# Lab3 实验记录：指令选择与汇编生成

## 1. 实验目标

本次 Lab3 的目标是在已有的 SysY 前端与 IR 生成基础上，补齐 AArch64 后端指令选择、控制流翻译、全局变量和运行时库接口，使编译器能够把 SysY IR 翻译为可在 AArch64（ARM64）平台上运行的汇编程序，并通过 QEMU 模拟器验证生成结果的正确性。

本次完成工作的重点包括：
- 扩展 MIR 中物理寄存器、指令操作数种类与机器指令集，完整覆盖 AArch64 核心子集。
- 扩展指令选择逻辑（`Lowering.cpp`），支持多函数、多基本块、函数调用、浮点数与多维数组（GEP）地址计算。
- 处理 AArch64 调用约定（ABI）中参数传递（整数/浮点前 8 传参）与栈帧落地细节。
- 解决 AArch64 特有的指令寻址与栈槽大偏移（超出 ldur/stur 范围）的物理寄存器备用搬运机制。
- 补齐 SysY 运行时库（`sylib/sylib.c`）中所有 I/O、时间统计与十六进制浮点输入输出功能。

## 2. 代码改动范围

本次实验主要修改/新增了以下文件：
- `include/mir/MIR.h` 与 `src/mir/MIRFunction.cpp`、`src/mir/MIRInstr.cpp`、`src/mir/Register.cpp`、`src/mir/RegAlloc.cpp`、`src/mir/FrameLowering.cpp`
- `src/mir/Lowering.cpp` (核心指令选择)
- `src/mir/AsmPrinter.cpp` (核心汇编文本打印)
- `sylib/sylib.c` (SysY 运行库)
- `scripts/verify_asm.sh` (自动化编译链接脚本)
- `src/main.cpp` (后端多函数汇编流适配)
- `src/irgen/IRGenExp.cpp` (修复前端常数类型转换缺陷)
- 新增本文档 `doc/Lab3-实验记录.md`

## 3. 完成过程

### 3.1 梳理后端结构与定位边界
阅读了实验文档 `doc/Lab3-指令选择与汇编生成.md`，原有的后端属于“极简演示”：
- 仅支持单函数 `main` 与单基本块。
- 仅支持 `alloca`, `load`, `store`, `add`, `ret` 五种指令。
- 栈帧偏移与寻址硬编码为 `ldur`/`stur`，没有考虑多维数组、浮点数以及超出 `[-256, 255]` 寻址范围的指令级溢出崩溃问题。

### 3.2 解决前置类型转换 bug
在回归测试 `95_float.sy` 时，我们发现由于前端对 `const int` 类型常量初始值为 `float` 时没有及时阶段性类型截断，导致 `const int FIVE = TWO + THREE`（其中 `TWO = 2.9, THREE = 3.2`）的编译期常量求值被错误地计算为 `2.9 + 3.2 = 6.1` 再向下转型为 `6`，而实际应该先将 `TWO` 转型为 `2`，`THREE` 转型为 `3`，二者相加得到 `5`。
我们在 `IRGenExp.cpp` 的 `ConstExprVisitor::visitLValueExp` 中实现了类型安全截断，彻底解决了这一隐式类型转换带来的精度和常量值错误。

### 3.3 AArch64 后端指令扩充与栈槽模型构建
我们保持并完善了后端的高可靠“栈槽模型”：
1. 每一个 IR 中产生的 `Value`（包括临时虚拟寄存器和指令）均在 `LowerToMIR` 中分配一个专属的 64 位（或 32 位）栈槽（`FrameIndex`）。
2. 在 lowering 每一条指令时，先从它们的栈槽加载操作数到 AArch64 的 scratch 寄存器（`w8`/`w9` 或 `s8`/`s9` 等），执行运算后再把结果写回栈槽。
3. 这种模型虽然带来了一定的访存冗余（可通过 Lab5 寄存器分配和窥孔优化消除），但在本阶段能够 **100% 保证变量活跃期与正确性**，排除了寄存器冲突。

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## 4. 关键困难与解决办法

### 4.1 困难一：双向迭代器/指针失效（BasicBlock vector 重配引发的段错误）
#### 现象
在对包含复杂控制流的用例（如 `29_break.sy`）进行编译时，后端经常发生 `段错误(Segmentation Fault)`。
经过定位，我们在 `LowerToMIR` 发现，基本块是通过 `machine_func->CreateBlock(bbPtr->GetName())` 动态添加进 `std::vector<MachineBasicBlock> blocks_` 中的。随着 blocks vector 容量扩张，底层的内存发生重分配，导致此前在 `std::unordered_map<const ir::BasicBlock*, MachineBasicBlock*> bb_map` 中记录的所有指向 `MachineBasicBlock` 的指针全部变成了野指针（Dangling Pointer），再次使用时引发段错误。
#### 解决办法
在创建基本块循环前，预先调用 `machine_func->GetBlocks().reserve(func.GetBlocks().size())` 保障 vector 拥有足够容量，彻底杜绝了动态重分配带来的指针失效问题。

### 4.2 困难二：栈帧槽寻址大偏移超出 AArch64 立即数范围
#### 现象
在 `25_scope3.sy` 和 `95_float.sy` 中，函数内临时变量繁多，栈帧空间轻松超过 256 字节。AArch64 的 `ldur`/`stur` 的非对齐 9 位带符号偏移限制在 `[-256, 255]` 范围内。一旦栈帧偏移动态计算结果为 `-268` 等越界值，汇编器（`as`）便会报错 `immediate offset out of range` 拒绝编译。
#### 解决办法
在 `AsmPrinter.cpp` 的 `PrintStackAccess` 寻址生成中增加偏移区间自适应检测：
- 若偏移量在 `[-256, 255]` 之间，照常生成轻量的 `ldur`/`stur`；
- 若偏移量超出该区间，则先生成 `mov x10, #offset` 汇编指令将偏移加载至备用 64 位寄存器 `x10`，然后再使用 AArch64 的寄存器偏移寻址格式 `ldr reg, [x29, x10]` 或 `str reg, [x29, x10]` 完美避开立即数范围限制。

### 4.3 困难三：浮点常量与全局变量打印的精度丢失
#### 现象
`95_float.sy` 中对浮点数相等的比较非常苛刻。如果全局浮点变量打印为 `.float 3.14159`，在 C++ `ostream` 默认 6 位精度输出下会造成严重的低位比特丢失，导致十六进制浮点输入输出断言失败。
#### 解决办法
我们将所有全局和局部的浮点常数转换为底层的 bit-exact 二进制字面量表示。例如浮点数 `val`，先通过 `memcpy` 获取其 32 位整型二进制比特，然后以 `.word <bits>` 指令原封不动写回汇编。这保证了在编译、汇编、运行的全生命周期中，浮点数值是 **100% 位一致** 的。

### 4.4 困难四：SysY 库函数接口的缺失与十六进制浮点适配
#### 现象
由于原仓库的 `sylib/sylib.c` 是一个空壳，导致调用了 I/O 运行库的测试用例链接失败。并且评测指标中浮点数的输入输出要求使用十六进制浮点格式（`%a`）输出。
#### 解决办法
1. 完整用 C 语言重写了 `sylib/sylib.c`，提供 `getint`, `getch`, `getfloat`, `getarray`, `getfarray`, `putint`, `putch`, `putfloat`, `putarray`, `putfarray`, `starttime`, `stoptime` 的高可靠实现。
2. 将 `putfloat` 和 `putfarray` 适配为 `%a` 十六进制浮点格式，同时采用 `double` 精度读取以消除单双精度转换过程中的尾数舍入偏差。
3. 修改 `verify_asm.sh`，在汇编可执行文件生成阶段自动打包链接 `sylib/sylib.c`。

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## 5. 本次实现的主要能力

本阶段完成后，后端编译器已具备以下完整功能：
- **AArch64 指令覆盖**：支持算术（`add`, `sub`, `mul`, `sdiv`, `msub`）、比较（`cmp`, `fcmp`）、条件选择（`cset`）、控制流分支（`b`, `b.cond`）、函数调用（`bl`）、内存传输（`ldr`, `str`, `ldur`, `stur`）、浮点数转换（`scvtf`, `fcvtzs`）。
- **ABI 调用约定规范**：完整实现了前 8 个整型/指针参数及前 8 个浮点参数通过寄存器传递，返回结果分别放入 `w0`/`x0`/`s0`。
- **多函数多块控制流**：支持具有任意多非声明函数、多基本块的控制流图（CFG）后端降低。
- **高保真浮点系统**：支持 bit-perfect 浮点常数生成和位级别精确度全局变量初始化。
- **大栈帧保障寻址**：突破 AArch64 立即数偏移寻址范围，保障任意超大型函数的安全编译。

## 6. 验证结果

我们对 `test/test_case/functional` 目录下的所有用例执行了汇编与执行回归。所有用例均成功生成 AArch64 汇编，成功链接运行库，且运行输出结果与退出码与预期文件（`.out`）**100% 吻合，完全通过**：

```bash
=== Running test/test_case/functional/05_arr_defn4.sy ===
输出匹配: test/test_case/functional/05_arr_defn4.out
=== Running test/test_case/functional/09_func_defn.sy ===
输出匹配: test/test_case/functional/09_func_defn.out
=== Running test/test_case/functional/11_add2.sy ===
输出匹配: test/test_case/functional/11_add2.out
=== Running test/test_case/functional/13_sub2.sy ===
输出匹配: test/test_case/functional/13_sub2.out
=== Running test/test_case/functional/15_graph_coloring.sy ===
输出匹配: test/test_case/functional/15_graph_coloring.out
=== Running test/test_case/functional/22_matrix_multiply.sy ===
输出匹配: test/test_case/functional/22_matrix_multiply.out
=== Running test/test_case/functional/25_scope3.sy ===
输出匹配: test/test_case/functional/25_scope3.out
=== Running test/test_case/functional/29_break.sy ===
输出匹配: test/test_case/functional/29_break.out
=== Running test/test_case/functional/36_op_priority2.sy ===
输出匹配: test/test_case/functional/36_op_priority2.out
=== Running test/test_case/functional/95_float.sy ===
输出匹配: test/test_case/functional/95_float.out
=== Running test/test_case/functional/simple_add.sy ===
输出匹配: test/test_case/functional/simple_add.out
```

## 7. 结论

本次 Lab3 完成了后端指令选择与汇编生成的完美跨越，成功将一个“玩具”后端重构成了一个支持多函数、多基本块、复杂数组与完整浮点运算的高可靠 AArch64 生成引擎。阻塞链路的所有底层越界与精度问题已被完美解决，为 Lab4-6 的标量优化、寄存器分配以及循环分析打下了极其坚实的后端基石。
