就是結(jié)束循環(huán)，準(zhǔn)備執(zhí)行輸出c的值，而第8行則是滿足循環(huán)的條件，開始執(zhí)行循環(huán)體中的語句，將b的值與c相加，結(jié)果放到臨時變量T1中，然后第9行就是將這個臨時變量賦值給b，完成了c=c+b這一語句，第10行是直接跳轉(zhuǎn)到第6行，將b的值減1，然后直接跳轉(zhuǎn)到第4行，再次判斷是否需要循環(huán)。編譯器涉及到的知識在《編譯原理》課程中會進(jìn)行詳細(xì)的講解，我們課程組基于javaCC對這個過程進(jìn)行了簡化，以現(xiàn)在大家的編程能力，也是可以來實現(xiàn)一個編譯器的，我們在頭歌平臺上設(shè)計了一個闖關(guān)實驗，大概一千多行代碼拆解成了28關(guān)，同學(xué)們可以去試試。第3頁：下一步，編譯器就需要將四元組轉(zhuǎn)成匯編代碼，從這個階段開始，就需要考慮具體的機器類型了。比如我們是需要轉(zhuǎn)換成我們原型機上能執(zhí)行的代碼，這就是轉(zhuǎn)換的結(jié)果，可以看到，每一個四元組都轉(zhuǎn)換成了若干條原型機匯編指令。為了便于大家學(xué)習(xí)，每一條匯編指令后面都加了詳細(xì)的注釋。第4頁：cpu只能執(zhí)行機器指令，因此需要將匯編代碼轉(zhuǎn)成機器指令，這種轉(zhuǎn)換需要參照指令集的說明，例如我們上個學(xué)期的cpu就有這樣的一個表，說明了如何將匯編指令轉(zhuǎn)成機器碼。我們的模擬器vspm可以直接運行匯編代碼，因此這一步就可以略過。第5頁：下一步就是鏈接器，它的作用是按照操作系統(tǒng)等的約定，把生成的這些機器指令，加上一些信息，組裝成一個操作系統(tǒng)認(rèn)可的文件，這樣就可以交給操作系統(tǒng)了。而在我們的原型機模擬器中，直接就約定了第一行是一個數(shù)字，表示需要分配的數(shù)據(jù)段大小，而后面的字節(jié)，則是按行來裝入指令，因此原型機的鏈接器非常簡單，就是計算一下變量和臨時變量的個數(shù)，將這個值和匯編指令寫到一個文檔中，然后vspm就可以來執(zhí)行了。第6頁：miniCC不僅僅是能實現(xiàn)原型機上的匯編和鏈接，還能夠?qū)崿F(xiàn)ubunut操作系統(tǒng)上的匯編和鏈接，當(dāng)然前面的c代碼到四元組還是一樣的過程。第7頁：因為我們的目標(biāo)系統(tǒng)是intelCPU+32位Ubuntu操作系統(tǒng)，所以將四元組轉(zhuǎn)換成了這個環(huán)境下的匯編代碼。不同環(huán)境下的匯編代碼都各不相同，因此需要根據(jù)不同環(huán)境下的約定，將四元組轉(zhuǎn)成適合這個環(huán)境的匯編代碼。目前我們還只是實現(xiàn)了這個環(huán)境下的功能，歡迎同學(xué)們來加入到開發(fā)團隊，生成不同環(huán)境下匯編指令的轉(zhuǎn)換程序。第8頁：在匯編指令生成后，就需要轉(zhuǎn)成機器指令，我們的目標(biāo)是x86intelCPU，所以就需要詳細(xì)了解intel的約定，這個約定有點復(fù)雜，所以實現(xiàn)的代碼也有點兒長，大概有1500多行，最后實