[backend]尝试在寄存器分配逻辑中区分调用者保存、被调用者保存寄存器

src/CMakeLists.txt

@@ -34,6 +34,7 @@ add_executable(sysyc
   RISCv64RegAlloc.cpp
   RISCv64AsmPrinter.cpp
   RISCv64Passes.cpp
+  RISCv64LLIR.cpp
 )
 
 # 设置 include 路径，包含 ANTLR 运行时库和项目头文件

src/RISCv64LLIR.cpp

@@ -0,0 +1,6 @@
+#include "RISCv64LLIR.h"
+#include <vector>
+
+namespace sysy {
+
+}

src/RISCv64RegAlloc.cpp

@@ -2,6 +2,8 @@
 #include "RISCv64ISel.h"
 #include <algorithm>
 #include <vector>
+#include <iostream> // For DEBUG output
+#include <cassert>  // For assert
 
 namespace sysy {
 
@@ -15,15 +17,28 @@ RISCv64RegAlloc::RISCv64RegAlloc(MachineFunction* mfunc) : MFunc(mfunc) {
         PhysicalReg::S4, PhysicalReg::S5, PhysicalReg::S6, PhysicalReg::S7,
         PhysicalReg::S8, PhysicalReg::S9, PhysicalReg::S10, PhysicalReg::S11,
     };
+
+    // 映射物理寄存器到特殊的虚拟寄存器ID，用于干扰图中的物理寄存器节点
+    // 确保这些特殊ID不会与vreg_counter生成的常规虚拟寄存器ID冲突
+    for (PhysicalReg preg : allocable_int_regs) {
+        preg_to_vreg_id_map[preg] = static_cast<unsigned>(PhysicalReg::PHYS_REG_START_ID) + static_cast<unsigned>(preg);
+    }
 }
 
+// 寄存器分配的主入口点
 void RISCv64RegAlloc::run() {
-    handleCallingConvention();
+    // 阶段 1: 处理函数调用约定（参数寄存器预着色）
-    eliminateFrameIndices();
+    handleCallingConvention();    
-    analyzeLiveness();
+    // 阶段 2: 消除帧索引（为局部变量和栈参数分配栈偏移）
-    buildInterferenceGraph();
+    eliminateFrameIndices();      
-    colorGraph();
+    // 阶段 3: 活跃性分析
-    rewriteFunction();
+    analyzeLiveness();            
+    // 阶段 4: 构建干扰图（包含CALL指令对调用者保存寄存器的影响）
+    buildInterferenceGraph();     
+    // 阶段 5: 图着色算法分配物理寄存器
+    colorGraph();                 
+    // 阶段 6: 重写函数（插入溢出/填充代码，替换虚拟寄存器为物理寄存器）
+    rewriteFunction();            
 }
 
 /**
@@ -43,7 +58,10 @@ void RISCv64RegAlloc::handleCallingConvention() {
             if (arg_idx >= 8) {
                 break;
             }
-
+            // 获取该 Argument 对象对应的虚拟寄存器ID
+            // 通过 MachineFunction -> RISCv64ISel -> vreg_map 来获取
+            const auto& vreg_map_from_isel = MFunc->getISel()->getVRegMap();
+            assert(vreg_map_from_isel.count(arg) && "Argument not found in ISel's vreg_map!"); 
             // 1. 获取该 Argument 对象对应的虚拟寄存器
             unsigned vreg = isel->getVReg(arg);
             
@@ -58,6 +76,9 @@ void RISCv64RegAlloc::handleCallingConvention() {
     }
 }
 
+/**
+ * @brief 消除帧索引，为局部变量和栈参数分配栈偏移量，并展开伪指令。
+ */
 void RISCv64RegAlloc::eliminateFrameIndices() {
     StackFrameInfo& frame_info = MFunc->getFrameInfo();
     // 初始偏移量，为保存ra和s0留出空间。
@@ -185,30 +206,38 @@ void RISCv64RegAlloc::eliminateFrameIndices() {
     }
 }
 
+/**
+ * @brief 计算给定 MachineInstr 的 Use (读取) 和 Def (写入) 寄存器集合。
+ * 这是活跃性分析的基础。
+ * @param instr 要分析的机器指令。
+ * @param use 存储 Use 寄存器（虚拟寄存器 ID）的集合。
+ * @param def 存储 Def 寄存器（虚拟寄存器 ID）的集合。
+ */
 void RISCv64RegAlloc::getInstrUseDef(MachineInstr* instr, LiveSet& use, LiveSet& def) {
-    bool is_def = true;
+    bool first_reg_is_def = true; // 默认情况下，指令的第一个寄存器操作数是定义 (def)
     auto opcode = instr->getOpcode();
 
-    // --- MODIFICATION START: 细化对指令的 use/def 定义 ---
+    // 1. 特殊指令的 `is_def` 标志调整
-    
+    // 这些指令的第一个寄存器操作数是源操作数 (use)，而不是目标操作数 (def)。
-    // 对于没有定义目标寄存器的指令，预先设置 is_def = false
     if (opcode == RVOpcodes::SW || opcode == RVOpcodes::SD || 
         opcode == RVOpcodes::BEQ || opcode == RVOpcodes::BNE || 
         opcode == RVOpcodes::BLT || opcode == RVOpcodes::BGE ||
         opcode == RVOpcodes::BLTU || opcode == RVOpcodes::BGEU ||
         opcode == RVOpcodes::RET || opcode == RVOpcodes::J) {
-        is_def = false;
+        first_reg_is_def = false;
+    }
+
+    // JAL 和 JALR 指令定义 ra (x1)
+    if (opcode == RVOpcodes::JAL || opcode == RVOpcodes::JALR) {
+        // 使用 ra 对应的特殊虚拟寄存器ID
+        def.insert(static_cast<unsigned>(PhysicalReg::RA)); 
+        first_reg_is_def = false; // JAL/JALR 的第一个操作数是 ra，已经处理为 def
     }
     
-    // 对 CALL 指令进行特殊处理
+    // 2. CALL 指令的特殊处理
     if (opcode == RVOpcodes::CALL) {
-        // CALL 指令的第一个操作数通常是目标函数标签，不是寄存器。
+        // 1.1 处理返回值 (def)
-        // 它可能会有一个可选的返回值（def），以及一系列参数（use）。
+        // 约定：如果CALL指令有返回值，IR阶段会将返回值vreg作为指令的第一个操作数。
-        // 这里的处理假定 CALL 的机器指令操作数布局是：
-        // [可选: dest_vreg (def)], [函数标签], [可选: arg1_vreg (use)], [可选: arg2_vreg (use)], ...
-        
-        // 我们需要一种方法来识别哪些操作数是def，哪些是use。
-        // 一个简单的约定：如果第一个操作数是寄存器，则它是def（返回值）。
         if (!instr->getOperands().empty() && instr->getOperands().front()->getKind() == MachineOperand::KIND_REG) {
              auto reg_op = static_cast<RegOperand*>(instr->getOperands().front().get());
              if (reg_op->isVirtual()) {
@@ -216,14 +245,19 @@ void RISCv64RegAlloc::getInstrUseDef(MachineInstr* instr, LiveSet& use, LiveSet&
              }
         }
 
-        // 遍历所有操作数，非第一个寄存器操作数均视为use
+        // 1.2 处理参数 (use)
-        bool first_reg_skipped = false;
+        // 参数通常是指令的后续操作数
+        bool first_operand_processed = false; // 用于跳过已作为def处理的返回值
         for (const auto& op : instr->getOperands()) {
             if (op->getKind() == MachineOperand::KIND_REG) {
-                if (!first_reg_skipped) {
+                if (!first_operand_processed) { // 如果是第一个操作数
-                    first_reg_skipped = true;
+                    first_operand_processed = true;
-                    continue; // 跳过我们已经作为def处理的返回值
+                    // 如果第一个操作数是返回值（已被加入def），则跳过
+                    if (def.count(static_cast<RegOperand*>(op.get())->getVRegNum())) {
+                        continue; 
+                    }
                 }
+                // 否则，该寄存器是 use
                 auto reg_op = static_cast<RegOperand*>(op.get());
                 if (reg_op->isVirtual()) {
                     use.insert(reg_op->getVRegNum());
@@ -231,34 +265,43 @@ void RISCv64RegAlloc::getInstrUseDef(MachineInstr* instr, LiveSet& use, LiveSet&
             }
         }
 
-        // **重要**: CALL指令还隐式定义（杀死）了所有调用者保存的寄存器。
+        // **重要**: CALL指令隐式定义（杀死）了所有调用者保存的寄存器。
-        // 一个完整的实现会在这里将所有caller-saved寄存器标记为def，
+        // **这部分逻辑不在getInstrUseDef中直接处理**。
-        // 以确保任何跨调用存活的变量都不会被分配到这些寄存器中。
+        // 而是通过`buildInterferenceGraph`中添加物理寄存器节点与活跃虚拟寄存器之间的干扰边来完成。
-        // 这个简化的实现暂不处理隐式def，但这是未来优化的关键点。
+        // 这样 Liveness Analysis 可以在虚拟寄存器层面进行，而物理寄存器干扰的复杂性则留给干扰图。
 
         return; // CALL 指令处理完毕，直接返回
     }
     
-    // --- MODIFICATION END ---
+    // 3. 对其他所有指令的通用处理逻辑
-    
-    // 对其他所有指令的通用处理逻辑
     for (const auto& op : instr->getOperands()) {
         if (op->getKind() == MachineOperand::KIND_REG) {
             auto reg_op = static_cast<RegOperand*>(op.get());
-            if (reg_op->isVirtual()) {
+            if (reg_op->isVirtual()) { // 只有虚拟寄存器才需要处理 Use/Def
-                if (is_def) {
+                // 如果是第一个寄存器操作数，且指令类型表明它是定义 (def)，则加入 def 集合
+                // 否则，它是 use (读取)
+                if (first_reg_is_def) { 
                     def.insert(reg_op->getVRegNum());
-                    is_def = false; // 一条指令通常只有一个目标寄存ator
+                    first_reg_is_def = false; // 确保每条指令只定义一个目标寄存器
                 } else {
                     use.insert(reg_op->getVRegNum());
                 }
             }
         } else if (op->getKind() == MachineOperand::KIND_MEM) {
-            // 内存操作数 `offset(base)` 中的 base 寄存器是 use
+            // 内存操作数 `offset(base)` 中的 `base` 寄存器是 `use`
             auto mem_op = static_cast<MemOperand*>(op.get());
             if (mem_op->getBase()->isVirtual()) {
                 use.insert(mem_op->getBase()->getVRegNum());
             }
+            // 对于存储内存指令 (SW, SD)，要存储的值（第一个操作数）也是 `use`
+            if ((opcode == RVOpcodes::SW || opcode == RVOpcodes::SD) && 
+                 !instr->getOperands().empty() && // 确保有操作数
+                 instr->getOperands().front()->getKind() == MachineOperand::KIND_REG) { // 且第一个操作数是寄存器
+                auto src_reg_op = static_cast<RegOperand*>(instr->getOperands().front().get());
+                if (src_reg_op->isVirtual()) {
+                    use.insert(src_reg_op->getVRegNum());
+                }
+            }
         }
     }
 }
@@ -344,6 +387,7 @@ void RISCv64RegAlloc::analyzeLiveness() {
 
 void RISCv64RegAlloc::buildInterferenceGraph() {
     std::set<unsigned> all_vregs;
+    // 收集所有虚拟寄存器和物理寄存器在干扰图中的节点ID
     for (auto& mbb : MFunc->getBlocks()) {
         for(auto& instr : mbb->getInstructions()) {
             LiveSet use, def;
@@ -352,6 +396,11 @@ void RISCv64RegAlloc::buildInterferenceGraph() {
             for(auto d : def) all_vregs.insert(d);
         }
     }
+    // 添加所有物理寄存器对应的特殊虚拟寄存器ID到all_vregs，作为干扰图节点
+    for (auto preg : allocable_int_regs) {
+        all_vregs.insert(preg_to_vreg_id_map.at(preg));
+    }
+
 
     for (auto vreg : all_vregs) { interference_graph[vreg] = {}; }
 
@@ -361,6 +410,7 @@ void RISCv64RegAlloc::buildInterferenceGraph() {
             getInstrUseDef(instr.get(), use, def);
             const LiveSet& live_out = live_out_map.at(instr.get());
 
+            // 标准干扰图构建：def 与 live_out 中的其他变量干扰
             for (unsigned d : def) {
                 for (unsigned l : live_out) {
                     if (d != l) {
@@ -369,6 +419,24 @@ void RISCv64RegAlloc::buildInterferenceGraph() {
                     }
                 }
             }
+
+            // *** 核心修改点：处理 CALL 指令的隐式 def ***
+            if (instr->getOpcode() == RVOpcodes::CALL) {
+                // CALL 指令会定义（杀死）所有调用者保存的寄存器。
+                // 因此，所有调用者保存的物理寄存器都与 CALL 指令的 live_out 中的所有变量冲突。
+                const std::vector<PhysicalReg>& caller_saved_regs = getCallerSavedIntRegs();
+                for (PhysicalReg cs_reg : caller_saved_regs) {
+                    unsigned cs_vreg_id = preg_to_vreg_id_map.at(cs_reg); // 获取物理寄存器对应的特殊vreg ID
+                    
+                    // 将这个物理寄存器节点与 CALL 指令的 live_out 中的所有虚拟寄存器添加干扰边。
+                    for (unsigned live_vreg_out : live_out) {
+                        if (cs_vreg_id != live_vreg_out) { // 避免自己和自己干扰
+                            interference_graph[cs_vreg_id].insert(live_vreg_out);
+                            interference_graph[live_vreg_out].insert(cs_vreg_id);
+                        }
+                    }
+                }
+            }
         }
     }
 }

src/include/RISCv64ISel.h

@@ -17,6 +17,8 @@ public:
     // 公开接口，以便后续模块（如RegAlloc）可以查询或创建vreg
     unsigned getVReg(Value* val);
     unsigned getNewVReg() { return vreg_counter++; }
+    // 获取 vreg_map 的公共接口
+    const std::map<Value*, unsigned>& getVRegMap() const { return vreg_map; }
 
 private:
     // DAG节点定义，作为ISel的内部实现细节

src/include/RISCv64LLIR.h

@@ -35,7 +35,12 @@ enum class PhysicalReg {
     // (保持您原有的 F0-F31 命名)
     F0, F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8, F9, F10, F11, 
     F12, F13, F14, F15, F16, F17, F18, F19, F20, F21, 
-    F22, F23, F24, F25, F26, F27, F28, F29, F30, F31
+    F22, F23, F24, F25, F26, F27, F28, F29, F30, F31,
+
+    // 用于内部表示物理寄存器在干扰图中的节点ID（一个简单的特殊ID，确保不与vreg_counter冲突）
+    // 假设 vreg_counter 不会达到这么大的值
+    PHYS_REG_START_ID = 10000, 
+    PHYS_REG_END_ID = PHYS_REG_START_ID + 32, // 预留足够的空间
 };
 
 // RISC-V 指令操作码枚举
@@ -67,6 +72,9 @@ enum class RVOpcodes {
     FRAME_ADDR,  // 获取栈帧变量的地址
 };
 
+// 定义一个全局辅助函数或常量，提供调用者保存寄存器列表
+const std::vector<PhysicalReg>& getCallerSavedIntRegs();
+
 class MachineOperand;
 class RegOperand;
 class ImmOperand;
@@ -215,6 +223,15 @@ private:
     StackFrameInfo frame_info;
 };
 
+inline const std::vector<PhysicalReg>& getCallerSavedIntRegs() {
+    static const std::vector<PhysicalReg> regs = {
+        PhysicalReg::T0, PhysicalReg::T1, PhysicalReg::T2, PhysicalReg::T3,
+        PhysicalReg::T4, PhysicalReg::T5, PhysicalReg::T6,
+        PhysicalReg::A0, PhysicalReg::A1, PhysicalReg::A2, PhysicalReg::A3,
+        PhysicalReg::A4, PhysicalReg::A5, PhysicalReg::A6, PhysicalReg::A7
+    };
+    return regs;
+}
 } // namespace sysy
 
 #endif // RISCV64_LLIR_H

src/include/RISCv64RegAlloc.h

@@ -2,6 +2,7 @@
 #define RISCV64_REGALLOC_H
 
 #include "RISCv64LLIR.h"
+#include "RISCv64ISel.h" // 包含 RISCv64ISel.h 以访问 ISel 和 Value 类型
 
 namespace sysy {
 
@@ -56,6 +57,7 @@ private:
     // 存储vreg到IR Value*的反向映射
     // 这个map将在run()函数开始时被填充，并在rewriteFunction()中使用。
     std::map<unsigned, Value*> vreg_to_value_map;
+    std::map<PhysicalReg, unsigned> preg_to_vreg_id_map; // 物理寄存器到特殊vreg ID的映射
     
     // 用于计算类型大小的辅助函数
     unsigned getTypeSizeInBytes(Type* type);