要將這麼龐大且跨領域的系統從零建構起來。這不單單只是一個物理模擬器，本質上它是一個編譯器後端與高效能運算（HPC）架構的結合。 在正式讓粒子跑起來、讓數值模擬產生結果之前，要先把軟體寫出來。因此，在正式讓粒子跑起來、讓數值模擬產出炫砲的結果之前，我們得先面對骨感的現實——把底層的軟體架構寫出來。

無論多複雜的系統，先來個 LLVM - hello.ll吧。

1. Installation

最簡單無腦的方法，就是直接去 GitHub 的 llvm-project Releases 頁面，拖一個預先編譯好的 Binary 版本回來用。 因為版本變動的速度實在太快了，今年六月還在 LLVM 22.1.8 ，現在就更新到 LLVM 23.1.0-rc3。不用糾結最新版AI懂不懂， 反正 AI 總是趕不上更新的速度。

2. Hello Woeld!

; Define the main function --> int main ( )
define i32 @main() {

    ; Get a pointer to the first element of our string array
    %mystr = getelementptr [14 x i8], [14 x i8]* @.str, i64 0, i64 0
    
    ; Call the 'puts' function with the string pointer
    call i32 @puts(i8* %mystr)
    
    ; Return 0 from main
    ret i32 0
}

2.1 定義函數

define i32 @main()

• define：這告訴 LLVM 在此定義了一個函數（相對於 declare，後者僅用來引用在其他地方定義的外部函數）。

• i32：一個 32 位元的有號整數（signed integer）。

• @main：函數的名稱。

• @：代表這是一個全域識別碼（global identifier）。在 LLVM IR 中，所有函數與全域變數皆以 @ 開頭。

• ()：參數列表（parameter list）。

結果：define i32 @main()：定義了一個名為 main 的全域函數，不接受任何參數，並回傳一個 32 位元的有號整數。

2.2. getelementptr (GEP) 指令

%mystr = getelementptr [14 x i8], [14 x i8]* @.str, i64 0, i64 0

• %mystr：一個區域識別碼（由 '%' 表示），用來存放計算後位址的暫存器。

• getelementptr：此指令用於取得複合結構型別（如陣列或結構體）中子元素的記憶體位址。

• [14 x i8]：指定被逐步走訪的基礎型別（[14 x i8]，即由 14 個 8 位元整數／字元所組成的陣列）。

• [14 x i8]*：此參數提供了全域字串變數（@.str）的型別與位址。

• 第一個索引值 (i64 0)：用於指標本身的位移。因為 @.str 是一個指向該陣列的指標，索引值 0 代表停留在 @.str 所指向的記憶體區塊起始處。

• 第二個索引值 (i64 0)：用於深入陣列結構內部。索引值 0 代表取得該 14 位元組陣列中第一個元素（索引 0）的位址。

結果：%mystr 現在儲存了一個簡單的 i8*（指向字元的指標，相當於 C 語言中的 char*），它直接指向該字串的第一個字母。

const char .str[14] = "Hello, World!\0"; // The global array
const char* mystr = &.str[0];

2.3. 呼叫外部函數

call i32 @puts(i8* %mystr)

• call: 執行一個函數。
• i32: 表示被呼叫的函數會回傳一個 32 位元的整數。
• puts 來自標準 C 函式庫（libc）。
• (i8* %mystr): 傳遞給該函數的參數。

2.4. 從 Main 回傳

ret i32 0

• ret: 回傳（return）指令。
• i32 0: 回傳值。表示程式執行成功，沒有發生錯誤。

等效的 C 語言程式碼

如果用 C 語言來寫，對應的程式碼會長得像這樣：

const char .str[14] = "Hello, World!\0"; // The global array

int main() {
    // This is what the GEP instruction does:
    const char* mystr = &.str[0]; 
    
    puts(mystr);
    return 0;
}

編譯並執行

# Compile using the clang binary in the neighboring folder
../llvm-binary/bin/clang hello.ll -o hello

# Run the finished executable
./hello

• ../llvm-binary: 就是從 github llvm-project Releases 頁面拖回來個預先編譯好的 Binary 。

沒錯，不是組合語言，但是很像組合語言，算比較像人話的組合語言吧。

Reference

[1] Getting Started with the LLVM System
[2] mrjameshamilton/llvm-helloworld

同步備份於 https://github.com/botszhuang/digital_garden/blob/main/ithome_30_2026/day2.md