C++ で構造化アセンブリプログラミング

動機

原始的なアセンプラしか無い原始的な CPU のプログラミングをすることになった．
でアセンブリプログラミングの一番の萎えポイントとして，例えば C 言語だと

if(a == b){
  c = d;
}else{
  e = f;
}

みたいに書けるところが，構造化記述できないアセンブラだと

  cmp a, b
  jnz label0
  mov c, d
  jmp label1
label0:
  mov e, f
label1:

とラベルやら分岐命令やら，自分で生成しないといけないのでめんどくさいし，if がネストすると可読性も悪い．真面目にやるなら bison/flex とかでまともな構造化アセンブリ言語を設計するところだけど，そこまでやるのはなぁ... と思ったところで，C++ のクラス / 演算子オーバーロードをうまいこと使えば，構造化アセンブリプログラミングもどきが出来るのでは? と思った．
例えば，C++ で "r0 = r1;" と書いてコンパイル・実行すれば，"mov r0, r1" というテキストが得られる，みたいなイメージ．

まずは代入演算

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// Register

class RegisterObject {
public:
  RegisterObject(const char* szName) : m_szName(szName){}
  const char *Name(void) const {return m_szName;}
  
private:
  const char* m_szName;
};

class GpReg : public RegisterObject {
public:
  GpReg(const char* szName) : RegisterObject(szName){}
  
  GpReg& operator=(const GpReg& src){
    printf("\tmov\t%s, %s\n", Name(), src.Name());
    return *this;
  }
};

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// Register インスタンス

GpReg r0("r0");
GpReg r1("r1");
GpReg r2("r2");
GpReg r3("r3");

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// アセンブリプログラム

int main(int argc, char **argv){
  r0 = r1 = r2;
  return 0;
}

GpReg class は汎用レジスタをイメージしていて，特殊なレジスタがあれば RegisterObject か GpReg を継承する感じ．C++ ソースコード上の変数名 (r0 とか) は実行時には失われてしまうので，m_szName に変数名をセットしておく．
代入演算のキモは言うまでもなく "operator=" で，= が呼ばれたら mov 命令のテキストを出力する．

で実行結果:

        mov     r1, r2
        mov     r0, r1

おお，いい感じ．アセンブラだと r0 = r2 が直接代入できないので一旦 r1 を経由する，みたいなケースが多々あるが，それが 1行で書けるのはありがたい．

比較演算

次に，if-else-endif の構造化をやる前に比較演算子を定義する．

対象 CPU は，== なら cmpeq みたいに比較演算子毎に比較命令があり，その結果をフラグレジスタ f0 にセットする．条件分岐命令は f0 の値をみて分岐するかどうか決める．

class FlagReg : public RegisterObject {
public:
  FlagReg(const char* szName) : RegisterObject(szName){}
};

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Register インスタンス

FlagReg f0("f0");

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// global な operator

FlagReg& operator==(const GpReg& a, const GpReg& b){
  printf("\tcmpeq\t%s, %s, f0\n", a.Name(), b.Name());
  return f0;
}

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// アセンブリプログラム

int main(int argc, char **argv){
  r0 == r1;
  return 0;
}

RegisterObject を継承して FlagReg を定義する． operater== で，== が呼ばれたら cmpeq 命令を出力して，== の返り値として f0 を返す．

で実行結果:

        cmpeq   r0, r1, f0

これはなんの問題もない．

if-else-endif

そしてこの取り組みの一番の目的である，if-else-endif の構造化をやってみる．

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// 構造化構文

int g_LabelCnt = 0;
std::vector<int> g_Label;

void _if(FlagReg& f){
  printf("\tjnset\t%s, _L%d\n", f.Name(), g_LabelCnt);
  g_Label.push_back(g_LabelCnt);
  ++g_LabelCnt;
}

void _else(void){
  printf("\tjmp\t_L%d\n", g_LabelCnt);
  printf("_L%d:\n", g_Label[g_Label.size() - 1]);
  
  g_Label.pop_back();
  g_Label.push_back(g_LabelCnt);
  ++g_LabelCnt;
}

void _endif(void){
  printf("_L%d:\n", g_Label[g_Label.size() - 1]);
  g_Label.pop_back();
}

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// アセンブリプログラム

int main(int argc, char **argv){
  _if(r0 == r1);
    r0 = r2;
  _else();
    r1 = r3;
  _endif();
  return 0;
}

_if ではフラグレジスタを受取り，必要な分岐命令を生成する．また if-else-endif はネストするので，分岐先ラベルの情報はスタックに push / pop する必要がある．

で実行結果:

        cmpeq   r0, r1, f0
        jnset   f0, _L0
        mov     r0, r2
        jmp     _L1
_L0:
        mov     r1, r3
_L1:

おおぉ，これこれ! これがやりたかったんだよ．この時点でこのやり方はかなりうまくいく感触を得ていたが，念の為 if がネストするケースをテストしてみたら，

コード:

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// アセンブリプログラム

int main(int argc, char **argv){
  _if(r0 == r1);
    _if(r1 == r2);
      r2 = r0;
    _else();
      r3 = r1;
    _endif();
  _else();
    r1 = r3;
  _endif();
  return 0;
}

実行結果:

        cmpeq   r0, r1, f0
        jnset   f0, _L0
        cmpeq   r1, r2, f0
        jnset   f0, _L1
        mov     r2, r0
        jmp     _L2 ←※ここ
_L1:
        mov     r3, r1
_L2:
        jmp     _L3
_L0:
        mov     r1, r3
_L3:

んー，間違いではないんだけど，jmp _L2 の飛び先は jmp _L3 しか無いので，最適化の観点では「ここ」で jmp _L3 にすべき．

この最適化をやるためには，直接アセンブリテキストを出力するのではなく，一旦中間言語とかでメモリ上に溜めておき，最後に最適化フェーズを流す，等しないといけないということがわかった．
それを解決して，あとはメモリアクセスとかラベルへのサブルーチンコールとかを実装すれば，普通に使えそう．