实现8051的函数调用

Question

假设你有一个没有外部RAM的8051微控制器。内部RAM是128字节，您有大约80字节可用。你想为一种堆栈语言编写一个编译器。

假设您想编译一个RPN表达式2 3 +。8051有原生的push和pop指令，所以你可以写

push #2
push #3

然后，您可以将+实现为：

pop A     ; pop 2 into register A
pop B     ; pop 3 into register B
add A, B  ; A = A + B
push A    ; push the result on the stack

很简单，对吧？但在本例中，+是作为内联程序集实现的。如果您想重用这些代码，并将其放入子例程中，该怎么办？幸运的是，8051有lcall和ret指令。lcall LABEL将返回地址压入堆栈并跳转到标签，而ret则返回堆栈顶部指定的地址。然而，这些操作会干扰我们的堆栈，所以如果我们执行lcall跳转到+的实现，第一条指令pop A将弹出返回地址，而不是我们想要操作的值。

在一种语言中，我们可以预先知道每个函数的参数数量，我们可以重新排列堆栈顶部的几个值，并将参数放在堆栈顶部，然后进一步向下推送返回地址。但是对于基于堆栈的语言，我们不知道每个函数需要多少参数。

那么，在这些情况下可以采取什么方法来实现函数调用呢？

下面是8051指令集描述：http://sites.fas.harvard.edu/~phys123/8051_refs/8051_instruc_set_ref.pdf

Answer 1

这是一台非常有限的机器。

好吧，最大的问题是你想使用“栈”来保存操作数，但它也保存返回地址。因此，解决方法是:将返回地址移出，并在完成时放回原处。

您的示例：

    push #2
    push #3
    lcall   my_add
    ...

myadd:
    pop r6     ; save the return address
    pop r7
    pop a
    pop b
    add a, b
    push a
    push r7
    push r8
    ret

我的猜测是“保存返回地址”、“恢复返回地址”将非常常见。我不知道如何优化"save return address“的空格，但你可以让大多数子例程的尾部变得通用：

myadd:
    pop r6     ; save the return address
    pop r7
    pop a
    pop b
    add a, b
    jmp  push_a_return

    ...

 ; compiler library of commonly used code:
 push_ab_return: ; used by subroutines that return answer in AB
     push b
 push_a_return: ; used by subroutines that return answer in A
     push a
 return: ; used by subroutines that don't produce a result in register
     push r7
     push r6
     ret

 push_b_return: ; used by subroutines that compute answer in B
     push b
     jmpshort return

然而，您的大部分麻烦似乎是坚持要将操作数推入堆栈。然后你就会在返回地址上遇到麻烦。你的编译器当然可以处理这一点，但你遇到麻烦的事实表明你应该做一些其他的事情，例如，如果你可以帮助它，不要把操作数放在堆栈上。

相反，您的编译器还可以生成面向寄存器的代码，尽可能将操作数保留在寄存器中。毕竟，你有8个(我认为) R0..R7和A和B一样容易访问。

因此，你应该做的是，首先弄清楚所有的操作数(都是由原始程序员命名的，以及编译器需要为3地址代码和操作指定的临时值)都在你的代码中。其次，应用某种类型的寄存器分配(查看寄存器着色以获得一个很好的示例)来确定哪些操作数将在R0..R7中，应用相同的技术将未分配给寄存器的命名变量分配给可直接寻址的(例如，将它们分配到位置8-'top‘)，第三次将它们分配给有额外空间的临时变量(将它们的位置'top’分配到64)。当它们被生成时，THis强制其余部分进入堆栈，其位置为65到127。(坦率地说，我怀疑使用这种方案的人最终会有很多人，除非你的程序对于8051来说太大了)。

一旦每个操作数都有了指定的位置，代码生成就很容易了。如果操作数已分配到寄存器中，则根据需要使用A、B和算术计算它，或者使用MOV填充或存储它，如三个地址指令所示。

如果操作数在堆栈上，如果在堆栈顶部，则将其弹出到A或B中；如果操作数嵌套在堆栈中“很深”，则可能需要进行一些奇特的寻址操作才能到达其实际位置。如果生成的代码在被调用的子例程中，并且操作数在堆栈中，则使用返回地址保存技巧；如果R6和R7繁忙，则将返回地址保存在另一个寄存器组中。每个子例程最多只需保存一次返回值。

如果堆栈由交错的返回地址和变量组成，编译器实际上可以计算所需变量的位置，并从堆栈指针使用复杂的索引来获取它。只有在跨多个嵌套函数调用寻址时才会发生这种情况；大多数C实现都不允许这样做(GCC就是这样做的)。因此，你可以取缔这种情况，也可以根据你的野心来决定处理它。

所以对于程序(C风格)

 byte X=2;
 byte Y=3;
 { word Q=X*Y;
   call W()
 }     

 byte S;

  W()
    { S=Q; }

我们可以分配(使用寄存器分配算法)

 X to R1
 Y to location 17
 Q to the stack
 S to R3

并生成代码

 MOV R1,2
 MOV A, 3
 MOV 17, A
 MOV A, 17
 MOV B, A
 MOV A, R1
 MUL
 PUSH A   ; Q lives on the stack
 PUSH B
 CALL W
 POP  A   ; Q no longer needed
 POP  B
 ...

 W:
 POP R6
 POP R7
 POP A
 POP B
 MOV R3, B
 JMP PUSH_AB_RETURN

这样你几乎可以得到合理的代码。(这很有趣)。