L语言编译器的设计与实现之设计篇

1、任务:实现一个简单的编译程序，能够对指定程序设计语言进行编译。

编译器组成成分：

    1.扫描器

    该扫描器是一个子程序，其输入是源程序字符串，每调用一次输出一个单词符号。为了避免超前搜索，提高运行效率，简化扫描器的设计，假设程序设计语言中，基本字不能用作一般标识符，如果基本字、标识符和常数之间没有确定的运算符或界符作间隔，则用空白作间隔。

    2.语法分析器

    以算法优先分析方法为例，设计一个算符优先语法分析程序。算符优先分析属于自下而上的分析方法，该语法分析程序的输入是终结符号串（即单词符号串，以一个“#”结尾），如果输入串是句子则输出“YES”，否则输出“NO”和错误信息。当然，也可采用预测分析等方法设计语法分析器，具体方法自定。

    3.语法制导翻译程序

    采用语法制导翻译方法，实现算术表达式、赋值语句和基本控制语句等的翻译。本语法制导翻译程序的输入是终结符号串（即单词符号串，以一个“#”结尾），如果输入符号串是句子,则按照其语义进行翻译,输出等价的四元式序列。

    4.目标代码生成器

    将程序设计语言的中间代码程序翻译为目标代码程序，其输入是四元式序列，输出是一个汇编代码文件。

 

    每个环节可作为一个独立的实践课题，分别编程调试，然后再连接在一起总调，从而实现一个完整的编译器。

2、L语言定义

  程序定义：

    〈程序〉→ program〈标识符〉〈程序体〉.

    〈程序体〉→〈变量说明〉〈复合句〉

  变量定义：

    〈变量说明〉→ var〈变量定义〉|ε

    〈变量定义〉→〈标识符表〉：〈类型〉；｜〈标识符表〉：〈类型〉；〈变量定义〉

    〈标识符表〉→〈标识符〉，〈标识符表〉｜〈标识符〉

  语句定义：

    〈复合句〉→ begin〈语句表〉end

    〈语句表〉→〈执行句〉；〈语句表〉｜〈执行句〉   (执行句：while  , If  ,赋值语句)

    〈执行句〉→〈简单句〉｜〈结构句〉

    〈简单句〉→〈赋值句〉

    〈赋值句〉→〈变量〉：＝〈表达式〉

    〈变量〉→〈标识符〉

    〈结构句〉→〈复合句〉｜〈if句〉｜〈WHILE句〉

    〈if句〉→ if〈布尔表达式〉then〈执行句〉| if〈布尔表达式〉then〈执行句〉else〈执行句〉

    〈while句〉→ while〈布尔表达式〉do〈执行句〉

  表达式定义：

    〈表达式〉→〈算术表达式〉｜〈布尔表达式〉

    〈算术表达式〉→〈项〉＋〈算术表达式〉｜〈项〉－〈算术表达式〉｜〈项〉

    〈项〉→〈项〉＊〈因子〉｜〈项〉／〈因子〉｜〈因子〉

    〈因子〉→〈算术量〉

    〈算术量〉→〈标识符〉｜〈整数〉｜〈实数〉

    〈布尔表达式〉→〈布尔项〉or〈布尔表达式〉｜〈布尔项〉

    〈布尔项〉→〈布尔因子〉and〈布尔项〉｜〈布尔因子〉

    〈布尔因子〉→ not〈布尔因子〉｜〈布尔量〉

    〈布尔量〉→〈布尔常数〉｜〈标识符〉｜（〈布尔表达式〉）｜〈关系表达式〉

    〈关系表达式〉→〈标识符〉〈关系运算符〉〈标识符〉

    〈关系运算符〉→〈|〈＝ |＝|〉＝|〉|〈〉

  类型定义：

    〈类型名〉→ integer｜bool | real

  单词定义：

    〈标识符〉→〈字母〉｜〈标识符〉〈字母〉｜〈标识符〉〈数字〉

    〈整数〉→〈数字〉｜〈整数〉〈数字〉

    〈实数〉→〈整数〉.｜〈实数〉〈数字〉

    〈布尔常数〉→ true｜false

  字符定义：

    〈字母〉→  A│B│C│D│E│F│G│H│I│J│K│L│M│N│O│P│Q│R│S│T│

    U│V│W│X│Y│Z│a│b│c│d│e│f│g│h│i│j│k│l│m│n│o│

    p│q│r│s│t│u│v│w│x│y│z

    〈数字〉→  0│1│2│3│4│5│6│7│8│9

3、源程序书写格式规定

   (1) 单词必须在一行内写完，即：一个单词不能分两行写；

   (2) 源程序语句的书写采用自由格式，即：一行可写多个语句，一个语句也可分多行写；

   (3) 源程序不含注释；

   (4) 语句以“；”结束，“end”前的一个语句的“；”不可以省略。

 第二节  词法分析

1、目的

   通过设计调试词法分析程序，实现从源程序中分出各种单词的方法；加深对课堂教学的理解；提高词法分析方法的实践能力；掌握词法分析器作为子程序以及一遍的处理过程。

            

2、任务

   (1) 能对任何L语言源程序进行分析；

   (2) 采用问答方式输入源程序文件名，然后进行词法分析；

   (3) 分割单词并转换成机内表示形式，形成token文件（单词序列）、符号表文件；

   (4) 删除空格等无用符号；

   (5) 错误处理

    l 给出的错误信息包括：总的出错个数，每个错误所在行号，错误编号及说明；

     l 只处理以下两种错误，其它可不必考虑

      1.非法字符：删除，即，不写入token文件

       2.错误单词

         a)包括三种形式：

         i.数字开头的数字、字母串，如：3a56

         ii.实数中出现两个小数点，如：3.14.15

         iii.实数的小数部分出现字母，如：5.26B78

          b)处理方式：截去后面出错部分，使其成为一个正确单词（即：常数）。如：3a56转换为3，3.14.15转换为3.14，5.26B78转换为5.26

3、数据结构

  3.1输入

    L源程序，为文本文件。

  3.2输出

    一个单词序列文件（即：token文件）和一个符号表文件，并输出错误信息。

   (1) token文件结构

    typedef struct token

    {

     int label;  //单词序号

     char name[30];  //单词本身

     int code;  //单词的机内码

     int addr;  //地址，单词为保留字时为-1，为标识符或常数时为大于0的数值，即在符号表中的入口地址。

    } token;

     单词的机内码表示：

      

   (2) 符号表文件结构

     符号表用来存放L语言源程序中出现的标识符和常数，文件结构如下：

            typedef struct symble

           {

             intnumber;  //序号

             inttype;  //类型

             charname[30];  //名字

           } symble;

4、词法分析程序流程图

                            

 

第三节  语法/语义分析

1、目的

   通过设计、编制、调试一个典型的语法分析程序，实现对词法分析程序所提供的单词序列进行语法检查和结构分析，进一步掌握常用的语法分析方法。

2、任务

   在词法分析程序产生的token文件、符号表文件基础上，完成语法和语义分析，产生相应的中间代码——四元式序列。在此，可把语法/语义分析作为独立的一遍进行处理。

       

采用如下四元式：

操作码助记符

四元式

意  义

:=

 ( 51, a, 0, r )

r←a

+

 ( 43, a, b, r )

r←a+b

-

 ( 45, a, b, r )

r←a-b

*

 ( 41, a, b, r )

r←a*b

/

 ( 48, a, b, r )

r←b/a

j<

 ( 53, a, b, n )

  若a<b转至第n个四元式 

j<=

 ( 54, a, b, n )

  若a<=b转至第n个四元式 

j>

 ( 57, a, b, n )

若a>b转至第n个四元式

j>=

 ( 58, a, b, n )

若a>=b转至第n个四元式

j =

 ( 56, a, b, n )

若a=b转至第n个四元式

j

 ( 52, 0, 0, n )

转至第n个四元式

j <>

 ( 55, a, b, n )

若a<>b转至第n个四元式

3、数据结构

 3.1输入

   token文件、符号表文件，其数据结构与词法分析产生的文件相同。

 3.2输出

   l 四元式序列文件，其纪录结构如下：

   typedef struct equ

   {

    int op;  //四元式操作码

    int op1;  //操作数在符号表中的入口地址

    int op2;  //操作数在符号表中的入口地址

    int result;  //结果变量在符号表中的入口地址

   } equ;

   l 程序中可用数组Equ存放四元式序列，定义为：equ Equ[EQU_LEN]

   l 可用变量int LineOfEqu做指针，指向下一个即将产生的四元式

   l 符号表文件的结构与输入相同，语法分析中对于符号表不做操作，只是在文件头部增加一个记录变量多少的数据。

4、程序结构说明

 为方便编程，将语言文法整理如下：

     L→S| S ; L

     S→id:= E

     S→ifB then S

     S→ifB then S else S

     S→whileB do S

     S→beginL end

  变量说明语句的文法：

     S→varD|ε

     D→L: K ; | L : K ; D

     L→i, L | i

     K→integer| bool | real

  其中，B表示布尔表达式，E表示算术表达式

  可采用递归下降分析法或其它方法进行语法分析。语法/语义分析程序可划分为三个模块，结构如下：

    

     

 

 

第四节 目标代码生成

1、目的

   实践目标代码的生成方法。

2、任务

   编写一个目标代码生成程序，将L语言的中间代码程序翻译为目标代码程序（汇编语言程序），如下图：

         

  目标机说明：

    l  以8086微处理机为目标机，生成8086汇编指令

    l  8086是16位微处理器，数据总线为16位，地址总线为20位，可寻址1MB的空间

    l  8086有8个16位通用寄存器和一个标志寄存器。这8个寄存器AX-DI都可以用作累加器。其中，BX和BP（基地址指针）寄存器通常用于指定数据区的基址，称为基址寄存器，SI和DI大多用来表示相对基址的偏移量，称为变址寄存器

    l  8086的地址空间是分段的，每段64KB

    l  简单起见，本实验不涉及段间寻址，数据与代码都放在一个段内

    l  实验中选用以下寻址功能，圆括号表示取其内容：

        n  寄存器寻址： MOV AX,BX;

          功能：AX←(BX)

        n  直接寻址：MOV AX,DATA;

          功能：AX←(DATA)

    l  常用指令：

        n  传送指令：r表示寄存器，m表示内存单元

          MOV  r, r/m    r←(r/m), r/m表示r或m

          MOV  r/m, r    r/m←(r)

          MOV  r/m, imm r/m←imm, imm是立即数

        n  运算指令：包括ADD，SUB，MUL，DIV，CMP等。下面以ADD为例说明其用法：

          ADD  r, r/m     r←(r)+(r/m)

          ADD  r/m, r/imm r/m←(r/m)+(r)或imm

        n  CMP只影响标志位，不影响操作数的大小

        n  转移指令：Z是标志位，S是符号位，O是溢出位

 

指令码

意义

条件

JZ, JE

结果为0或相等则转

Z=1，(A) = (B)

JNZ, JNE

结果不为0或不相等则转

Z=0，(A)≠(B)

JNL, JGE

大于等于转

(S∨O)=0，(A)≥(B)

JL, JNGE

小于转

(S∨O)=1，(A)<(B)

JG, JNLE

大于转

(S∨O∨Z)=0，(A)>(B)

JMP

无条件转移

 

3、数据结构

  3.1输入

    四元式序列文件和符号表文件，其结构与语法/语义分析程序的输出一致。

  3.2输出

     一个汇编代码文件，并无特殊数据结构。

4、程序参考结构：

  将中间代码程序（四元式序列）翻译成汇编程序可按以下步骤进行：

    (1) 划分基本块

    (2) 对每个基本块生成基本块的目标代码

      

    为了划分和记录基本块，对四元式结构作以下修改：

      typedef struct GenStruct

      {

        int label;

        char op[4];

        int code;

        int addr1;

        int addr2;

        int result;

        int out_port;  //记录该四元式是否为一个基本块的入口，是则为1，否则为0。

      } GenStruct;

5、寄存器分配策略

  主要采用四个通用寄存器：ax, bx, cx, dx, 其中，ax, cx的作用固定，ax用作累加器，cx用作循环计数器，在四元式翻译时直接应用不再分配。所以分配策略只用于bx与dx，具体算法如下：

    if (bx未被使用或已分配给了变量a) {

      bx分配给变量a;

    }

    else {

      if (dx未被使用或已分配给了变量a){

        dx分配给变量a;

      }

      else {

        其它策略；

      }

    }

   注：a为变量在符号表的入口地址。

6、代码生成器的模块结构及说明

                               

   实现时，整个程序的四元式表和目标代码文件说明为全局数据。调用划分基本块模块之后，返回新的四元式序列（带入口标记）。先根据基本块的入口，再查找下一入口，两个入口之间就是该基本块。

下一篇：L语言编译器的设计与实现之实践篇（一）