Lisp Meet Up #27, 8-bit PIC マイコン用ネイティブコンパイラの作成（後編）

8-bit PIC マイコン用ネイティブコンパイラの作成（後編）

2015.4.27 Masayuki Takagi

Lisp Meet Up presented by Shibuya.lisp #27

© 2015 Masayuki Takagi-2-

自己紹介

高木雅之

cl-cuda : a library to use NVIDIA CUDA in Common LispCommon Lisp から CUDA を使うライブラリ。昨年ここで紹介しました。

仕事は？１月に会社を設立。お見積もりお受けします。

Common Lisp

@kamonama


前回のおさらい - 動機

これまで、まともにアセンブラを書いたことがなかったのです。

１月下旬：はじめての PIC マイコン

２月上旬：はじめてのアセンブラ

PIC マイコンをはじめて触りました。

PIC で何作ろう？PIC用のコンパイラ作ろう。

２月中旬：PIC 用のコンパイラ


前回のおさらい - 前回のサマリ

ピン配置

メモリアーキテクチャ

プログラムメモリ

データメモリ

スペシャル・ファンクション・レジスタ

W レジスタ

命令セット

前回は、主に PIC マイコンのアーキテクチャを説明しました。


前回のおさらい - 話の流れ

そのあと、今回作った、PIC マイコン用のコンパイラについて説明します。

PIC マイコンについて

PIC マイコン用コンパイラについて

最初に、PIC マイコン自体について説明します。

基本的な内容なので、知っている人はニヤニヤしながら聞いていてください


コンパイラについて - コンパイラの概要

ホスト言語は、ML 系言語の本当に小さなサブセット。ただし S 式表現

ターゲット言語は、 8 ビット PIC マイコンのアセンブリ

コンパイラ言語は、Common Lisp

コンパイラの設計は、MinCaml をベースにした（MinCaml ですみません…）

8 ビット PIC

アセンブリ

ML 系言語

サブセット

（S 式表現）

Common Lisp

ホスト言語ホスト言語ターゲット言語ターゲット言語コンパイラ言語コンパイラ言語


コンパイラについて - 構文

リテラル 42

変数参照 x

減算 -

条件分岐 if

変数束縛 let

局所関数定義 let

関数適用 (f x y)

繰り返し loop

I/O setreg

リテラルは、8ビット符号無し整数のみ提供。

関数の引数や let 式で定義された変数を参照する。

いったん、8ビット符号無し整数の減算のみ提供。

いったん、整数の等値比較による条件分岐のみ提供。

let 式によって、変数を定義できる。

let 式によって、局所関数を定義できる。束縛の要素数によって、変数束縛構文と区別する。クロージャは採用しない。

大域関数や局所関数に対する関数呼び出し。

PIC アセンブリの DECFSZ 命令にコンパイルされる効率的な繰り返しを提供。

スペシャル・ファンクション・レジスタに対する I/O を提供。例外的に、副作用を持つ構文。

今回のコンパイラは、いったん以下の構文を提供しています。


コンパイラについて - loop 構文

繰り返しを、構文として提供

当初は、関数の再帰呼び出しに展開される PIC マクロを定義していた

→ループ変数の管理が必要

PIC の DECFSZ 命令にコンパイルされるよう、改めて構文として定義

loop 構文

movlw 02Ah

movwf L0

_LOOP7

call _DO_SOMETHING

decfsz L0,f

goto _LOOP7

retlw 000h

この loop 構文は、以下の PIC アセンブリにコンパイルされる。

(loop 42

(do-something))

以下のように loop 構文を使用する。

Common Lisp マクロ

PIC マクロ

以下の中での設計選択

構文

コンパイラでの最適化

インライン・アセンブラ


コンパイラについて - progn PICマクロ

逐次処理は、入れ子の let 式で表現する（専用の構文を設けない）

簡単のため、progn PICマクロを提供

無駄な mov 命令は、アセンブリ出力時に排除し最適化

progn PICマクロ

(let ((tmp (setreg :gpio #x20)))

(let ((tmp (mdelay 50)))


(mdelay 950))))

progn PICマクロは、以下のように入れ子の let 式に展開される。

(progn

(setreg :gpio #x20) ; LED を点灯

(mdelay 50) ; 50ms の遅延

(setreg :gpio #x00) ; LED を消灯

(mdelay 950)) ; 950ms の遅延

逐次処理は、progn PICマクロを使って以下のように記述できる。


コンパイラについて – 呼び出し規約(1/2)

ハードウェアには、「関数呼び出し」の概念はない

あるのは、サブルーチン・コールのみ

「関数呼び出し」を実現するために、引数と戻り値の受け渡しのルールが必要

ソフトウェア・スタックに引数を積んで引き渡し

X86 系 CPU の push/pop 命令に相当

間接アドレシングが煩雑なため、方針変更

なぜ呼び出し規約が必要か？なぜ呼び出し規約が必要か？

当初の設計当初の設計


コンパイラについて – 呼び出し規約(2/2)

入力用疑似レジスタ（I0-I7）、ローカル用疑似レジスタ（L0-L7）

MIPS や Sparc の呼び出し規約を参考

引数は、入力用疑似レジスタに格納して、呼び出される関数に渡す

戻り値は、W レジスタに格納して返す

関数呼び出し時に、「生きているレジスタ」をスタックに退避する

変更後の設計変更後の設計


コンパイラについて - コンパイルステージ

マクロ展開

インライン化

K 正規化

α変換

β簡約

let の平坦化

アセンブリ生成

レジスタ割り当て

即値最適化

仮想マシンコード生成

クロージャ変換

不要定義削除

以下のように、ホスト言語で記述されたプログラムを少しずつ変換して、ターゲット言語のプログラムを得ます。


コンパイルステージ(1/12) - マクロ展開

コンパイルされる式に含まれるマクロを展開

マクロは、DEFPICMACRO マクロで定義

式を走査し、マクロがあれば再帰的に走査

マクロ展開

;; delay for 500ms

(mdelay 500)

(progn

(loop 1

(loop 0 (mdelay1)))

(loop 244 (mdelay1)))

マクロ展開前のコードを以下とすると、

以下のように、MDELAY PICマクロが展開される。

(defpicmacro mdelay (n)

(check-type n (unsigned-byte 16))

(multiple-value-bind (q r) (truncate n 256)

(cond

((and (> q 0) (> r 0))

`(progn

(loop ,q (loop 0 (mdelay1)))

(loop ,r (mdelay1))))

((> q 0) `(loop ,q (loop 0 (mdelay1))))

((> r 0) `(loop ,r (mdelay1)))

(t '(nop)))))

以下のように、MDELAY PICマクロが定義されているとする。

マクロ展開インライン化 K 正規化 α変換 β簡約 letの平坦化不要定義削除クロージャ変換仮想マシンコード即値最適化レジスタ割り当てアセンブリ出力


コンパイルステージ(2/12) - インライン化

大域関数や局所関数を、呼び出し元に展開

関数呼び出しに伴う処理（レジスタの退避、引数の受け渡し、ジャンプ）を削減

パフォーマンス上、非常に有効

ただし、デメリットもある（コードの肥大化、コンパイル時間の増大） → どこまで実施？

インライン化

(loop 255

(mdelay1))

(loop 255

(loop #xf8

(nop)))

インライン化される前のコードを以下とすると、

このコードは、以下のように MDELAY1 PIC関数がインライン化される。

(defpic mdelay1 ()

(loop #xf8 ; 0xF8 is a magic number to delay

(nop))) ; for 1 msec

以下のように、MDELAY1 PIC関数が定義されているとする。

マクロ展開 K 正規化 α変換 β簡約 letの平坦化不要定義削除クロージャ変換仮想マシンコード即値最適化レジスタ割り当てアセンブリ出力インライン化


コンパイルステージ(3/12) – K 正規化

式の評価の途中結果を、一時変数に格納する

アセンブリは、複雑な式を一度に計算できない

複雑な式を、よりアセンブリに近い簡単な式に分解する

K 正規化

(let ((tmp1 (+ x y))

(+ tmp1 z))

この式を K 正規化し、途中の評価結果を一時変数に格納することで、以下の式が得られる。

(+ (+ x y) z)

以下のように、ある式の評価結果を別の式の引数に使う式があるとする。

マクロ展開インライン化 α変換 β簡約 letの平坦化不要定義削除クロージャ変換仮想マシンコード即値最適化レジスタ割り当てアセンブリ出力K 正規化


コンパイルステージ(4/12) – α変換

異なる変数に、異なる名前を付ける

後のコンパイルの過程が簡単になる

今回は、変数名だけでなく、関数名についても同様の変換を行う

α変換

(let ((x1 (+ 1 2)))

(let ((x2 (+ x1 3)))

x2))

この式をα変換し、変数 x に別々の名前を付ける。

(let ((x (+ 1 2)))

(let ((x (+ x 3)))

x))

以下のように、（たまたま）同じ名前の変数 x に値を束縛する式があるとする。

マクロ展開インライン化 K 正規化 β簡約 letの平坦化不要定義削除クロージャ変換仮想マシンコード即値最適化レジスタ割り当てアセンブリ出力α変換


コンパイルステージ(5/12) – β簡約

ある変数が別の変数に束縛されているとき、被束縛変数を束縛変数で置き換える

λ計算におけるβ簡約（≒関数適用）の特殊な形

β簡約

(+ y y)

この式をβ簡約し、変数 x を変数 y で置き換える。伴い、let 束縛は取り除かれる。

(let ((x y))

(+ x y))

以下のように、変数 x に変数 y が束縛されているとする。

マクロ展開インライン化 K 正規化 α変換 letの平坦化不要定義削除クロージャ変換仮想マシンコード即値最適化レジスタ割り当てアセンブリ出力β簡約


コンパイルステージ(6/12) – let の平坦化

let 式の束縛式の中に、ネストして let 式が現れるとき、それを平坦化する

let の平坦化

(let ((y 1))

(let ((x (+ y 2)))

(+ x 3)))

これを、束縛式の中の let 式を外側に移しその本体式を変数に束縛することで、平坦化する。

(let ((x (let ((y 1))

(+ y 2))))

(+ x 3))

以下のように、let 式の束縛式の中にネストして let 式が現れる式があるとする。

マクロ展開インライン化 K 正規化 α変換 β簡約不要定義削除クロージャ変換仮想マシンコード即値最適化レジスタ割り当てアセンブリ出力letの平坦化


コンパイルステージ(7/12) – 不要定義削除

使われていない変数束縛や局所関数定義を取り除く

このような変数束縛や局所関数定義は、インライン化や定数畳み込みで生じる

ただし、副作用を伴う束縛は取り除かないものとする

不要定義削除

(let ((f (x y)

(+ x y)))

(+ 1 2))

(+ 1 2)

関数 f は、その呼び出し元でインライン化される。

他に関数 f を呼び出す箇所がない場合、関数 f の定義を取り除くことができる。

(let ((f (x y)

(+ x y)))

(f 1 2))

以下のように、局所関数定義 f とその関数呼び出しがあるとする。


(mdelay 950))

ただし、逐次処理に伴う副作用を持つ束縛は、取り除かない。

マクロ展開インライン化 K 正規化 α変換 β簡約 letの平坦化クロージャ変換仮想マシンコード即値最適化レジスタ割り当てアセンブリ出力不要定義削除


コンパイルステージ(8/12) – クロージャ変換

今回は、クロージャを採用しない（第一級の関数や自由変数は扱わない）

簡単のため、局所関数定義を式の外側に移動するにとどめる

局所定義関数は、大域関数定義に続けてアセンブリにコンパイルされる

クロージャ変換

(let ((f (x y)

(+ x y)))

(let ((a 1))

(f a 2)))

簡単のため、局所関数定義を外側へ移動する。

(let ((a 1))

(let ((f (x y)

(+ x y)))

(f a 2)))

以下のように、局所関数 f が定義されているとする。

マクロ展開インライン化 K 正規化 α変換 β簡約 letの平坦化不要定義削除仮想マシンコード即値最適化レジスタ割り当てアセンブリ出力クロージャ変換


コンパイルステージ(9/12) – 仮想マシンコード生成

最適化された式を、仮想マシンコードに変換する

基本的には、Sparc の命令に対応

ただし、非線形な仮想マシンコード

let 命令の束縛式か本体式かが、リンケージに対応

仮想マシンコード生成

(let ((x (set 1)))

(let ((y (add 1 2)))

(add x y)))

この式は、以下の仮想マシンコードに変換される。

(let ((x 1))

(let ((y (+ 1 2)))

(+ x y)))

以下のような式があるとする。

let 命令 letrec 命令

set 命令 mov 命令

sub 命令 ifeq 命令

loop 命令 call 命令

setreg 命令 with-save 命令

仮想マシンコードの一覧

:tail

(:non-tail REG)

リンケージ

関数末尾

関数非末尾（REGへの格納）

restore 命令

マクロ展開インライン化 K 正規化 α変換 β簡約 letの平坦化不要定義削除クロージャ変換即値最適化レジスタ割り当てアセンブリ出力仮想マシンコード


コンパイルステージ(10/12) – 即値最適化

可能な場合、即値をオペランドにとる命令を使うことで最適化

clrf 命令、movlw 命令、retlw 命令など

即値最適化

(let ((x (set 1)))

(add x 2))

movlw 001h

movwf L0

movlw 002h

movwf L1

movf L1,w

addwf L0,w

return

即値最適化により、以下の仮想マシンコードに変換できる。

即値最適化により、最終的なアセンブリが以下のようになる。

(let ((x (set 1)))

(let ((y (set 2)))

(add x y)))

以下の仮想マシンコードがあるとする。

movlw 001h

movwf L0

movlw 002h

addwf L0,w

return

即値最適化前（7命令）即値最適化後（5命令）

マクロ展開インライン化 K 正規化 α変換 β簡約 letの平坦化不要定義削除クロージャ変換仮想マシンコードレジスタ割り当てアセンブリ出力即値最適化


コンパイルステージ(11/12) – レジスタ割当て

変数（≒無限に存在する仮想レジスタ）に、レジスタを割り当てる

ソフトウェア的な疑似レジスタ :L0 - :L7 を、順に割り当てる

レジスタの数が足りない場合は：

「死んでいる」レジスタを再利用

それでも足りない場合、ソフトウェア・スタックに退避

レジスタ割当て

(let ((:L0 (set 1)))

(let ((:L1 (set 2)))

(add :L0 :L1)))

変数に、レジスタを割り当てる。

(let ((x (set 1)))

(let ((y (set 2)))

(add x y)))

以下の仮想マシンコードがあるとする。

マクロ展開インライン化 K 正規化 α変換 β簡約 letの平坦化不要定義削除クロージャ変換仮想マシンコード即値最適化アセンブリ出力レジスタ割り当て


コンパイルステージ(12/12) – アセンブリ出力

仮想マシンコードを PIC のアセンブリに変換する

非線形のマシンコードを走査し、線形の PIC アセンブリに変換する

リンケージに応じ、レジスタに MOV するか、関数から RETURN する

アセンブリ出力

((movlw 1) ; (set 1) to :L0

(movwf :L0)

(movlw 2) ; (set 2) to :L1

(movwf :L1)

(movf :L1 :w) ; (add :L0 :L1) and set W reg

(addwf :L0 :w)

(return)) ; return to the caller

movlw 001h

movwf L0

movlw 002h

movwf L1

movf L1,w

addwf L0,w

return

この仮想マシンコードは、いったん PIC アセンブリの S 式表現に変換される。

S 式で表現された PIC アセンブリは、以下の PIC アセンブリに変換され出力される。

(let ((:L0 (set1)))

(let ((:L1 (set 2)))

(add :L0 :L1)))

以下のような、レジスタ割り当て済みの仮想マシンコードがあるとする。

マクロ展開インライン化 K 正規化 α変換 β簡約 letの平坦化不要定義削除クロージャ変換仮想マシンコード即値最適化レジスタ割り当てアセンブリ出力

実行例


実行例 – LED 点滅サンプル

(defpic mdelay1 ()

(loop #xf8 ; 0xF8 is a magic number to delay

(nop))) ; for 1 msec




(cond

((and (> q 0) (> r 0)) `(progn





(t '(nop)))))

(defpic init ()

(progn

(setreg :gpio #x0) ; clera GP0-5

(setreg :cmcon0 #x07) ; disable comparator

(setbank1) ; switch to bank 1

(setreg :trisio #x08) ; only GP3 is input mode

(setreg :ansel #x00) ; disable analog IO

(setreg :ioc #x00) ; disable interruption


(setreg :intcon #x00))) ; disable interruption

(defpic main ()

(progn

(setreg :gpio #x20) ; set GP5 to high

(mdelay 50) ; delay for 50 msec

(setreg :gpio #x00) ; set GP5 to low


(main))) ; repeat

LED 点滅サンプル - led.lisp

mdelay1 PIC関数処理を 1ms 遅延させる

mdelay PICマクロ指定したマイクロ秒だけ、処理を遅延させる

8ビット整数のため、一重のループでは 255ms まで。1秒を表現できず不便

マクロにすることで、65535ms まで表現可能。

init PIC関数ブート時に１度だけ実行される特殊関数

ここで、必要な初期設定を行う

main PIC関数 init PIC関数の後に実行される特殊関数

ここで、メイン処理を行う

しばしば、自己再帰ループを構成する


実行例 – LED 点滅サンプル – mdelay1 PIC関数

_MDELAY1

MOVLW 0F8h

MOVWF L0

_LOOP3

CLRF NULL

DECFSZ L0,F

GOTO _LOOP3

RETLW 000h

;;; 0xF8 is a magic number to delay

;;; for 1 msec.

(defpic mdelay1 ()

(loop #xf8

(nop)))

コンパイル前コンパイル前アセンブリアセンブリ


実行例 – LED 点滅サンプル – mdelay PICマクロ




(cond

((and (> q 0) (> r 0))

`(progn





(t '(nop)))))

(defpic mdelay950 ()

(mdelay 950))

コンパイル前コンパイル前

_MDELAY950

MOVLW 003h

MOVWF L0

_LOOP11

CLRF L1

_LOOP12

MOVLW 0F8h

MOVWF L2

_LOOP13

CLRF NULL

DECFSZ L2,F

GOTO _LOOP13

DECFSZ L1,F

GOTO _LOOP12

DECFSZ L0,F

GOTO _LOOP11

MOVLW 0B6h

MOVWF L4

_LOOP14

MOVLW 0F8h

MOVWF L5

_LOOP15

CLRF NULL

アセンブリアセンブリ

DECFSZ L5,F

GOTO _LOOP15

DECFSZ L4,F

GOTO _LOOP14

RETLW 000h


実行例 – LED 点滅サンプル – init PIC関数

_INIT

CLRF GPIO

MOVLW 007h

MOVWF CMCON0

MOVLW 020h

MOVWF STATUS

MOVLW 008h

MOVWF TRISIO

CLRF ANSEL

CLRF IOC

CLRF STATUS

CLRF INTCON

RETURN

(defpic init ()

(progn

(setreg :gpio #x0) ; clear GP0-5

(setreg :cmcon0 #x07) ; disable comparator


(setreg :trisio #x08) ; only GP3 is input mode

(setreg :ansel #x00) ; disable analog IO

(setreg :ioc #x00) ; disable interruption


(setreg :intcon #x00))) ; disable interruption



実行例 – LED 点滅サンプル – main PIC関数

_MAIN

MOVLW 020h

MOVWF GPIO

MOVLW 032h

MOVWF L1

_LOOP4

MOVLW 0F8h

MOVWF L2

_LOOP5

CLRF NULL

DECFSZ L2,F

GOTO _LOOP5

DECFSZ L1,F

GOTO _LOOP4

CLRF GPIO

MOVLW 003h

MOVWF L5

_LOOP6

CLRF L6

_LOOP7

MOVLW 0F8h

MOVWF L7

_LOOP8

(defpic main ()

(progn

(setreg :gpio #x20) ; set GP5 to high


(setreg :gpio #x00) ; set GP5 to low


(main))) ; repeat


CLRF NULL

DECFSZ L7,F

GOTO _LOOP8

DECFSZ L6,F

GOTO _LOOP7

DECFSZ L5,F

GOTO _LOOP6

MOVLW 0B6h

MOVWF L0

_LOOP9

MOVLW 0F8h

MOVWF L1

_LOOP10

CLRF NULL

DECFSZ L1,F

GOTO _LOOP10

DECFSZ L0,F

GOTO _LOOP9

GOTO _MAIN


実行例 – LED 点滅サンプル – 生成されるアセンブリ

INCLUDE"p12f683.inc"

list p=12f683

__CONFIG _CP_OFF & _CPD_OFF & _WDT_OFF & _BOD_ON & _IESO_OFF& _PWRTE_ON & _INTOSCIO & _MCLRE_OFF

CBLOCK 020h

L0,L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7

I0,I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7

NULL

SP,STMP,STK

ENDC

ORG 0

GOTO MAIN

ORG 4

GOTO INTR

_INTR

RETURN

_INIT

CLRF GPIO

MOVLW 007h

MOVWF CMCON0

MOVLW 020h

MOVWF STATUS

MOVLW 008h

MOVWF TRISIO

CLRF ANSEL

CLRF IOC

CLRF STATUS

CLRF INTCON

RETURN

_MAIN

MOVLW 020h

MOVWF GPIO

MOVLW 032h

MOVWF L1

_LOOP1

MOVLW 0F8h

MOVWF L2

_LOOP2

CLRF NULL

DECFSZ L2,F

GOTO _LOOP2

DECFSZ L1,F

GOTO _LOOP1

CLRF GPIO

MOVLW 003h

MOVWF L5

_LOOP3

CLRF L6

_LOOP4

MOVLW 0F8h

MOVWF L7

_LOOP5

CLRF NULL

DECFSZ L7,F

GOTO _LOOP5

DECFSZ L6,F

GOTO _LOOP4

DECFSZ L5,F

GOTO _LOOP3

MOVLW 0B6h

MOVWF L0

_LOOP6

MOVLW 0F8h

MOVWF L1

_LOOP7

CLRF NULL

DECFSZ L1,F

GOTO _LOOP7

DECFSZ L0,F

GOTO _LOOP6

GOTO _MAIN

_PUSH_STACK

MOVWF STMP

MOVF SP,W

MOVWF FSR

MOVF STMP,W

MOVWF INDF

INCF SP,F

RETURN

_POP_STACK

DECF SP,F

MOVF SP,W

MOVWF FSR

MOVF INDF,W

RETURN

INTR

CALL _INTR

RETFIE

MAIN

MOVLW STK

MOVWF SP

CALL _INIT

CALL _MAIN

END

おまけ


Lisp マシン

CONS マシン、CADR マシン、Symbolics、SCHEME-79 チップ、ELIS、SILENT

LispmFPGA、Spica

Reduceron（ハードウェアによるλ計算）

タグ付きデータ

多重分岐

メモリ管理

非線形命令セット（どこまで可能？）

Lisp マシンいろいろLisp マシンいろいろ

Lisp マシンの要件（仮）Lisp マシンの要件（仮）


Lisp マシン

ハードウェアによるリアルタイム・ガベージ・コレクションの実装

S. Shukla et al., IBM Research, 2012, “And Then There Were None: A Stall-Free Real-Time Garbage Collector for Reconfigurable Hardware”

CPU ストールがゼロ

ゴール設定は？

いまやっていることいまやっていること

課題課題

Technology

Lisp Meet Up #27, 8-bit PIC マイコン用ネイティブコンパイラの作成（後編）