Ｔｉｎｙ　ＦＯＲＴＲＡＮ　ＦＯＲＭ ――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― Ｉ／Ｏ　１９８０年　５、６、７、８、９月号掲載 ＭＺ−８０ マシン語 起動方法 モニタからロード ――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― [３]コンパイラについて ――――――――――――――――――― １　ＦＯＲＭのコンパイラ ――――――――――――――――――― インタープリタは皆さんもよく知っているとおり ソース・プログラムを読みながら解釈し、 そのつど実行するものです。 したがって、ソース・プログラムを実行させるためには インタープリタが実行時に存在していなければなりません。 この結果メモリの使用効率は極めて悪く、実行スピードが遅くなります。 その反面、インタープリタ自体の構造も比較的簡単に作ることができ、 また、大容量の外部ファイルやＯＳも必要なく、 小規模システムより乗り易いという特徴があります。 これと反対に、コンパイラはソース・プログラムを一括して マシン語のプログラムに変換してしまうので、 実行時にはコンパイラそのものが必要なく、 コンパイルされたオブジェクト・プログラムがあれば実行可能です。 実行速度はマシン語レベルのスピードを維持できますが、 反対にコンパイルするために時間がかかり、 コンパイル時のメモリ使用効率は悪くなります。 また、大容量の外部ファイルが必要となり、 システムがある程度大きくないと、コンパイラを走らせることができません。 ＦＯＲＭは一応コンパイラに属しますが、 外部ファイルを使用せず、 すべてメモリの中で処理するという 通常のコンパイラから見れば特異な構造を持っています。 しかし、このような構造にすることで、 すぐ実行可能なオブジェクトを生成することができ、 インタープリタ並みにプログラムを開発するということが ある程度できるようになっています。 また、サブルーチンのリンクに関することですが、 以前にも述べた通り固定リンクの方法を使っています。 通常、　コンパイラはテキストをコンパイルして リロケータブル・バイナリ（ＲＢ）の形で出力します。 次に、このＲＢをリロケータブル・ローダ またはリンカーを使ってサブプログラムのリンクを行ない、 実行イメージ・オブジェクトを作り、 それを一旦外部ファイルに出力し、 そのファイルを通常の実行形バイナリとして実行します。 このような形態の場合、必ず外部ファイルを必要とします。 しかもリンカーなどが必要な上、 コンパイルするためにかなり時間がかかります。 ＦＯＲＭは固定リンクの採用により、 リンカーやローダが不必要になりました。 このことは、コンパイル時にすでにリンクしたパッケージを 用意することで実現できます。 このことから、当然ＦＯＲＭのオブジェクトは リロケータブルなものではなく、 固定のアドレスでしか動作しません。 固定リンクは複雑なリンカーが必要でなく、 すぐ実行可能なオブジェクトが作れるため、 コンパイラそのものが簡単になるという特徴を持っています。 ――――――――――――――――――― 　２　ＦＯＲＭの構造 ――――――――――――――――――― ＦＯＲＭは基本的にＲＡＭ２０Ｋで動作するように設計され、 大別してエディタとコンパイラに分かれます。 エディタはそう重要ではないので、ここでは省略します。 興味のある方はシャープのテキスト・エディタを参考にしてください。 １）式について 式はすべて整数演算で、変数、定数、配列と演算子の加減乗除、 および関数から構成されています。 変数は最初の１文字が英字で始まる英数字４文字以内で表わし、 定数は１０進および１６進定数があります。 関数はＧＥＴ、ＡＢＳ、ＭＯＤ、ＬＯＷ、 ＳＩＧＮ、ＩＯＣ、ＭＥＭ、ＲＮＤの８個です。 ＧＥＴはリアルタイムのキー入力、 ＩＯＣはＩ／Ｏポートを直接アクセスし、 ＭＥＭはメモリ内を直接アクセスできる関数です。 さて、この式のコンパイルは図１のような構文に基づいて作られます。 実際に定数は、 ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ ｜　　ＬＤ　ＨＬ，ＸＸＸＸＨ　　　　｜ ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ となり、変数は、 ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ ｜　　ＬＤ　ＨＬ，（ＸＸＸＸＨ）　　｜ ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ というように展開します。 配列はＢＣ、ＤＥに配列のパラメータを入れ、ＨＬに引数を持たせて、 配列の処理サブルーチンをコールします。 ただし、１次元、２次元はパラメータの意味が少々異なります。 関数は各関数でそれぞれ違う処理をしているので、 パラメータをセットするレジスタは異なります。 　　　　　　　図１　式の構文図 　ａ）ＴＥＲＭ　　　　　　　　　／￣￣￣￣￣￣￣＼ 　　　　　　　　　　○――――｜　Ｔ　Ｅ　Ｒ　Ｍ　｜―――――○ 　　　　　　　　　　　　　　↑　＼＿＿＿＿＿＿＿／　｜ 　　　　　　　　　　　　　　｜　　　　　　　　　　　｜ 　　　　　　　　　　　　　　｜　　　・−−−・　　　｜ 　　　　　　　　　　　　　　｜　・―｜　＋　｜―・　｜ 　　　　　　　　　　　　　　｜＿｜　・−−−・　｜←・ 　　　　　　　　　　　　　　　　｜　・−−−・　｜ 　　　　　　　　　　　　　　　　・―｜　−　｜―・ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　・−−−・ 　ｂ）ＦＡＣＴ　　　　　　　　　／￣￣￣￣￣￣￣＼ 　　　　　　　　　　○――――｜　Ｆ　Ａ　Ｃ　Ｔ　｜―――――○ 　　　　　　　　　　　　　　↑　＼＿＿＿＿＿＿＿／　｜ 　　　　　　　　　　　　　　｜　　　　　　　　　　　｜ 　　　　　　　　　　　　　　｜　　　・−−−・　　　｜ 　　　　　　　　　　　　　　｜　・―｜　＊　｜―・　｜ 　　　　　　　　　　　　　　｜＿｜　・−−−・　｜←・ 　　　　　　　　　　　　　　　　｜　・−−−・　｜ 　　　　　　　　　　　　　　　　・―｜　／　｜―・ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　・−−−・ 　ｃ）式　　　　　　　　　　　　　　／￣￣￣＼ 　　　　　　　　　　○――――――｜　定　数　｜――――――○ 　　　　　　　　　　　｜　　　　　　＼＿＿＿／　　　　　　↑ 　　　　　　　　　　　｜　　　　　　／￣￣￣＼　　　　　　｜ 　　　　　　　　　　　｜―――――｜　変　数　｜――――→｜ 　　　　　　　　　　　｜　　　　　　＼＿＿＿／　　　　　　｜ 　　　　　　　　　　　｜　　　　　　／￣￣￣＼　　　　　　｜ 　　　　　　　　　　　｜―――――｜　関　数　｜――――→｜ 　　　　　　　　　　　｜　　　　　　＼＿＿＿／　　　　　　｜ 　　　　　　　　　　　｜　・―・　　／￣￣￣＼　　・―・　｜ 　　　　　　　　　　　・→｜（｜―｜　　式　　｜―｜）｜―・ 　　　　　　　　　　　　　・―・　　＼＿＿＿／　　・―・ ＲＮＤ、ＡＢＳ、ＧＥＴ、ＭＯＤ、ＳＩＧＮ、ＩＯＣの一部は サブルーチンで処理しますが、 ＩＯＣの一部やＭＥＭ、ＬＯＷは 展開したオブジェクトの方で処理していきます。 次に演算子ですが、 すべてＤＥ、ＨＬ間で演算を行ないＨＬに結果を入れます。 ２）基本的なコンパイルの動作 Ａ＊Ｂ＋Ｃ＊Ｄは次のように展開されます。 ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ ｜　　ＬＤ　　　ＨＬ，（ＶＡＲＡ）　｜ ｜　　ＰＵＳＨ　ＤＥ　　　　　　　　｜ ｜　　ＥＸ　　　ＤＥ，ＨＬ　　　　　｜ ｜　　ＬＤ　　　ＨＬ，（ＶＡＲＢ）　｜ ｜　　ＣＡＬＬ　ＭＬＴＳＵＢ　　　　｜ ｜　　ＰＯＰ　　ＤＥ　　　￣｜＊　　｜ ｜　　ＰＵＳＨ　ＤＥ　　　＿｜　　　｜ ｜　　ＥＸ　　　ＤＥ，ＨＬ　　　　　｜ ｜　　ＬＤ　　　ＨＬ，（ＶＡＲＣ）　｜ ｜　　ＰＵＳＨ　ＤＥ　　　　　　　　｜ ｜　　ＥＸ　　　ＤＥ，ＨＬ　　　　　｜ ｜　　ＬＤ　　　ＨＬ，（ＶＡＲＤ）　｜ ｜　　ＣＡＬＬ　ＭＬＴＳＵＢ　　　　｜ ｜　　ＰＯＰ　　ＤＥ　　　　　　　　｜ ｜　　ＡＤＤ　　ＨＬ，ＤＥ　　　　　｜ ｜　　ＰＯＰ　　ＤＥ　　　　　　　　｜ ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ ＦＯＲＭではテキストは上記のようにコンパイルされますが、 一見して『＊』のところがムダであることがわかると思います。 この部分はオプティマイズすべきなのですが、 この式を逆ポーランド記法を使って処理すれば解決するものの、 そこまでやってしまうとコンパイラそのものが複雑になります。 整数型でもあるし、無理してそこまでやる必要性も感じなかったので、 今回はそのままにしてあります。 ３）変数の管瓊 次に変数の管理ですが、 ＦＯＲＭは１パス形のため以下の方法を採用しています。 コンパイル中、変数が出てきた場合は 変数テーブルをサーチして、 その変数がなければテーブルを追加して オフセット・アドレスを増じて使います。 そして、そのオフセットを一時的な変数のアドレスとして処理し、 そのアドレスをアクセスするアドレスをテーブルに定義します。 コンパイルが終了した段階では オブジェクトの終了アドレスにオフセットを加えたアドレスが 物理的な変数のアドレスになります。 具体的には、変数テーブルをサーチして、 その定義したアドレス内のデータを読み込み、 オブジェクトの終了アドレスを加算してからテーブルに戻しています。 したがって、変数を１回使用すると そのアドレスを表現するために３バイトのテーブルが使用されます。 また、１つの変数に付き８バイトの管理テーブルが使われます。 ４）実際のコンパイル それでは、例として次の式をコンパイルしてみます。 ・−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−・ ｜　ＡＢＣ＋１０＊ＺＺＺ−（＄２０＋ＪＪＪ／３）　｜ ・−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−・ まず、変数名をフェッチし、リザーブド・ワード（予約語）かどうか判断します。 リザーブのときはエラーとし、この行はコンパイルされません。 次に、関数かどうか判断します。 この場合、単なる変数なので関数処理は行ないません。 さて、ＡＢＣという変数はすでにテーブルに定義されているものとすると、 次のように展開されます。 ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ ｜　　ＬＤ　ＨＬ，（ＡＢＣ）　　　　｜ ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ このオペランドは前に述べたように、 オフセット・アドレスなのでテーブルを参照します。 次に演算子があるので、この演算子を判断し、各演算ルーチンヘ飛びます。 これの後に１０進定数があります。 この定数をＨＬに入れなくてはなりませんが、 現在ＨＬは使用中ですからＨＬをＤＥへ転送します。 ＤＥの中を保護するために、いったんスタックヘ退避させます。 すると、次のように展開されたプログラムが得られます。 ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ ｜　　ＬＤ　　　ＨＬ，（ＡＢＣ）　　｜ ｜　　ＰＵＳＨ　ＤＥ　　　　　　　　｜ ｜　　ＥＸ　　　ＤＥ，ＨＬ　　　　　｜ ｜　　ＬＤ　　　ＨＬ，０ＡＨ　　　　｜ ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ 定数の後の演算子は『＊』ですから、『＋』より先に演算を行ないます。 したがって、再びＨＬに変数の値を持ってこなくてはなりませんが、 各レジスタは現在使用中なので、これを保護しなくてはなりません。 ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ ｜　　ＰＵＳＨ　ＤＥ　　　　　　　　｜ ｜　　ＥＸ　　　ＤＥ，ＨＬ　　　　　｜ ｜　　ＬＤ　　　ＨＬ，（ＺＺＺ）　　｜ ｜　　ＣＡＬＬ　ＭＬＴＳＵＢ　　　　｜ ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ 『＊』は上記のように展開され処理されます。 次の演算子は『−』ですが、『＋』と同レベルなので、 『＋』の処理を先に、行ないます。 ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ ｜　　ＰＯＰ　　ＤＥ　　　　　　　　｜ ｜　　ＡＤＤ　　ＨＬ，ＤＥ　　　　　｜ ｜　　ＥＸ　　　ＤＥ，ＨＬ　　　　　｜ ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ これで『＋』の処理は終了します。 次の項は『（式）』なのでレベル上では１レベル先に実行しなければなりません。 これもまたＤＥレジスタを保護しなくてはなりません。 ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ ｜　　ＬＤ　　　ＨＬ，２０Ｈ　　　　｜ ｜　　ＰＵＳＨ　ＤＥ　　　　　　　　｜ ｜　　ＥＸ　　　ＤＥ，ＨＬ　　　　　｜ ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ 次の『＋』は、前にある『−』よりも１レベル高いことになっているので、 『＋』の処理を先に行ないます。 そこで、まずＨＬに次の変数をもってきます。 ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ ｜　　ＬＤ　　　ＨＬ，（ＪＪＪ）　　｜ ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ 次の演算子は『／』なので『＋』より先に処理します。 ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ ｜　　ＰＵＳＨ　ＤＥ　　　　　　　　｜ ｜　　ＥＸ　　　ＤＥ，ＨＬ　　　　　｜ ｜　　ＬＤ　　　ＨＬ，０３Ｈ　　　　｜ ｜　　ＣＡＬＬ　ＤＩＶＳＵＢ　　　　｜ ｜　　ＰＵＰ　　ＤＥ　　　　　　　　｜ ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ 次に『＋』の処理を行ないます。 ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ ｜　　ＡＤＤ　　ＨＬ，ＤＥ　　　　　｜ ｜　　ＰＵＰ　　ＤＥ　　　　　　　　｜ ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ 最後に『−』の処理を行ない、一応この式のコンパイルは終ります。 ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ ｜　　ＥＸ　　　ＤＥ，ＨＬ　　　　　｜ ｜　　ＯＲ　　　Ａ　　　　　　　　　｜ ｜　　ＳＢＣ　　ＨＬ，ＤＥ　　　　　｜ ｜　　ＰＯＰ　　ＤＥ　　　　　　　　｜ ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・ 以上、ＨＬに式の値がセットされ、ＤＥは保護されています。 このように式が展開されていく様子が理解できると思います。 扱う数字が１６ｂｉｔなのでＺ８０で比較的簡単に展開できますが、 これが浮動少数点演算の場合、さらに複雑になります。 ――――――――――――――――――― ３　最後に ――――――――――――――――――― コンパイラを設計するにあたって 第１に問題となるのは、この式評価のところであると思います。 皆さんもどうやったら効率的に展開できるか考えてみてください。 最後に、ＦＯＲＭコンパイラのアセンブル・リストを公開します。 Ｅのでているところは、外部参照ファイルの印で、 これはリンク・パッケージの中を呼んでいるために出ています。