Бинарный транслятор

В данном проекте мной был создан JIT-компилятор для собственного диалекта ассемблера, который транслирует программы, написанные на этом языке, в исполняемый машинный код архитектуры Intel x86-64.

Принципы работы

Промежуточное представление (IR)

На вход транслятора подаётся бинарный файл с кодом скомпилированной программы на собственном диалекте ассемблера, однако его сложно напрямую транслировать в код на x86-64. Поэтому используется промежуточное представление (IR) - структура данных, содержащая всю информацию об исполняемой программе:

    struct IR
    {
        TechInfo    info    ;
        BYTE*       bin_code;
        Command*    commands;
        size_t      n_cmds  ;
    };

Каждая команда в массиве commands также является структурой, содержащей информацию о своём типе и аргументах:

    struct Command
    {
        size_t       pc      ;
        int          cmd_code;
        size_t       n_args  ;
        Argument     args[2] ;
        ArgLocation  loc     ;
    };

Таким образом, после обработки парсером в IR программа имеет следующий вид:

Трансляция в исполняемый бинарный код x86-64

После этого, полученная более удобная для трансляции форма переводится в буфер с командами x86, хранящийся в представленной ниже структуре данных:

    struct x86Buf
    {
        BYTE*   buf      ;
        size_t  buf_size ;
        size_t  prog_size;
        size_t  index    ;
    };

Этим и занимается бинарный транслятор, ниже представлены примеры трансляции команд моего диалекта ассемблера в блоки инструкций x86-64:

• PUSH

  PUSH num:

      mov r14, <num>
      push r14
  

  PUSH reg:

      push <reg>
  

  PUSH [reg]:

      push <reg>
      pop r13
      mov r14, [rbp + r13 * 8]
      push r14
  

  PUSH [num]:

      push <num>
      pop r13
      mov r14, [rbp + r13 * 8]
      push r14
  

  PUSH [num+reg]:

      push <num>
      push <reg>
      pop r13
      pop r14
      add r13, r14
      mov r14, [rbp + r13 * 8]
      push r14
  

• POP

  POP reg:

      pop <reg>
  

• ADD

  pop  r13
  pop  r14
  add  r13, r14
  push r13
  

• SUB

  pop  r13
  pop  r14
  sub  r13, r14
  push r13
  

• MUL (знаковое умножение целых чисел)

  pop  r13
  pop  r14
  push rax
  mov  rax, r13
  imul r14
  mov  r13, rax
  pop  rax
  push r13
  

• FMUL (знаковое умножение вещественных чисел)

  push  1000
  fild  qword [rsp+16]
  fild  qword [rsp+8]
  fild  qword [rsp]
  fdiv
  fmul
  add   rsp, 16
  fistp qword [rsp]
  

• DIV (целочисленное деление знаковых чисел))

  push  1000
  fild  qword [rsp+16]
  fild  qword [rsp+8]
  fild  qword [rsp]
  fdiv
  fmul
  add   rsp, 16
  fistp qword [rsp]
  

• FDIV (знаковое деление вещественных чисел)

  pop  r14
  pop  r13
  push rax
  push rdi
  mov  rax, r13
  idiv r14
  mov  r13, rax
  pop  rdi
  pop  rax
  push r13
  

• FABS (модуль числа)

  fild qword [rsp]
  fabs
  fistp qword [rsp]
  

• FSQRT (квадратный корень)

  push 1000
  fild qword [rsp]
  fild qword [rsp+8]
  fild qword [rsp]
  add rsp, 8
  fdiv
  fsqrt
  fmul
  fistp qword [rsp]
  

• JMP (безусловный переход)

• Jxx (условный переход)

• CALL

• RET

• IN

    push rdi
    push rax
    push rsi
    mov  r14, <InCmd_address>
    call r14
    mov  r14, rax
    push rsi
    push rax
    push rdi
    push r14

, где InCmd - написанная на C функция, определённая в файле выше:

    long int InCmd()
    {
        long int num = 0;
        printf("Type a number: ");
        scanf("%ld", &num);
        return num;
    }

• OUT

    pusha
    pop  r14
    mov  rdi, r14
    mov  r14, %p
    call r14
    popa

, где OutCmd - написанная на C функция, определённая в файле выше:

    void OutCmd(long int num)
    {
        printf("OUT: %ld\n", num);
    }

• PRINT

Оперативная память процессора выделяется в начале трансляции, на RAM выделено 800 байт памяти (100 яеек размера 8).

В результате итеративной обработки массива команд из IR буфер x86_buf заполняется байтами:

Оценка производительности

Сравним скорости исполнения программы на собственном эмуляторе процессора и на реальном процессоре при её бинарной трансляции. Измерения производительности будем проводить на программе, считающей факториал числа 10 10000 раз. Результаты измерений приведены ниже:

t_CPU = 2.20  c
t_x86 = 75.70 с

Таким образом, ускорение программы за счёт бинарной трансляции в код на x86-64 составило около 75.70/2.20 ~ 34.4, эти результаты оправдывают JIT-компиляцию.