主要观点：现代编译器有前端、中端和后端三个主要组件，本文以 LLVM 为参考编译器，阐述编译器后端（指令选择、指令调度和寄存器分配）的操作，通过简单 C 程序示例展示后端各阶段的降低过程，包括中间端优化后的 LLVM IR 到机器 IR（MIR）的转换，以及后续的指令选择、各种优化 pass（如 early-machinelicm、livevars、phi-node-elimination、liveintervals、register-coalescer 等）、指令调度和寄存器分配等步骤，最终生成可用于 RISC-V 架构的汇编代码。

关键信息：

• 编译器组件：前端解析源语言并转换为中端中间表示，中端对中间表示进行目标无关优化，后端将最终优化的中间端 IR 转换为目标特定的汇编。
• 示例程序：一个简单的矩阵乘法函数matmul，展示了 C 代码到后端各阶段的转换。

• 后端阶段：

  • 指令选择：将中间端 LLVM IR 翻译为机器 IR，选择目标特定指令表示中间端语义，每个虚拟寄存器有 gpr 或 fpr 后缀，还存在物理寄存器如$x0、$x10 等。
  • 后续 pass：包括 early-machinelicm、livevars（分析活跃变量并标记寄存器）、phi-node-elimination（删除 PHI 节点）、liveintervals（撤销 livevars 的一些标记）、register-coalescer（消除 COPY 指令）等。
  • 指令调度：重新排序指令以减少 hazards 和 stalls，不同 CPU 有特定的调度描述符，本文未指定特定 CPU 采用 RISC-V 通用信息。
  • 寄存器分配：将虚拟寄存器分配给物理寄存器，减少寄存器溢出，通过 virtregrewriter 完成实际替换。
  • 最终步骤：重新排序基本块，替换伪指令为真实指令，生成最终的 MIR，再由 AsmPrinter 生成汇编代码，可对照 RISC-V ISA 手册检查。

重要细节：

• 为避免因 LLVM 向量化 pass 使阐述过于复杂，示例中使用 -march=rv64gc 避免 RISC-V 的向量扩展。
• 中间端 IR 为单静态赋值（SSA）形式，变量定义一次，通过 phi 节点在循环中选择不同值。
• 各 pass 对 MIR 进行不同的优化和调整，如删除不必要的指令、调整寄存器使用等。
• 指令调度的最优方案依赖微架构细节，不同 CPU 有不同的调度描述符。
• 寄存器分配要在有限的物理寄存器上复用，减少寄存器溢出。
• AsmPrinter 主要是打印寄存器和指令，丢弃辅助信息。