在嵌入式系统和微控制器领域,性能和资源的限制一直是开发者们面临的主要挑战。随着ARM架构的普及,特别是具备Thumb-2指令集支持的处理器,如Cortex-M4和M33等,开发者开始寻求更灵活高效的编程方式。近期,一款用Lisp语言编写、面向ARM架构的编译器版本引发了业内广泛关注,其基于uLisp的创新设计不仅突破了传统编译器的局限,更让Lisp这种古老而经典的编程语言在现代嵌入式环境焕发出新的生命力。 这款编译器的原型最初发布于大约一年以前,是一个实验性的项目,能够将单个Lisp函数转化为ARM机器码执行代码。最新版本则引入了丰富的语言特性与优化手段,使代码生成更为高效和功能完备。新版编译器支持局部变量定义(let和let*形式),增加了多种循环控件(loop、dotimes和return),条件语句从原有的if扩展到了when与unless,进一步提升了表达能力。
此外,被视为经典操作的first和rest函数同样可作为car和cdr的代替;对处理列表元素访问的nth函数也被纳入支持范畴。整数运算方面,除加减乘法外,整除(/)和取模(mod)运算得到了完善,且新增了unary负号(-)和not操作。更重要的是,编译器支持了多种一元判定函数,例如zerop、plusp、minusp、oddp和evenp,进一步丰富了布尔和数值判断的表达力。位移运算函数ash也被引入,方便开发者进行位运算优化。 该版本的核心优化还包括对ARM Thumb-2指令集中特殊指令的充分利用。movw与movt指令使得处理较大立即数变得简洁高效,sdiv和mls指令被用来实现除法和取模运算,从而避免复杂的循环操作。
条件执行指令如cbz、cbnz和it的引入,有助于生成更紧凑的汇编代码,降低空间和时间占用。 需要注意的是,这款编译器针对使用ARM M4、M33或更高版本的微处理器设计,支持的开发板涵盖ATSAMD51、RP2350、nRF52840、RA4M1等现代芯片平台。但其并不兼容早期的M0或M0+内核处理器,例如ATSAMD21、RP2040或nRF51822用户将无法运行此版本。运行时要求系统具备至少5000个工作空间对象,作者本人采用了Circuit Playground Bluefruit 7板作为测试平台。 编译器背后的设计灵感来自知名计算机科学家Peter Norvig的经典著作《人工智能编程范式》。uLisp的这一子集兼容标准Common Lisp语法,使得开发者可以在笔记本或台式机使用普通Common Lisp环境查看生成的汇编代码,虽无法直接执行生成的ARM机器码,但极大地方便了调试和开发流程。
使用体验上,开发者只需调用简单的compile函数即可将任意定义的Lisp函数编译为原生ARM可执行代码。例如,调用(compile 'factor)将使得函数factor被即时转换并加载到内存,随后的调用可直接执行机器码版本,从而获得性能巨大提升。为查看某段表达式的生成代码,可以直接调用comp并使用pprint进行格式化显示,极具教学和调试价值。值得一提的是,为避免代码重叠和内存泄漏,开发者在重新编译同一函数前,建议使用makunbound清除先前的绑定,或通过调整代码内CODESIZE参数扩大代码段内存空间。 编译器采用了简洁的寄存器分配策略,结合堆栈操作确保函数调用和复用过程有序无冲突。一般参数通过r0至r3传递,返回值存储于r0,当涉及逻辑判断时,r2寄存器用于返回真值或假值,函数内部则使用r4至r7保存参数副本。
表达式求值遵循参数值依次压栈,最后一项结果留在r0的规则,复杂表达式如(* (- x 1) (+ x 13))可自动正确生成高效代码。递归调用机制也有周全设计,相关参数和局部变量会在调用之前保存在堆栈中,避免递归调用破坏现有数据。 类型系统方面,为了区分布尔值与整数值,nil被定义为0,t被定义为1,但为了避免布尔操作中出现歧义,编译器跟踪表达式类型,区分:integer和:boolean。条件判断严格要求测试条件返回:boolean类型,算数运算则返回:integer,程序块的整体返回类型与最后一条表达式保持一致。编译器会在接口类型不匹配时给出警告,保证代码的严谨性。 在性能测试中,诸如寻找最小质因数的函数factor表现出惊人的速度提升。
原始Lisp实现对于大质数因子需数秒运算,而经编译后的机器码版本则仅用几十毫秒完成,提升达几百倍。解决NP难题子集和问题(subset sum)时,编译版本的运行时间从原本几秒延长到数十秒不等的Lisp实现缩短到了仅数十毫秒。相似情况还见于指数计算(iex函数)和数字逆序(reversedigits函数),均展现出机器码执行带来的显著速度优势。 该编译器不仅限于提升性能,更多地是体现了Lisp语言的极致灵活和自描述特性。由于Lisp程序本质上是结构化的S表达式,不需单独解析器,编译器本身可以用相同语言轻松实现。正如作者所言,Lisp编译器的美妙之处在于其极省事的tokeniser和parser设计,使其代码量和复杂度远远低于基于C或其他语言的传统编译器。
此外,与编译器配套的ARM汇编器也采用了类似思路,以域特定语言形式定义汇编指令,生成机器代码。这样的设计不仅增强了代码的可维护性,也方便扩展和测试。甚至有人对类似思路应用到WebAssembly编译领域产生了浓厚兴趣。虽然WebAssembly并不支持所在运行环境中直接生成可执行代码的JIT执行,但其结构合理的模块化设计和间接调用机制为未来Lisp到Wasm的动态编译提供了可能。 从开源社区的角度看,该项目共享了完整的编译器代码和汇编器实现,为嵌入式及效率追求型项目注入了创新动力。诸多爱好者和专业开发者已经开始利用该工具链进行实验和优化,促使uLisp生态逐渐活跃。
未来,随着硬件性能的提升和软件技术的演化,类似基于Lisp的编译技术有望在更广泛的场景中获得应用,尤其是在物联网、实时控制和机器人领域中显示价值。 综上所述,用Lisp编写并面向ARM架构的编译器不仅在技术上实现了多项突破,更体现了Lisp语言灵活、简洁且强大的独特优势。该编译器凭借其对新指令集的深度支持及丰富的语言特性扩展,成功实现了代码的高效生成与执行。通过这样的工具,嵌入式开发者将能够撰写更富表达力的程序代码,同时享受接近底层机器语言的执行效率,为开发工作带来前所未有的便利和性能保障。随着社区的不断发展与完善,基于uLisp的ARM编译器有望成为嵌入式开发领域中一款变革性利器,推动嵌入式语言设计和编译技术迈上新的台阶。 。
