bde92aab4d68288b57970afcb20d67b259e5c8d5
[mes.git] / module / language / c99 / compiler.mes
1 ;;; -*-scheme-*-
2
3 ;;; Mes --- Maxwell Equations of Software
4 ;;; Copyright © 2016,2017 Jan Nieuwenhuizen <janneke@gnu.org>
5 ;;;
6 ;;; This file is part of Mes.
7 ;;;
8 ;;; Mes is free software; you can redistribute it and/or modify it
9 ;;; under the terms of the GNU General Public License as published by
10 ;;; the Free Software Foundation; either version 3 of the License, or (at
11 ;;; your option) any later version.
12 ;;;
13 ;;; Mes is distributed in the hope that it will be useful, but
14 ;;; WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
15 ;;; MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
16 ;;; GNU General Public License for more details.
17 ;;;
18 ;;; You should have received a copy of the GNU General Public License
19 ;;; along with Mes.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
20
21 ;;; Commentary:
22
23 ;;; compiler.mes produces an i386 binary from the C produced by
24 ;;; Nyacc c99.
25
26 ;;; Code:
27
28 (cond-expand
29  (guile-2
30   (set-port-encoding! (current-output-port) "ISO-8859-1"))
31  (guile)
32  (mes
33   (mes-use-module (nyacc lang c99 parser))
34   (mes-use-module (mes elf-util))
35   (mes-use-module (mes pmatch))
36   (mes-use-module (mes elf))
37   (mes-use-module (mes libc-i386))))
38
39 (define (logf port string . rest)
40   (apply format (cons* port string rest))
41   (force-output port)
42   #t)
43
44 (define (stderr string . rest)
45   (apply logf (cons* (current-error-port) string rest)))
46
47 (define (gnuc-xdef? name mode) (if (equal? name "__GNUC__") #f (eq? mode 'code)))
48 ;;(define (gnuc-xdef? name mode) (equal? name "__GNUC__"))
49 ;; (define (gnuc-xdef? name mode)
50 ;;   (cond ((equal? name "__GNUC__") #t)
51 ;;         ((equal? name "asm") #f)))
52
53 (define (mescc)
54   (parse-c99 #:inc-dirs (string-split (getenv "C_INCLUDE_PATH") #\:)
55              #:cpp-defs '(("__GNUC__" . "0") ("__NYACC__" . "1"))
56              #:xdef? gnuc-xdef?
57              #:mode 'code
58              ))
59
60 (define (write-any x)
61   (write-char (if (char? x) x (integer->char (if (>= x 0) x (+ x 256))))))
62
63 (define (ast:function? o)
64   (and (pair? o) (eq? (car o) 'fctn-defn)))
65
66 (define (.name o)
67   (pmatch o
68     ((fctn-defn _ (ftn-declr (ident ,name) _) _) name)
69     ((fctn-defn _ (ptr-declr (pointer) (ftn-declr (ident ,name) _)) _) name)
70     ((param-decl _ (param-declr (ident ,name))) name)
71     ((param-decl _ (param-declr (ptr-declr (pointer) (ident ,name)))) name)
72     ((param-decl _ (param-declr (ptr-declr (pointer) (array-of (ident ,name))))) name)
73     (_
74      (format (current-error-port) "SKIP .name =~a\n" o))))
75
76 (define (.statements o)
77   (pmatch o
78     ((fctn-defn _ (ftn-declr (ident ,name) _) (compd-stmt (block-item-list . ,statements))) statements)
79     ((fctn-defn _ (ptr-declr (pointer) (ftn-declr (ident ,name) _)) (compd-stmt (block-item-list . ,statements))) statements)))
80
81 (define (ident-ref locals)
82   (lambda (o)
83     (i386:ref-local (assoc-ref locals o))))
84
85 (define (global-ref symbols)
86   (lambda (o)
87     (lambda (s t d)
88       (i386:ref-global (+ (data-offset o symbols) d)))))
89
90 (define (expr->arg symbols locals) ;; FIXME: get Mes curried-definitions
91   (lambda (o)
92     (pmatch o
93       ((p-expr (fixed ,value)) (string->number value))
94       ((p-expr (string ,string)) ((global-ref symbols) string))
95       ((p-expr (ident ,name)) ((ident-ref locals) name))
96
97       ((array-ref (p-expr (fixed ,value)) (p-expr (ident ,name)))
98        (let ((value (string->number value)))
99          (lambda (s t d)
100            (append
101             ((ident->base locals) name)
102             (i386:local-assign (assoc-ref locals name) value)
103             (i386:mem-byte->accu)
104             (i386:push-accu) ;; hmm
105             ))))
106
107       (_
108        (format (current-error-port) "SKIP expr->arg=~a\n" o)     
109        0))))
110
111 (define (ident->accu locals)
112   (lambda (o)
113     (i386:local->accu (assoc-ref locals o))))
114
115 (define (ident->base locals)
116   (lambda (o)
117     (i386:local->base (assoc-ref locals o))))
118
119 ;; (define (global-accu symbols)
120 ;;   (lambda (o)
121 ;;     (lambda (s t d)
122 ;;       (i386:accu-global (+ (data-offset o symbols) d)))))
123
124 (define (expr->accu symbols locals)
125   (lambda (o)
126     (pmatch o
127       ((p-expr (fixed ,value)) (string->number value))
128       ((p-expr (ident ,name)) ((ident->accu locals) name))
129       (_
130        (format (current-error-port) "SKIP expr-accu=~a\n" o)
131        0)
132       )))
133
134 (define (expr->symbols o)
135   (pmatch o
136     ((p-expr (string ,string)) (string->symbols string))
137     (_ #f)))
138
139 (define make-text+symbols+locals cons*)
140 (define .text car)
141 (define .symbols cadr)
142 (define .locals cddr)
143
144 (define (dec->hex o)
145   (number->string o 16))
146
147 (define (text->list o)
148   (append-map (lambda (f) (f '() 0 0)) o))
149
150 (define (byte->hex o)
151   (string->number (string-drop o 2) 16))
152
153 (define (asm->hex o)
154   (let ((prefix ".byte "))
155    (if (not (string-prefix? prefix o)) (begin (stderr "SKIP:~a\n" o)'())
156        (let ((s (string-drop o (string-length prefix))))
157          (map byte->hex (string-split s #\space))))))
158
159 (define (statement->text+symbols+locals text+symbols+locals)
160   (lambda (o)
161     ;;(stderr "S=~a\n" o)
162     (let* ((text (.text text+symbols+locals))
163            (symbols (.symbols text+symbols+locals))
164            (locals (.locals text+symbols+locals))
165            (text-list (text->list text))
166            (prefix-list (symbols->text symbols 0 0))
167            (statement-offset (- (+ (length prefix-list) (length text-list)))))
168       ;; (stderr "   tsl=~a\n" text+symbols+locals)
169       ;; (stderr "   locals=~s\n" locals)
170       (pmatch o
171
172         ((expr-stmt (fctn-call (p-expr (ident ,name))
173                                (expr-list (p-expr (string ,string)))))
174          ;;(stderr "S1 string=~a\n" string)
175          (if (equal? name "asm")
176              (make-text+symbols+locals
177               (append
178                text
179                (list (lambda (s t d) (asm->hex string))))
180               symbols
181               locals)
182              
183              (make-text+symbols+locals
184               (append text
185                       (list (lambda (s t d)
186                               (i386:call s t d
187                                          (+ t (function-offset name s)
188                                               statement-offset)
189                                          (+ d (data-offset string s))))))
190               (append symbols (list (string->symbols string)))
191               locals)))
192         
193         ((expr-stmt (fctn-call (p-expr (ident ,name)) (expr-list . ,expr-list)))
194          ;;(stderr "S1 expr-list=~a\n" expr-list)
195          (let* ((symbols (append symbols (filter-map expr->symbols expr-list)))
196                 (args (map (expr->arg symbols locals) expr-list)))
197            (make-text+symbols+locals
198             (append text
199                     (list (lambda (s t d) (apply i386:call (cons* s t d (+ t (function-offset name s) statement-offset) args)))))
200             symbols
201             locals)))
202         
203         ((while ,test ,body)
204          (let* ((t+s+l (make-text+symbols+locals '() symbols locals))
205
206                 (body-t+s+l ((statement->text+symbols+locals t+s+l) body))
207                 (body-text (.text body-t+s+l))
208                 ;;(body-symbols (.symbols body-t+s+l))
209                 (symbols (.symbols body-t+s+l))
210                 (body-locals (.locals body-t+s+l))
211                 (body-length (length (text->list body-text)))
212
213                 (test-t+s+l ((statement->text+symbols+locals t+s+l) test))
214                 (test-text (.text test-t+s+l))
215                 (test-symbols (.symbols test-t+s+l))
216                 (test-locals (.locals test-t+s+l))
217                 (test-length (length (text->list test-text))))
218
219            (make-text+symbols+locals
220             (append text
221                     (list (lambda (s t d) (i386:jump body-length)))
222                     body-text
223                     test-text
224                     (list (lambda (s t d) (i386:test-jump (- (+ body-length test-length))))))
225             symbols
226             locals)))
227
228         ((array-ref (p-expr (ident ,name)) (p-expr (ident ,index)))
229          (make-text+symbols+locals
230           (append
231            text
232            (list
233             (lambda (s t d)
234               (append
235                ((ident->base locals) name)
236                ((ident->accu locals) index)
237                (i386:mem-byte->accu)))))
238           symbols
239           locals))
240          
241         ((expr-stmt (post-inc (p-expr (ident ,name))))
242          (make-text+symbols+locals
243           (append text
244                   (list (lambda (s t d) (i386:local-add (assoc-ref locals name) 1))))
245           symbols
246           locals))
247
248         ((return ,expr)
249            (make-text+symbols+locals
250             (append text (list (i386:ret ((expr->accu symbols locals) expr))))
251             symbols
252             locals))
253
254         ((decl (decl-spec-list (type-spec (fixed-type ,type))) (init-declr-list (init-declr (ident ,name))))
255          (let ((locals (acons name (1+ (or (and=> (member 1 (map cdr locals)) length) 0)) locals)))
256            (make-text+symbols+locals text symbols locals)))
257
258         ((decl (decl-spec-list (type-spec (fixed-type ,type))) (init-declr-list (init-declr (ident ,name) (initzer (p-expr (fixed ,value))))))
259          (let ((locals (acons name (1+ (or (and=> (member 1 (map cdr locals)) length) 0)) locals))
260                (value (string->number value)))
261            (make-text+symbols+locals
262             (append
263              text
264              (list (lambda (s t d) (i386:local-assign (assoc-ref locals name) value))))
265             symbols
266             locals)))
267
268         ((decl (decl-spec-list (type-spec (fixed-type ,type))) (init-declr-list (init-declr (ident ,name) (initzer (fctn-call . ,call)))))
269          (let ((locals (acons name (1+ (or (and=> (member 1 (map cdr locals)) length) 0)) locals)))
270            (let* ((t+s+l (make-text+symbols+locals text symbols locals))
271                   (t+s+l ((statement->text+symbols+locals t+s+l)
272                           `(expr-stmt (fctn-call ,@call))))
273                   (text (.text t+s+l))
274                   (symbols (.symbols t+s+l))
275                   (locals (.locals t+s+l)))
276              (make-text+symbols+locals
277               (append
278                text
279                (list (lambda (s t d) (i386:ret-local (assoc-ref locals name)))))
280               symbols
281               locals))))
282         
283         ((expr-stmt (assn-expr (p-expr (ident ,name)) (op _) (p-expr (fixed ,value))))
284
285          ;;(stderr "RET LOCAL[~a]: ~a\n" name (assoc-ref locals name))
286
287          (let ((value (string->number value)))
288            (make-text+symbols+locals
289             (append text (list (lambda (s t d) (i386:local-assign (assoc-ref locals name) value))))
290             symbols
291             locals)))
292         
293         ((expr-stmt (assn-expr (p-expr (ident ,name)) (op _) (fctn-call . ,call)))
294          (let* ((t+s+l ((statement->text+symbols+locals text+symbols+locals)
295                         `(expr-stmt (fctn-call ,@call))))
296                 (text (.text t+s+l))
297                 (symbols (.symbols t+s+l))
298                 (locals (.locals t+s+l)))
299            (make-text+symbols+locals
300             (append text (list (lambda (s t d) (i386:ret-local (assoc-ref locals name)))))
301             symbols
302             locals)))
303
304        (_
305         (format (current-error-port) "SKIP statement=~a\n" o)
306         text+symbols+locals)))))
307
308 (define (symbols->exe symbols)
309   (display "dumping elf\n" (current-error-port))
310   (map write-any (make-elf symbols)))
311
312 (define (.formals o)
313   (pmatch o
314     ((fctn-defn _ (ftn-declr _ ,formals) _) formals)
315     ((fctn-defn _ (ptr-declr (pointer) (ftn-declr _ ,formals)) _) formals)
316     (_ (format (current-error-port) ".formals: no match: ~a\n" o)
317        barf)))
318
319 (define (formal->text n)
320   (lambda (o i)
321     ;;(i386:formal i n)
322     '()
323     ))
324
325 (define (formals->text o)
326   (pmatch o
327     ((param-list . ,formals)
328      (let ((n (length formals)))
329        (list (lambda (s t d)
330                (append
331                 (i386:function-preamble)
332                 (append-map (formal->text n) formals (iota n))
333                 (i386:function-locals))))))
334     (_ (format (current-error-port) "formals->text: no match: ~a\n" o)
335        barf)))
336
337 (define (formals->locals o)
338   (pmatch o
339     ((param-list . ,formals)
340      (let ((n (length formals)))
341       (map cons (map .name formals) (iota n (1- (- n))))))
342     (_ (format (current-error-port) "formals->symbols: no match: ~a\n" o)
343        barf)))
344
345 (define (string->symbols string)
346   (make-data string (append (string->list string) (list #\nul))))
347
348 (define (function->symbols symbols)
349   (lambda (o)
350     (format (current-error-port) "compiling ~a\n" (.name o))
351     ;;(stderr "formals=~a\n" (.formals o))
352     (let* ((text (formals->text (.formals o)))
353            (locals (formals->locals (.formals o)))
354            (text-offset (length (symbols->text symbols 0 0))))
355       (let loop ((statements (.statements o))
356                  (text+symbols+locals (make-text+symbols+locals text symbols locals)))
357         (if (null? statements) (append (.symbols text+symbols+locals) (list (make-function (.name o) (.text text+symbols+locals))))
358             (let* ((statement (car statements)))
359               (loop (cdr statements)
360                     ((statement->text+symbols+locals text+symbols+locals) (car statements)))))))))
361
362 (define _start
363   (let* ((ast (with-input-from-string
364                   "int _start () {int i;i=main (0,0);exit (i);}"
365                 parse-c99))
366          (functions (filter ast:function? (cdr ast))))
367     ;;(pretty-print ast (current-error-port))
368     (list (find (lambda (x) (equal? (.name x) "_start")) functions))))
369
370 (define strlen
371   (let* ((ast (with-input-from-string
372                   "
373 int
374 strlen (char const* s)
375 {
376   int i = 0;
377   while (s[i]) i++;
378     return i;
379 }
380 "
381                 parse-c99))
382          (functions (filter ast:function? (cdr ast))))
383     ;;(pretty-print ast (current-error-port))
384     (list (find (lambda (x) (equal? (.name x) "strlen")) functions))))
385
386 (define eputs
387   (let* ((ast (with-input-from-string
388                   "
389 int
390 eputs (char const* s)
391 {
392   //write (STDERR, s, strlen (s));
393   //write (2, s, strlen (s));
394   int i = strlen (s);
395   write (2, s, i);
396   return 0;
397 }
398 "
399                 parse-c99))
400          (functions (filter ast:function? (cdr ast))))
401     ;;(pretty-print ast (current-error-port))
402     (list (find (lambda (x) (equal? (.name x) "eputs")) functions))))
403
404 (define fputs
405   (let* ((ast (with-input-from-string
406                   "
407 int
408 fputs (char const* s, int fd)
409 {
410   int i = strlen (s);
411   write (fd, s, i);
412   return 0;
413 }
414 "
415                 parse-c99))
416          (functions (filter ast:function? (cdr ast))))
417     ;;(pretty-print ast (current-error-port))
418     (list (find (lambda (x) (equal? (.name x) "fputs")) functions))))
419
420 (define puts
421   (let* ((ast (with-input-from-string
422                   "
423 int
424 puts (char const* s)
425 {
426   //write (STDERR, s, strlen (s));
427   //int i = write (STDERR, s, strlen (s));
428   int i = strlen (s);
429   write (1, s, i);
430   return 0;
431 }
432 "
433                 parse-c99))
434          (functions (filter ast:function? (cdr ast))))
435     ;;(pretty-print ast (current-error-port))
436     (list (find (lambda (x) (equal? (.name x) "puts")) functions))))
437
438 (define i386:libc
439   (list
440    (make-function "exit" (list i386:exit))
441    (make-function "write" (list i386:write))))
442
443 (define libc
444   (append
445    strlen
446    eputs
447    fputs
448    puts))
449
450 (define (compile)
451   (let* ((ast (mescc))
452          (functions (filter ast:function? (cdr ast)))
453          (functions (append libc functions _start)))
454     (let loop ((functions functions) (symbols i386:libc))
455       (if (null? functions) (symbols->exe symbols)
456           (loop (cdr functions) ((function->symbols symbols) (car functions)))))))