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1 <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN"
2                       "http://www.w3.org/TR/html4/strict.dtd">
3 <html>
4 <head>
5   <meta http-equiv="content-type" content="text/html; charset=utf-8">
6   <title>The LLVM Target-Independent Code Generator</title>
7   <link rel="stylesheet" href="llvm.css" type="text/css">
8
9   <style type="text/css">
10     .unknown { background-color: #C0C0C0; text-align: center; }
11     .unknown:before { content: "?" }
12     .no { background-color: #C11B17 }
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16     .yes:before { content: "Y" }
17   </style>
18
19 </head>
20 <body>
21
22 <h1>
23   The LLVM Target-Independent Code Generator
24 </h1>
25
26 <ol>
27   <li><a href="#introduction">Introduction</a>
28     <ul>
29       <li><a href="#required">Required components in the code generator</a></li>
30       <li><a href="#high-level-design">The high-level design of the code
31           generator</a></li>
32       <li><a href="#tablegen">Using TableGen for target description</a></li>
33     </ul>
34   </li>
35   <li><a href="#targetdesc">Target description classes</a>
36     <ul>
37       <li><a href="#targetmachine">The <tt>TargetMachine</tt> class</a></li>
38       <li><a href="#targetdata">The <tt>TargetData</tt> class</a></li>
39       <li><a href="#targetlowering">The <tt>TargetLowering</tt> class</a></li>
40       <li><a href="#targetregisterinfo">The <tt>TargetRegisterInfo</tt> class</a></li>
41       <li><a href="#targetinstrinfo">The <tt>TargetInstrInfo</tt> class</a></li>
42       <li><a href="#targetframeinfo">The <tt>TargetFrameInfo</tt> class</a></li>
43       <li><a href="#targetsubtarget">The <tt>TargetSubtarget</tt> class</a></li>
44       <li><a href="#targetjitinfo">The <tt>TargetJITInfo</tt> class</a></li>
45     </ul>
46   </li>
47   <li><a href="#codegendesc">The "Machine" Code Generator classes</a>
48     <ul>
49     <li><a href="#machineinstr">The <tt>MachineInstr</tt> class</a></li>
50     <li><a href="#machinebasicblock">The <tt>MachineBasicBlock</tt>
51                                      class</a></li>
52     <li><a href="#machinefunction">The <tt>MachineFunction</tt> class</a></li>
53     </ul>
54   </li>
55   <li><a href="#mc">The "MC" Layer</a>
56     <ul>
57     <li><a href="#mcstreamer">The <tt>MCStreamer</tt> API</a></li>
58     <li><a href="#mccontext">The <tt>MCContext</tt> class</a>
59     <li><a href="#mcsymbol">The <tt>MCSymbol</tt> class</a></li>
60     <li><a href="#mcsection">The <tt>MCSection</tt> class</a></li>
61     <li><a href="#mcinst">The <tt>MCInst</tt> class</a></li>
62     </ul>
63   </li>
64   <li><a href="#codegenalgs">Target-independent code generation algorithms</a>
65     <ul>
66     <li><a href="#instselect">Instruction Selection</a>
67       <ul>
68       <li><a href="#selectiondag_intro">Introduction to SelectionDAGs</a></li>
69       <li><a href="#selectiondag_process">SelectionDAG Code Generation
70                                           Process</a></li>
71       <li><a href="#selectiondag_build">Initial SelectionDAG
72                                         Construction</a></li>
73       <li><a href="#selectiondag_legalize_types">SelectionDAG LegalizeTypes Phase</a></li>
74       <li><a href="#selectiondag_legalize">SelectionDAG Legalize Phase</a></li>
75       <li><a href="#selectiondag_optimize">SelectionDAG Optimization
76                                            Phase: the DAG Combiner</a></li>
77       <li><a href="#selectiondag_select">SelectionDAG Select Phase</a></li>
78       <li><a href="#selectiondag_sched">SelectionDAG Scheduling and Formation
79                                         Phase</a></li>
80       <li><a href="#selectiondag_future">Future directions for the
81                                          SelectionDAG</a></li>
82       </ul></li>
83      <li><a href="#liveintervals">Live Intervals</a>
84        <ul>
85        <li><a href="#livevariable_analysis">Live Variable Analysis</a></li>
86        <li><a href="#liveintervals_analysis">Live Intervals Analysis</a></li>
87        </ul></li>
88     <li><a href="#regalloc">Register Allocation</a>
89       <ul>
90       <li><a href="#regAlloc_represent">How registers are represented in
91                                         LLVM</a></li>
92       <li><a href="#regAlloc_howTo">Mapping virtual registers to physical
93                                     registers</a></li>
94       <li><a href="#regAlloc_twoAddr">Handling two address instructions</a></li>
95       <li><a href="#regAlloc_ssaDecon">The SSA deconstruction phase</a></li>
96       <li><a href="#regAlloc_fold">Instruction folding</a></li>
97       <li><a href="#regAlloc_builtIn">Built in register allocators</a></li>
98       </ul></li>
99     <li><a href="#codeemit">Code Emission</a></li>
100     </ul>
101   </li>
102   <li><a href="#nativeassembler">Implementing a Native Assembler</a></li>
103   
104   <li><a href="#targetimpls">Target-specific Implementation Notes</a>
105     <ul>
106     <li><a href="#targetfeatures">Target Feature Matrix</a></li>
107     <li><a href="#tailcallopt">Tail call optimization</a></li>
108     <li><a href="#sibcallopt">Sibling call optimization</a></li>
109     <li><a href="#x86">The X86 backend</a></li>
110     <li><a href="#ppc">The PowerPC backend</a>
111       <ul>
112       <li><a href="#ppc_abi">LLVM PowerPC ABI</a></li>
113       <li><a href="#ppc_frame">Frame Layout</a></li>
114       <li><a href="#ppc_prolog">Prolog/Epilog</a></li>
115       <li><a href="#ppc_dynamic">Dynamic Allocation</a></li>
116       </ul></li>
117     <li><a href="#ptx">The PTX backend</a></li>
118     </ul></li>
119
120 </ol>
121
122 <div class="doc_author">
123   <p>Written by the LLVM Team.</p>
124 </div>
125
126 <div class="doc_warning">
127   <p>Warning: This is a work in progress.</p>
128 </div>
129
130 <!-- *********************************************************************** -->
131 <h2>
132   <a name="introduction">Introduction</a>
133 </h2>
134 <!-- *********************************************************************** -->
135
136 <div>
137
138 <p>The LLVM target-independent code generator is a framework that provides a
139    suite of reusable components for translating the LLVM internal representation
140    to the machine code for a specified target&mdash;either in assembly form
141    (suitable for a static compiler) or in binary machine code format (usable for
142    a JIT compiler). The LLVM target-independent code generator consists of six
143    main components:</p>
144
145 <ol>
146   <li><a href="#targetdesc">Abstract target description</a> interfaces which
147       capture important properties about various aspects of the machine,
148       independently of how they will be used.  These interfaces are defined in
149       <tt>include/llvm/Target/</tt>.</li>
150
151   <li>Classes used to represent the <a href="#codegendesc">code being
152       generated</a> for a target.  These classes are intended to be abstract
153       enough to represent the machine code for <i>any</i> target machine.  These
154       classes are defined in <tt>include/llvm/CodeGen/</tt>. At this level,
155       concepts like "constant pool entries" and "jump tables" are explicitly
156       exposed.</li>
157
158   <li>Classes and algorithms used to represent code as the object file level,
159       the <a href="#mc">MC Layer</a>.  These classes represent assembly level
160       constructs like labels, sections, and instructions.  At this level,
161       concepts like "constant pool entries" and "jump tables" don't exist.</li>
162
163   <li><a href="#codegenalgs">Target-independent algorithms</a> used to implement
164       various phases of native code generation (register allocation, scheduling,
165       stack frame representation, etc).  This code lives
166       in <tt>lib/CodeGen/</tt>.</li>
167
168   <li><a href="#targetimpls">Implementations of the abstract target description
169       interfaces</a> for particular targets.  These machine descriptions make
170       use of the components provided by LLVM, and can optionally provide custom
171       target-specific passes, to build complete code generators for a specific
172       target.  Target descriptions live in <tt>lib/Target/</tt>.</li>
173
174   <li><a href="#jit">The target-independent JIT components</a>.  The LLVM JIT is
175       completely target independent (it uses the <tt>TargetJITInfo</tt>
176       structure to interface for target-specific issues.  The code for the
177       target-independent JIT lives in <tt>lib/ExecutionEngine/JIT</tt>.</li>
178 </ol>
179
180 <p>Depending on which part of the code generator you are interested in working
181    on, different pieces of this will be useful to you.  In any case, you should
182    be familiar with the <a href="#targetdesc">target description</a>
183    and <a href="#codegendesc">machine code representation</a> classes.  If you
184    want to add a backend for a new target, you will need
185    to <a href="#targetimpls">implement the target description</a> classes for
186    your new target and understand the <a href="LangRef.html">LLVM code
187    representation</a>.  If you are interested in implementing a
188    new <a href="#codegenalgs">code generation algorithm</a>, it should only
189    depend on the target-description and machine code representation classes,
190    ensuring that it is portable.</p>
191
192 <!-- ======================================================================= -->
193 <h3>
194  <a name="required">Required components in the code generator</a>
195 </h3>
196
197 <div>
198
199 <p>The two pieces of the LLVM code generator are the high-level interface to the
200    code generator and the set of reusable components that can be used to build
201    target-specific backends.  The two most important interfaces
202    (<a href="#targetmachine"><tt>TargetMachine</tt></a>
203    and <a href="#targetdata"><tt>TargetData</tt></a>) are the only ones that are
204    required to be defined for a backend to fit into the LLVM system, but the
205    others must be defined if the reusable code generator components are going to
206    be used.</p>
207
208 <p>This design has two important implications.  The first is that LLVM can
209    support completely non-traditional code generation targets.  For example, the
210    C backend does not require register allocation, instruction selection, or any
211    of the other standard components provided by the system.  As such, it only
212    implements these two interfaces, and does its own thing.  Another example of
213    a code generator like this is a (purely hypothetical) backend that converts
214    LLVM to the GCC RTL form and uses GCC to emit machine code for a target.</p>
215
216 <p>This design also implies that it is possible to design and implement
217    radically different code generators in the LLVM system that do not make use
218    of any of the built-in components.  Doing so is not recommended at all, but
219    could be required for radically different targets that do not fit into the
220    LLVM machine description model: FPGAs for example.</p>
221
222 </div>
223
224 <!-- ======================================================================= -->
225 <h3>
226  <a name="high-level-design">The high-level design of the code generator</a>
227 </h3>
228
229 <div>
230
231 <p>The LLVM target-independent code generator is designed to support efficient
232    and quality code generation for standard register-based microprocessors.
233    Code generation in this model is divided into the following stages:</p>
234
235 <ol>
236   <li><b><a href="#instselect">Instruction Selection</a></b> &mdash; This phase
237       determines an efficient way to express the input LLVM code in the target
238       instruction set.  This stage produces the initial code for the program in
239       the target instruction set, then makes use of virtual registers in SSA
240       form and physical registers that represent any required register
241       assignments due to target constraints or calling conventions.  This step
242       turns the LLVM code into a DAG of target instructions.</li>
243
244   <li><b><a href="#selectiondag_sched">Scheduling and Formation</a></b> &mdash;
245       This phase takes the DAG of target instructions produced by the
246       instruction selection phase, determines an ordering of the instructions,
247       then emits the instructions
248       as <tt><a href="#machineinstr">MachineInstr</a></tt>s with that ordering.
249       Note that we describe this in the <a href="#instselect">instruction
250       selection section</a> because it operates on
251       a <a href="#selectiondag_intro">SelectionDAG</a>.</li>
252
253   <li><b><a href="#ssamco">SSA-based Machine Code Optimizations</a></b> &mdash;
254       This optional stage consists of a series of machine-code optimizations
255       that operate on the SSA-form produced by the instruction selector.
256       Optimizations like modulo-scheduling or peephole optimization work
257       here.</li>
258
259   <li><b><a href="#regalloc">Register Allocation</a></b> &mdash; The target code
260       is transformed from an infinite virtual register file in SSA form to the
261       concrete register file used by the target.  This phase introduces spill
262       code and eliminates all virtual register references from the program.</li>
263
264   <li><b><a href="#proepicode">Prolog/Epilog Code Insertion</a></b> &mdash; Once
265       the machine code has been generated for the function and the amount of
266       stack space required is known (used for LLVM alloca's and spill slots),
267       the prolog and epilog code for the function can be inserted and "abstract
268       stack location references" can be eliminated.  This stage is responsible
269       for implementing optimizations like frame-pointer elimination and stack
270       packing.</li>
271
272   <li><b><a href="#latemco">Late Machine Code Optimizations</a></b> &mdash;
273       Optimizations that operate on "final" machine code can go here, such as
274       spill code scheduling and peephole optimizations.</li>
275
276   <li><b><a href="#codeemit">Code Emission</a></b> &mdash; The final stage
277       actually puts out the code for the current function, either in the target
278       assembler format or in machine code.</li>
279 </ol>
280
281 <p>The code generator is based on the assumption that the instruction selector
282    will use an optimal pattern matching selector to create high-quality
283    sequences of native instructions.  Alternative code generator designs based
284    on pattern expansion and aggressive iterative peephole optimization are much
285    slower.  This design permits efficient compilation (important for JIT
286    environments) and aggressive optimization (used when generating code offline)
287    by allowing components of varying levels of sophistication to be used for any
288    step of compilation.</p>
289
290 <p>In addition to these stages, target implementations can insert arbitrary
291    target-specific passes into the flow.  For example, the X86 target uses a
292    special pass to handle the 80x87 floating point stack architecture.  Other
293    targets with unusual requirements can be supported with custom passes as
294    needed.</p>
295
296 </div>
297
298 <!-- ======================================================================= -->
299 <h3>
300  <a name="tablegen">Using TableGen for target description</a>
301 </h3>
302
303 <div>
304
305 <p>The target description classes require a detailed description of the target
306    architecture.  These target descriptions often have a large amount of common
307    information (e.g., an <tt>add</tt> instruction is almost identical to a
308    <tt>sub</tt> instruction).  In order to allow the maximum amount of
309    commonality to be factored out, the LLVM code generator uses
310    the <a href="TableGenFundamentals.html">TableGen</a> tool to describe big
311    chunks of the target machine, which allows the use of domain-specific and
312    target-specific abstractions to reduce the amount of repetition.</p>
313
314 <p>As LLVM continues to be developed and refined, we plan to move more and more
315    of the target description to the <tt>.td</tt> form.  Doing so gives us a
316    number of advantages.  The most important is that it makes it easier to port
317    LLVM because it reduces the amount of C++ code that has to be written, and
318    the surface area of the code generator that needs to be understood before
319    someone can get something working.  Second, it makes it easier to change
320    things. In particular, if tables and other things are all emitted
321    by <tt>tblgen</tt>, we only need a change in one place (<tt>tblgen</tt>) to
322    update all of the targets to a new interface.</p>
323
324 </div>
325
326 </div>
327
328 <!-- *********************************************************************** -->
329 <h2>
330   <a name="targetdesc">Target description classes</a>
331 </h2>
332 <!-- *********************************************************************** -->
333
334 <div>
335
336 <p>The LLVM target description classes (located in the
337    <tt>include/llvm/Target</tt> directory) provide an abstract description of
338    the target machine independent of any particular client.  These classes are
339    designed to capture the <i>abstract</i> properties of the target (such as the
340    instructions and registers it has), and do not incorporate any particular
341    pieces of code generation algorithms.</p>
342
343 <p>All of the target description classes (except the
344    <tt><a href="#targetdata">TargetData</a></tt> class) are designed to be
345    subclassed by the concrete target implementation, and have virtual methods
346    implemented.  To get to these implementations, the
347    <tt><a href="#targetmachine">TargetMachine</a></tt> class provides accessors
348    that should be implemented by the target.</p>
349
350 <!-- ======================================================================= -->
351 <h3>
352   <a name="targetmachine">The <tt>TargetMachine</tt> class</a>
353 </h3>
354
355 <div>
356
357 <p>The <tt>TargetMachine</tt> class provides virtual methods that are used to
358    access the target-specific implementations of the various target description
359    classes via the <tt>get*Info</tt> methods (<tt>getInstrInfo</tt>,
360    <tt>getRegisterInfo</tt>, <tt>getFrameInfo</tt>, etc.).  This class is
361    designed to be specialized by a concrete target implementation
362    (e.g., <tt>X86TargetMachine</tt>) which implements the various virtual
363    methods.  The only required target description class is
364    the <a href="#targetdata"><tt>TargetData</tt></a> class, but if the code
365    generator components are to be used, the other interfaces should be
366    implemented as well.</p>
367
368 </div>
369
370 <!-- ======================================================================= -->
371 <h3>
372   <a name="targetdata">The <tt>TargetData</tt> class</a>
373 </h3>
374
375 <div>
376
377 <p>The <tt>TargetData</tt> class is the only required target description class,
378    and it is the only class that is not extensible (you cannot derived a new
379    class from it).  <tt>TargetData</tt> specifies information about how the
380    target lays out memory for structures, the alignment requirements for various
381    data types, the size of pointers in the target, and whether the target is
382    little-endian or big-endian.</p>
383
384 </div>
385
386 <!-- ======================================================================= -->
387 <h3>
388   <a name="targetlowering">The <tt>TargetLowering</tt> class</a>
389 </h3>
390
391 <div>
392
393 <p>The <tt>TargetLowering</tt> class is used by SelectionDAG based instruction
394    selectors primarily to describe how LLVM code should be lowered to
395    SelectionDAG operations.  Among other things, this class indicates:</p>
396
397 <ul>
398   <li>an initial register class to use for various <tt>ValueType</tt>s,</li>
399
400   <li>which operations are natively supported by the target machine,</li>
401
402   <li>the return type of <tt>setcc</tt> operations,</li>
403
404   <li>the type to use for shift amounts, and</li>
405
406   <li>various high-level characteristics, like whether it is profitable to turn
407       division by a constant into a multiplication sequence</li>
408 </ul>
409
410 </div>
411
412 <!-- ======================================================================= -->
413 <h3>
414   <a name="targetregisterinfo">The <tt>TargetRegisterInfo</tt> class</a>
415 </h3>
416
417 <div>
418
419 <p>The <tt>TargetRegisterInfo</tt> class is used to describe the register file
420    of the target and any interactions between the registers.</p>
421
422 <p>Registers in the code generator are represented in the code generator by
423    unsigned integers.  Physical registers (those that actually exist in the
424    target description) are unique small numbers, and virtual registers are
425    generally large.  Note that register #0 is reserved as a flag value.</p>
426
427 <p>Each register in the processor description has an associated
428    <tt>TargetRegisterDesc</tt> entry, which provides a textual name for the
429    register (used for assembly output and debugging dumps) and a set of aliases
430    (used to indicate whether one register overlaps with another).</p>
431
432 <p>In addition to the per-register description, the <tt>TargetRegisterInfo</tt>
433    class exposes a set of processor specific register classes (instances of the
434    <tt>TargetRegisterClass</tt> class).  Each register class contains sets of
435    registers that have the same properties (for example, they are all 32-bit
436    integer registers).  Each SSA virtual register created by the instruction
437    selector has an associated register class.  When the register allocator runs,
438    it replaces virtual registers with a physical register in the set.</p>
439
440 <p>The target-specific implementations of these classes is auto-generated from
441    a <a href="TableGenFundamentals.html">TableGen</a> description of the
442    register file.</p>
443
444 </div>
445
446 <!-- ======================================================================= -->
447 <h3>
448   <a name="targetinstrinfo">The <tt>TargetInstrInfo</tt> class</a>
449 </h3>
450
451 <div>
452
453 <p>The <tt>TargetInstrInfo</tt> class is used to describe the machine
454    instructions supported by the target. It is essentially an array of
455    <tt>TargetInstrDescriptor</tt> objects, each of which describes one
456    instruction the target supports. Descriptors define things like the mnemonic
457    for the opcode, the number of operands, the list of implicit register uses
458    and defs, whether the instruction has certain target-independent properties
459    (accesses memory, is commutable, etc), and holds any target-specific
460    flags.</p>
461
462 </div>
463
464 <!-- ======================================================================= -->
465 <h3>
466   <a name="targetframeinfo">The <tt>TargetFrameInfo</tt> class</a>
467 </h3>
468
469 <div>
470
471 <p>The <tt>TargetFrameInfo</tt> class is used to provide information about the
472    stack frame layout of the target. It holds the direction of stack growth, the
473    known stack alignment on entry to each function, and the offset to the local
474    area.  The offset to the local area is the offset from the stack pointer on
475    function entry to the first location where function data (local variables,
476    spill locations) can be stored.</p>
477
478 </div>
479
480 <!-- ======================================================================= -->
481 <h3>
482   <a name="targetsubtarget">The <tt>TargetSubtarget</tt> class</a>
483 </h3>
484
485 <div>
486
487 <p>The <tt>TargetSubtarget</tt> class is used to provide information about the
488    specific chip set being targeted.  A sub-target informs code generation of
489    which instructions are supported, instruction latencies and instruction
490    execution itinerary; i.e., which processing units are used, in what order,
491    and for how long.</p>
492
493 </div>
494
495
496 <!-- ======================================================================= -->
497 <h3>
498   <a name="targetjitinfo">The <tt>TargetJITInfo</tt> class</a>
499 </h3>
500
501 <div>
502
503 <p>The <tt>TargetJITInfo</tt> class exposes an abstract interface used by the
504    Just-In-Time code generator to perform target-specific activities, such as
505    emitting stubs.  If a <tt>TargetMachine</tt> supports JIT code generation, it
506    should provide one of these objects through the <tt>getJITInfo</tt>
507    method.</p>
508
509 </div>
510
511 </div>
512
513 <!-- *********************************************************************** -->
514 <h2>
515   <a name="codegendesc">Machine code description classes</a>
516 </h2>
517 <!-- *********************************************************************** -->
518
519 <div>
520
521 <p>At the high-level, LLVM code is translated to a machine specific
522    representation formed out of
523    <a href="#machinefunction"><tt>MachineFunction</tt></a>,
524    <a href="#machinebasicblock"><tt>MachineBasicBlock</tt></a>,
525    and <a href="#machineinstr"><tt>MachineInstr</tt></a> instances (defined
526    in <tt>include/llvm/CodeGen</tt>).  This representation is completely target
527    agnostic, representing instructions in their most abstract form: an opcode
528    and a series of operands.  This representation is designed to support both an
529    SSA representation for machine code, as well as a register allocated, non-SSA
530    form.</p>
531
532 <!-- ======================================================================= -->
533 <h3>
534   <a name="machineinstr">The <tt>MachineInstr</tt> class</a>
535 </h3>
536
537 <div>
538
539 <p>Target machine instructions are represented as instances of the
540    <tt>MachineInstr</tt> class.  This class is an extremely abstract way of
541    representing machine instructions.  In particular, it only keeps track of an
542    opcode number and a set of operands.</p>
543
544 <p>The opcode number is a simple unsigned integer that only has meaning to a
545    specific backend.  All of the instructions for a target should be defined in
546    the <tt>*InstrInfo.td</tt> file for the target. The opcode enum values are
547    auto-generated from this description.  The <tt>MachineInstr</tt> class does
548    not have any information about how to interpret the instruction (i.e., what
549    the semantics of the instruction are); for that you must refer to the
550    <tt><a href="#targetinstrinfo">TargetInstrInfo</a></tt> class.</p> 
551
552 <p>The operands of a machine instruction can be of several different types: a
553    register reference, a constant integer, a basic block reference, etc.  In
554    addition, a machine operand should be marked as a def or a use of the value
555    (though only registers are allowed to be defs).</p>
556
557 <p>By convention, the LLVM code generator orders instruction operands so that
558    all register definitions come before the register uses, even on architectures
559    that are normally printed in other orders.  For example, the SPARC add
560    instruction: "<tt>add %i1, %i2, %i3</tt>" adds the "%i1", and "%i2" registers
561    and stores the result into the "%i3" register.  In the LLVM code generator,
562    the operands should be stored as "<tt>%i3, %i1, %i2</tt>": with the
563    destination first.</p>
564
565 <p>Keeping destination (definition) operands at the beginning of the operand
566    list has several advantages.  In particular, the debugging printer will print
567    the instruction like this:</p>
568
569 <div class="doc_code">
570 <pre>
571 %r3 = add %i1, %i2
572 </pre>
573 </div>
574
575 <p>Also if the first operand is a def, it is easier to <a href="#buildmi">create
576    instructions</a> whose only def is the first operand.</p>
577
578 <!-- _______________________________________________________________________ -->
579 <h4>
580   <a name="buildmi">Using the <tt>MachineInstrBuilder.h</tt> functions</a>
581 </h4>
582
583 <div>
584
585 <p>Machine instructions are created by using the <tt>BuildMI</tt> functions,
586    located in the <tt>include/llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h</tt> file.  The
587    <tt>BuildMI</tt> functions make it easy to build arbitrary machine
588    instructions.  Usage of the <tt>BuildMI</tt> functions look like this:</p>
589
590 <div class="doc_code">
591 <pre>
592 // Create a 'DestReg = mov 42' (rendered in X86 assembly as 'mov DestReg, 42')
593 // instruction.  The '1' specifies how many operands will be added.
594 MachineInstr *MI = BuildMI(X86::MOV32ri, 1, DestReg).addImm(42);
595
596 // Create the same instr, but insert it at the end of a basic block.
597 MachineBasicBlock &amp;MBB = ...
598 BuildMI(MBB, X86::MOV32ri, 1, DestReg).addImm(42);
599
600 // Create the same instr, but insert it before a specified iterator point.
601 MachineBasicBlock::iterator MBBI = ...
602 BuildMI(MBB, MBBI, X86::MOV32ri, 1, DestReg).addImm(42);
603
604 // Create a 'cmp Reg, 0' instruction, no destination reg.
605 MI = BuildMI(X86::CMP32ri, 2).addReg(Reg).addImm(0);
606 // Create an 'sahf' instruction which takes no operands and stores nothing.
607 MI = BuildMI(X86::SAHF, 0);
608
609 // Create a self looping branch instruction.
610 BuildMI(MBB, X86::JNE, 1).addMBB(&amp;MBB);
611 </pre>
612 </div>
613
614 <p>The key thing to remember with the <tt>BuildMI</tt> functions is that you
615    have to specify the number of operands that the machine instruction will
616    take.  This allows for efficient memory allocation.  You also need to specify
617    if operands default to be uses of values, not definitions.  If you need to
618    add a definition operand (other than the optional destination register), you
619    must explicitly mark it as such:</p>
620
621 <div class="doc_code">
622 <pre>
623 MI.addReg(Reg, RegState::Define);
624 </pre>
625 </div>
626
627 </div>
628
629 <!-- _______________________________________________________________________ -->
630 <h4>
631   <a name="fixedregs">Fixed (preassigned) registers</a>
632 </h4>
633
634 <div>
635
636 <p>One important issue that the code generator needs to be aware of is the
637    presence of fixed registers.  In particular, there are often places in the
638    instruction stream where the register allocator <em>must</em> arrange for a
639    particular value to be in a particular register.  This can occur due to
640    limitations of the instruction set (e.g., the X86 can only do a 32-bit divide
641    with the <tt>EAX</tt>/<tt>EDX</tt> registers), or external factors like
642    calling conventions.  In any case, the instruction selector should emit code
643    that copies a virtual register into or out of a physical register when
644    needed.</p>
645
646 <p>For example, consider this simple LLVM example:</p>
647
648 <div class="doc_code">
649 <pre>
650 define i32 @test(i32 %X, i32 %Y) {
651   %Z = udiv i32 %X, %Y
652   ret i32 %Z
653 }
654 </pre>
655 </div>
656
657 <p>The X86 instruction selector produces this machine code for the <tt>div</tt>
658    and <tt>ret</tt> (use "<tt>llc X.bc -march=x86 -print-machineinstrs</tt>" to
659    get this):</p>
660
661 <div class="doc_code">
662 <pre>
663 ;; Start of div
664 %EAX = mov %reg1024           ;; Copy X (in reg1024) into EAX
665 %reg1027 = sar %reg1024, 31
666 %EDX = mov %reg1027           ;; Sign extend X into EDX
667 idiv %reg1025                 ;; Divide by Y (in reg1025)
668 %reg1026 = mov %EAX           ;; Read the result (Z) out of EAX
669
670 ;; Start of ret
671 %EAX = mov %reg1026           ;; 32-bit return value goes in EAX
672 ret
673 </pre>
674 </div>
675
676 <p>By the end of code generation, the register allocator has coalesced the
677    registers and deleted the resultant identity moves producing the following
678    code:</p>
679
680 <div class="doc_code">
681 <pre>
682 ;; X is in EAX, Y is in ECX
683 mov %EAX, %EDX
684 sar %EDX, 31
685 idiv %ECX
686 ret 
687 </pre>
688 </div>
689
690 <p>This approach is extremely general (if it can handle the X86 architecture, it
691    can handle anything!) and allows all of the target specific knowledge about
692    the instruction stream to be isolated in the instruction selector.  Note that
693    physical registers should have a short lifetime for good code generation, and
694    all physical registers are assumed dead on entry to and exit from basic
695    blocks (before register allocation).  Thus, if you need a value to be live
696    across basic block boundaries, it <em>must</em> live in a virtual
697    register.</p>
698
699 </div>
700
701 <!-- _______________________________________________________________________ -->
702 <h4>
703   <a name="ssa">Machine code in SSA form</a>
704 </h4>
705
706 <div>
707
708 <p><tt>MachineInstr</tt>'s are initially selected in SSA-form, and are
709    maintained in SSA-form until register allocation happens.  For the most part,
710    this is trivially simple since LLVM is already in SSA form; LLVM PHI nodes
711    become machine code PHI nodes, and virtual registers are only allowed to have
712    a single definition.</p>
713
714 <p>After register allocation, machine code is no longer in SSA-form because
715    there are no virtual registers left in the code.</p>
716
717 </div>
718
719 </div>
720
721 <!-- ======================================================================= -->
722 <h3>
723   <a name="machinebasicblock">The <tt>MachineBasicBlock</tt> class</a>
724 </h3>
725
726 <div>
727
728 <p>The <tt>MachineBasicBlock</tt> class contains a list of machine instructions
729    (<tt><a href="#machineinstr">MachineInstr</a></tt> instances).  It roughly
730    corresponds to the LLVM code input to the instruction selector, but there can
731    be a one-to-many mapping (i.e. one LLVM basic block can map to multiple
732    machine basic blocks). The <tt>MachineBasicBlock</tt> class has a
733    "<tt>getBasicBlock</tt>" method, which returns the LLVM basic block that it
734    comes from.</p>
735
736 </div>
737
738 <!-- ======================================================================= -->
739 <h3>
740   <a name="machinefunction">The <tt>MachineFunction</tt> class</a>
741 </h3>
742
743 <div>
744
745 <p>The <tt>MachineFunction</tt> class contains a list of machine basic blocks
746    (<tt><a href="#machinebasicblock">MachineBasicBlock</a></tt> instances).  It
747    corresponds one-to-one with the LLVM function input to the instruction
748    selector.  In addition to a list of basic blocks,
749    the <tt>MachineFunction</tt> contains a a <tt>MachineConstantPool</tt>,
750    a <tt>MachineFrameInfo</tt>, a <tt>MachineFunctionInfo</tt>, and a
751    <tt>MachineRegisterInfo</tt>.  See
752    <tt>include/llvm/CodeGen/MachineFunction.h</tt> for more information.</p>
753
754 </div>
755
756 </div>
757
758 <!-- *********************************************************************** -->
759 <h2>
760   <a name="mc">The "MC" Layer</a>
761 </h2>
762 <!-- *********************************************************************** -->
763
764 <div>
765
766 <p>
767 The MC Layer is used to represent and process code at the raw machine code
768 level, devoid of "high level" information like "constant pools", "jump tables",
769 "global variables" or anything like that.  At this level, LLVM handles things
770 like label names, machine instructions, and sections in the object file.  The
771 code in this layer is used for a number of important purposes: the tail end of
772 the code generator uses it to write a .s or .o file, and it is also used by the
773 llvm-mc tool to implement standalone machine code assemblers and disassemblers.
774 </p>
775
776 <p>
777 This section describes some of the important classes.  There are also a number
778 of important subsystems that interact at this layer, they are described later
779 in this manual.
780 </p>
781
782 <!-- ======================================================================= -->
783 <h3>
784   <a name="mcstreamer">The <tt>MCStreamer</tt> API</a>
785 </h3>
786
787 <div>
788
789 <p>
790 MCStreamer is best thought of as an assembler API.  It is an abstract API which
791 is <em>implemented</em> in different ways (e.g. to output a .s file, output an
792 ELF .o file, etc) but whose API correspond directly to what you see in a .s
793 file.  MCStreamer has one method per directive, such as EmitLabel,
794 EmitSymbolAttribute, SwitchSection, EmitValue (for .byte, .word), etc, which
795 directly correspond to assembly level directives.  It also has an
796 EmitInstruction method, which is used to output an MCInst to the streamer.
797 </p>
798
799 <p>
800 This API is most important for two clients: the llvm-mc stand-alone assembler is
801 effectively a parser that parses a line, then invokes a method on MCStreamer. In
802 the code generator, the <a href="#codeemit">Code Emission</a> phase of the code
803 generator lowers higher level LLVM IR and Machine* constructs down to the MC
804 layer, emitting directives through MCStreamer.</p>
805
806 <p>
807 On the implementation side of MCStreamer, there are two major implementations:
808 one for writing out a .s file (MCAsmStreamer), and one for writing out a .o
809 file (MCObjectStreamer).  MCAsmStreamer is a straight-forward implementation
810 that prints out a directive for each method (e.g. EmitValue -&gt; .byte), but
811 MCObjectStreamer implements a full assembler.
812 </p>
813
814 </div>
815
816 <!-- ======================================================================= -->
817 <h3>
818   <a name="mccontext">The <tt>MCContext</tt> class</a>
819 </h3>
820
821 <div>
822
823 <p>
824 The MCContext class is the owner of a variety of uniqued data structures at the
825 MC layer, including symbols, sections, etc.  As such, this is the class that you
826 interact with to create symbols and sections.  This class can not be subclassed.
827 </p>
828
829 </div>
830
831 <!-- ======================================================================= -->
832 <h3>
833   <a name="mcsymbol">The <tt>MCSymbol</tt> class</a>
834 </h3>
835
836 <div>
837
838 <p>
839 The MCSymbol class represents a symbol (aka label) in the assembly file.  There
840 are two interesting kinds of symbols: assembler temporary symbols, and normal
841 symbols.  Assembler temporary symbols are used and processed by the assembler
842 but are discarded when the object file is produced.  The distinction is usually
843 represented by adding a prefix to the label, for example "L" labels are
844 assembler temporary labels in MachO.
845 </p>
846
847 <p>MCSymbols are created by MCContext and uniqued there.  This means that
848 MCSymbols can be compared for pointer equivalence to find out if they are the
849 same symbol.  Note that pointer inequality does not guarantee the labels will
850 end up at different addresses though.  It's perfectly legal to output something
851 like this to the .s file:<p>
852
853 <pre>
854   foo:
855   bar:
856     .byte 4
857 </pre>
858
859 <p>In this case, both the foo and bar symbols will have the same address.</p>
860
861 </div>
862
863 <!-- ======================================================================= -->
864 <h3>
865   <a name="mcsection">The <tt>MCSection</tt> class</a>
866 </h3>
867
868 <div>
869
870 <p>
871 The MCSection class represents an object-file specific section. It is subclassed
872 by object file specific implementations (e.g. <tt>MCSectionMachO</tt>, 
873 <tt>MCSectionCOFF</tt>, <tt>MCSectionELF</tt>) and these are created and uniqued
874 by MCContext.  The MCStreamer has a notion of the current section, which can be
875 changed with the SwitchToSection method (which corresponds to a ".section"
876 directive in a .s file).
877 </p>
878
879 </div>
880
881 <!-- ======================================================================= -->
882 <h3>
883   <a name="mcinst">The <tt>MCInst</tt> class</a>
884 </h3>
885
886 <div>
887
888 <p>
889 The MCInst class is a target-independent representation of an instruction.  It
890 is a simple class (much more so than <a href="#machineinstr">MachineInstr</a>)
891 that holds a target-specific opcode and a vector of MCOperands.  MCOperand, in
892 turn, is a simple discriminated union of three cases: 1) a simple immediate, 
893 2) a target register ID, 3) a symbolic expression (e.g. "Lfoo-Lbar+42") as an
894 MCExpr.
895 </p>
896
897 <p>MCInst is the common currency used to represent machine instructions at the
898 MC layer.  It is the type used by the instruction encoder, the instruction
899 printer, and the type generated by the assembly parser and disassembler.
900 </p>
901
902 </div>
903
904 </div>
905
906 <!-- *********************************************************************** -->
907 <h2>
908   <a name="codegenalgs">Target-independent code generation algorithms</a>
909 </h2>
910 <!-- *********************************************************************** -->
911
912 <div>
913
914 <p>This section documents the phases described in the
915    <a href="#high-level-design">high-level design of the code generator</a>.
916    It explains how they work and some of the rationale behind their design.</p>
917
918 <!-- ======================================================================= -->
919 <h3>
920   <a name="instselect">Instruction Selection</a>
921 </h3>
922
923 <div>
924
925 <p>Instruction Selection is the process of translating LLVM code presented to
926    the code generator into target-specific machine instructions.  There are
927    several well-known ways to do this in the literature.  LLVM uses a
928    SelectionDAG based instruction selector.</p>
929
930 <p>Portions of the DAG instruction selector are generated from the target
931    description (<tt>*.td</tt>) files.  Our goal is for the entire instruction
932    selector to be generated from these <tt>.td</tt> files, though currently
933    there are still things that require custom C++ code.</p>
934
935 <!-- _______________________________________________________________________ -->
936 <h4>
937   <a name="selectiondag_intro">Introduction to SelectionDAGs</a>
938 </h4>
939
940 <div>
941
942 <p>The SelectionDAG provides an abstraction for code representation in a way
943    that is amenable to instruction selection using automatic techniques
944    (e.g. dynamic-programming based optimal pattern matching selectors). It is
945    also well-suited to other phases of code generation; in particular,
946    instruction scheduling (SelectionDAG's are very close to scheduling DAGs
947    post-selection).  Additionally, the SelectionDAG provides a host
948    representation where a large variety of very-low-level (but
949    target-independent) <a href="#selectiondag_optimize">optimizations</a> may be
950    performed; ones which require extensive information about the instructions
951    efficiently supported by the target.</p>
952
953 <p>The SelectionDAG is a Directed-Acyclic-Graph whose nodes are instances of the
954    <tt>SDNode</tt> class.  The primary payload of the <tt>SDNode</tt> is its
955    operation code (Opcode) that indicates what operation the node performs and
956    the operands to the operation.  The various operation node types are
957    described at the top of the <tt>include/llvm/CodeGen/SelectionDAGNodes.h</tt>
958    file.</p>
959
960 <p>Although most operations define a single value, each node in the graph may
961    define multiple values.  For example, a combined div/rem operation will
962    define both the dividend and the remainder. Many other situations require
963    multiple values as well.  Each node also has some number of operands, which
964    are edges to the node defining the used value.  Because nodes may define
965    multiple values, edges are represented by instances of the <tt>SDValue</tt>
966    class, which is a <tt>&lt;SDNode, unsigned&gt;</tt> pair, indicating the node
967    and result value being used, respectively.  Each value produced by
968    an <tt>SDNode</tt> has an associated <tt>MVT</tt> (Machine Value Type)
969    indicating what the type of the value is.</p>
970
971 <p>SelectionDAGs contain two different kinds of values: those that represent
972    data flow and those that represent control flow dependencies.  Data values
973    are simple edges with an integer or floating point value type.  Control edges
974    are represented as "chain" edges which are of type <tt>MVT::Other</tt>.
975    These edges provide an ordering between nodes that have side effects (such as
976    loads, stores, calls, returns, etc).  All nodes that have side effects should
977    take a token chain as input and produce a new one as output.  By convention,
978    token chain inputs are always operand #0, and chain results are always the
979    last value produced by an operation.</p>
980
981 <p>A SelectionDAG has designated "Entry" and "Root" nodes.  The Entry node is
982    always a marker node with an Opcode of <tt>ISD::EntryToken</tt>.  The Root
983    node is the final side-effecting node in the token chain. For example, in a
984    single basic block function it would be the return node.</p>
985
986 <p>One important concept for SelectionDAGs is the notion of a "legal" vs.
987    "illegal" DAG.  A legal DAG for a target is one that only uses supported
988    operations and supported types.  On a 32-bit PowerPC, for example, a DAG with
989    a value of type i1, i8, i16, or i64 would be illegal, as would a DAG that
990    uses a SREM or UREM operation.  The
991    <a href="#selectinodag_legalize_types">legalize types</a> and
992    <a href="#selectiondag_legalize">legalize operations</a> phases are
993    responsible for turning an illegal DAG into a legal DAG.</p>
994
995 </div>
996
997 <!-- _______________________________________________________________________ -->
998 <h4>
999   <a name="selectiondag_process">SelectionDAG Instruction Selection Process</a>
1000 </h4>
1001
1002 <div>
1003
1004 <p>SelectionDAG-based instruction selection consists of the following steps:</p>
1005
1006 <ol>
1007   <li><a href="#selectiondag_build">Build initial DAG</a> &mdash; This stage
1008       performs a simple translation from the input LLVM code to an illegal
1009       SelectionDAG.</li>
1010
1011   <li><a href="#selectiondag_optimize">Optimize SelectionDAG</a> &mdash; This
1012       stage performs simple optimizations on the SelectionDAG to simplify it,
1013       and recognize meta instructions (like rotates
1014       and <tt>div</tt>/<tt>rem</tt> pairs) for targets that support these meta
1015       operations.  This makes the resultant code more efficient and
1016       the <a href="#selectiondag_select">select instructions from DAG</a> phase
1017       (below) simpler.</li>
1018
1019   <li><a href="#selectiondag_legalize_types">Legalize SelectionDAG Types</a>
1020       &mdash; This stage transforms SelectionDAG nodes to eliminate any types
1021       that are unsupported on the target.</li>
1022
1023   <li><a href="#selectiondag_optimize">Optimize SelectionDAG</a> &mdash; The
1024       SelectionDAG optimizer is run to clean up redundancies exposed by type
1025       legalization.</li>
1026
1027   <li><a href="#selectiondag_legalize">Legalize SelectionDAG Ops</a> &mdash;
1028       This stage transforms SelectionDAG nodes to eliminate any operations 
1029       that are unsupported on the target.</li>
1030
1031   <li><a href="#selectiondag_optimize">Optimize SelectionDAG</a> &mdash; The
1032       SelectionDAG optimizer is run to eliminate inefficiencies introduced by
1033       operation legalization.</li>
1034
1035   <li><a href="#selectiondag_select">Select instructions from DAG</a> &mdash;
1036       Finally, the target instruction selector matches the DAG operations to
1037       target instructions.  This process translates the target-independent input
1038       DAG into another DAG of target instructions.</li>
1039
1040   <li><a href="#selectiondag_sched">SelectionDAG Scheduling and Formation</a>
1041       &mdash; The last phase assigns a linear order to the instructions in the
1042       target-instruction DAG and emits them into the MachineFunction being
1043       compiled.  This step uses traditional prepass scheduling techniques.</li>
1044 </ol>
1045
1046 <p>After all of these steps are complete, the SelectionDAG is destroyed and the
1047    rest of the code generation passes are run.</p>
1048
1049 <p>One great way to visualize what is going on here is to take advantage of a
1050    few LLC command line options.  The following options pop up a window
1051    displaying the SelectionDAG at specific times (if you only get errors printed
1052    to the console while using this, you probably
1053    <a href="ProgrammersManual.html#ViewGraph">need to configure your system</a>
1054    to add support for it).</p>
1055
1056 <ul>
1057   <li><tt>-view-dag-combine1-dags</tt> displays the DAG after being built,
1058       before the first optimization pass.</li>
1059
1060   <li><tt>-view-legalize-dags</tt> displays the DAG before Legalization.</li>
1061
1062   <li><tt>-view-dag-combine2-dags</tt> displays the DAG before the second
1063       optimization pass.</li>
1064
1065   <li><tt>-view-isel-dags</tt> displays the DAG before the Select phase.</li>
1066
1067   <li><tt>-view-sched-dags</tt> displays the DAG before Scheduling.</li>
1068 </ul>
1069
1070 <p>The <tt>-view-sunit-dags</tt> displays the Scheduler's dependency graph.
1071    This graph is based on the final SelectionDAG, with nodes that must be
1072    scheduled together bundled into a single scheduling-unit node, and with
1073    immediate operands and other nodes that aren't relevant for scheduling
1074    omitted.</p>
1075
1076 </div>
1077
1078 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1079 <h4>
1080   <a name="selectiondag_build">Initial SelectionDAG Construction</a>
1081 </h4>
1082
1083 <div>
1084
1085 <p>The initial SelectionDAG is na&iuml;vely peephole expanded from the LLVM
1086    input by the <tt>SelectionDAGLowering</tt> class in the
1087    <tt>lib/CodeGen/SelectionDAG/SelectionDAGISel.cpp</tt> file.  The intent of
1088    this pass is to expose as much low-level, target-specific details to the
1089    SelectionDAG as possible.  This pass is mostly hard-coded (e.g. an
1090    LLVM <tt>add</tt> turns into an <tt>SDNode add</tt> while a
1091    <tt>getelementptr</tt> is expanded into the obvious arithmetic). This pass
1092    requires target-specific hooks to lower calls, returns, varargs, etc.  For
1093    these features, the <tt><a href="#targetlowering">TargetLowering</a></tt>
1094    interface is used.</p>
1095
1096 </div>
1097
1098 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1099 <h4>
1100   <a name="selectiondag_legalize_types">SelectionDAG LegalizeTypes Phase</a>
1101 </h4>
1102
1103 <div>
1104
1105 <p>The Legalize phase is in charge of converting a DAG to only use the types
1106    that are natively supported by the target.</p>
1107
1108 <p>There are two main ways of converting values of unsupported scalar types to
1109    values of supported types: converting small types to larger types
1110    ("promoting"), and breaking up large integer types into smaller ones
1111    ("expanding").  For example, a target might require that all f32 values are
1112    promoted to f64 and that all i1/i8/i16 values are promoted to i32.  The same
1113    target might require that all i64 values be expanded into pairs of i32
1114    values.  These changes can insert sign and zero extensions as needed to make
1115    sure that the final code has the same behavior as the input.</p>
1116
1117 <p>There are two main ways of converting values of unsupported vector types to
1118    value of supported types: splitting vector types, multiple times if
1119    necessary, until a legal type is found, and extending vector types by adding
1120    elements to the end to round them out to legal types ("widening").  If a
1121    vector gets split all the way down to single-element parts with no supported
1122    vector type being found, the elements are converted to scalars
1123    ("scalarizing").</p>
1124
1125 <p>A target implementation tells the legalizer which types are supported (and
1126    which register class to use for them) by calling the
1127    <tt>addRegisterClass</tt> method in its TargetLowering constructor.</p>
1128
1129 </div>
1130
1131 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1132 <h4>
1133   <a name="selectiondag_legalize">SelectionDAG Legalize Phase</a>
1134 </h4>
1135
1136 <div>
1137
1138 <p>The Legalize phase is in charge of converting a DAG to only use the
1139    operations that are natively supported by the target.</p>
1140
1141 <p>Targets often have weird constraints, such as not supporting every operation
1142    on every supported datatype (e.g. X86 does not support byte conditional moves
1143    and PowerPC does not support sign-extending loads from a 16-bit memory
1144    location).  Legalize takes care of this by open-coding another sequence of
1145    operations to emulate the operation ("expansion"), by promoting one type to a
1146    larger type that supports the operation ("promotion"), or by using a
1147    target-specific hook to implement the legalization ("custom").</p>
1148
1149 <p>A target implementation tells the legalizer which operations are not
1150    supported (and which of the above three actions to take) by calling the
1151    <tt>setOperationAction</tt> method in its <tt>TargetLowering</tt>
1152    constructor.</p>
1153
1154 <p>Prior to the existence of the Legalize passes, we required that every target
1155    <a href="#selectiondag_optimize">selector</a> supported and handled every
1156    operator and type even if they are not natively supported.  The introduction
1157    of the Legalize phases allows all of the canonicalization patterns to be
1158    shared across targets, and makes it very easy to optimize the canonicalized
1159    code because it is still in the form of a DAG.</p>
1160
1161 </div>
1162
1163 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1164 <h4>
1165   <a name="selectiondag_optimize">
1166     SelectionDAG Optimization Phase: the DAG Combiner
1167   </a>
1168 </h4>
1169
1170 <div>
1171
1172 <p>The SelectionDAG optimization phase is run multiple times for code
1173    generation, immediately after the DAG is built and once after each
1174    legalization.  The first run of the pass allows the initial code to be
1175    cleaned up (e.g. performing optimizations that depend on knowing that the
1176    operators have restricted type inputs).  Subsequent runs of the pass clean up
1177    the messy code generated by the Legalize passes, which allows Legalize to be
1178    very simple (it can focus on making code legal instead of focusing on
1179    generating <em>good</em> and legal code).</p>
1180
1181 <p>One important class of optimizations performed is optimizing inserted sign
1182    and zero extension instructions.  We currently use ad-hoc techniques, but
1183    could move to more rigorous techniques in the future.  Here are some good
1184    papers on the subject:</p>
1185
1186 <p>"<a href="http://www.eecs.harvard.edu/~nr/pubs/widen-abstract.html">Widening
1187    integer arithmetic</a>"<br>
1188    Kevin Redwine and Norman Ramsey<br>
1189    International Conference on Compiler Construction (CC) 2004</p>
1190
1191 <p>"<a href="http://portal.acm.org/citation.cfm?doid=512529.512552">Effective
1192    sign extension elimination</a>"<br>
1193    Motohiro Kawahito, Hideaki Komatsu, and Toshio Nakatani<br>
1194    Proceedings of the ACM SIGPLAN 2002 Conference on Programming Language Design
1195    and Implementation.</p>
1196
1197 </div>
1198
1199 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1200 <h4>
1201   <a name="selectiondag_select">SelectionDAG Select Phase</a>
1202 </h4>
1203
1204 <div>
1205
1206 <p>The Select phase is the bulk of the target-specific code for instruction
1207    selection.  This phase takes a legal SelectionDAG as input, pattern matches
1208    the instructions supported by the target to this DAG, and produces a new DAG
1209    of target code.  For example, consider the following LLVM fragment:</p>
1210
1211 <div class="doc_code">
1212 <pre>
1213 %t1 = fadd float %W, %X
1214 %t2 = fmul float %t1, %Y
1215 %t3 = fadd float %t2, %Z
1216 </pre>
1217 </div>
1218
1219 <p>This LLVM code corresponds to a SelectionDAG that looks basically like
1220    this:</p>
1221
1222 <div class="doc_code">
1223 <pre>
1224 (fadd:f32 (fmul:f32 (fadd:f32 W, X), Y), Z)
1225 </pre>
1226 </div>
1227
1228 <p>If a target supports floating point multiply-and-add (FMA) operations, one of
1229    the adds can be merged with the multiply.  On the PowerPC, for example, the
1230    output of the instruction selector might look like this DAG:</p>
1231
1232 <div class="doc_code">
1233 <pre>
1234 (FMADDS (FADDS W, X), Y, Z)
1235 </pre>
1236 </div>
1237
1238 <p>The <tt>FMADDS</tt> instruction is a ternary instruction that multiplies its
1239 first two operands and adds the third (as single-precision floating-point
1240 numbers).  The <tt>FADDS</tt> instruction is a simple binary single-precision
1241 add instruction.  To perform this pattern match, the PowerPC backend includes
1242 the following instruction definitions:</p>
1243
1244 <div class="doc_code">
1245 <pre>
1246 def FMADDS : AForm_1&lt;59, 29,
1247                     (ops F4RC:$FRT, F4RC:$FRA, F4RC:$FRC, F4RC:$FRB),
1248                     "fmadds $FRT, $FRA, $FRC, $FRB",
1249                     [<b>(set F4RC:$FRT, (fadd (fmul F4RC:$FRA, F4RC:$FRC),
1250                                            F4RC:$FRB))</b>]&gt;;
1251 def FADDS : AForm_2&lt;59, 21,
1252                     (ops F4RC:$FRT, F4RC:$FRA, F4RC:$FRB),
1253                     "fadds $FRT, $FRA, $FRB",
1254                     [<b>(set F4RC:$FRT, (fadd F4RC:$FRA, F4RC:$FRB))</b>]&gt;;
1255 </pre>
1256 </div>
1257
1258 <p>The portion of the instruction definition in bold indicates the pattern used
1259    to match the instruction.  The DAG operators
1260    (like <tt>fmul</tt>/<tt>fadd</tt>) are defined in
1261    the <tt>include/llvm/Target/TargetSelectionDAG.td</tt> file.  "
1262    <tt>F4RC</tt>" is the register class of the input and result values.</p>
1263
1264 <p>The TableGen DAG instruction selector generator reads the instruction
1265    patterns in the <tt>.td</tt> file and automatically builds parts of the
1266    pattern matching code for your target.  It has the following strengths:</p>
1267
1268 <ul>
1269   <li>At compiler-compiler time, it analyzes your instruction patterns and tells
1270       you if your patterns make sense or not.</li>
1271
1272   <li>It can handle arbitrary constraints on operands for the pattern match.  In
1273       particular, it is straight-forward to say things like "match any immediate
1274       that is a 13-bit sign-extended value".  For examples, see the
1275       <tt>immSExt16</tt> and related <tt>tblgen</tt> classes in the PowerPC
1276       backend.</li>
1277
1278   <li>It knows several important identities for the patterns defined.  For
1279       example, it knows that addition is commutative, so it allows the
1280       <tt>FMADDS</tt> pattern above to match "<tt>(fadd X, (fmul Y, Z))</tt>" as
1281       well as "<tt>(fadd (fmul X, Y), Z)</tt>", without the target author having
1282       to specially handle this case.</li>
1283
1284   <li>It has a full-featured type-inferencing system.  In particular, you should
1285       rarely have to explicitly tell the system what type parts of your patterns
1286       are.  In the <tt>FMADDS</tt> case above, we didn't have to tell
1287       <tt>tblgen</tt> that all of the nodes in the pattern are of type 'f32'.
1288       It was able to infer and propagate this knowledge from the fact that
1289       <tt>F4RC</tt> has type 'f32'.</li>
1290
1291   <li>Targets can define their own (and rely on built-in) "pattern fragments".
1292       Pattern fragments are chunks of reusable patterns that get inlined into
1293       your patterns during compiler-compiler time.  For example, the integer
1294       "<tt>(not x)</tt>" operation is actually defined as a pattern fragment
1295       that expands as "<tt>(xor x, -1)</tt>", since the SelectionDAG does not
1296       have a native '<tt>not</tt>' operation.  Targets can define their own
1297       short-hand fragments as they see fit.  See the definition of
1298       '<tt>not</tt>' and '<tt>ineg</tt>' for examples.</li>
1299
1300   <li>In addition to instructions, targets can specify arbitrary patterns that
1301       map to one or more instructions using the 'Pat' class.  For example, the
1302       PowerPC has no way to load an arbitrary integer immediate into a register
1303       in one instruction. To tell tblgen how to do this, it defines:
1304       <br>
1305       <br>
1306 <div class="doc_code">
1307 <pre>
1308 // Arbitrary immediate support.  Implement in terms of LIS/ORI.
1309 def : Pat&lt;(i32 imm:$imm),
1310           (ORI (LIS (HI16 imm:$imm)), (LO16 imm:$imm))&gt;;
1311 </pre>
1312 </div>
1313       <br>
1314       If none of the single-instruction patterns for loading an immediate into a
1315       register match, this will be used.  This rule says "match an arbitrary i32
1316       immediate, turning it into an <tt>ORI</tt> ('or a 16-bit immediate') and
1317       an <tt>LIS</tt> ('load 16-bit immediate, where the immediate is shifted to
1318       the left 16 bits') instruction".  To make this work, the
1319       <tt>LO16</tt>/<tt>HI16</tt> node transformations are used to manipulate
1320       the input immediate (in this case, take the high or low 16-bits of the
1321       immediate).</li>
1322
1323   <li>While the system does automate a lot, it still allows you to write custom
1324       C++ code to match special cases if there is something that is hard to
1325       express.</li>
1326 </ul>
1327
1328 <p>While it has many strengths, the system currently has some limitations,
1329    primarily because it is a work in progress and is not yet finished:</p>
1330
1331 <ul>
1332   <li>Overall, there is no way to define or match SelectionDAG nodes that define
1333       multiple values (e.g. <tt>SMUL_LOHI</tt>, <tt>LOAD</tt>, <tt>CALL</tt>,
1334       etc).  This is the biggest reason that you currently still <em>have
1335       to</em> write custom C++ code for your instruction selector.</li>
1336
1337   <li>There is no great way to support matching complex addressing modes yet.
1338       In the future, we will extend pattern fragments to allow them to define
1339       multiple values (e.g. the four operands of the <a href="#x86_memory">X86
1340       addressing mode</a>, which are currently matched with custom C++ code).
1341       In addition, we'll extend fragments so that a fragment can match multiple
1342       different patterns.</li>
1343
1344   <li>We don't automatically infer flags like isStore/isLoad yet.</li>
1345
1346   <li>We don't automatically generate the set of supported registers and
1347       operations for the <a href="#selectiondag_legalize">Legalizer</a>
1348       yet.</li>
1349
1350   <li>We don't have a way of tying in custom legalized nodes yet.</li>
1351 </ul>
1352
1353 <p>Despite these limitations, the instruction selector generator is still quite
1354    useful for most of the binary and logical operations in typical instruction
1355    sets.  If you run into any problems or can't figure out how to do something,
1356    please let Chris know!</p>
1357
1358 </div>
1359
1360 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1361 <h4>
1362   <a name="selectiondag_sched">SelectionDAG Scheduling and Formation Phase</a>
1363 </h4>
1364
1365 <div>
1366
1367 <p>The scheduling phase takes the DAG of target instructions from the selection
1368    phase and assigns an order.  The scheduler can pick an order depending on
1369    various constraints of the machines (i.e. order for minimal register pressure
1370    or try to cover instruction latencies).  Once an order is established, the
1371    DAG is converted to a list
1372    of <tt><a href="#machineinstr">MachineInstr</a></tt>s and the SelectionDAG is
1373    destroyed.</p>
1374
1375 <p>Note that this phase is logically separate from the instruction selection
1376    phase, but is tied to it closely in the code because it operates on
1377    SelectionDAGs.</p>
1378
1379 </div>
1380
1381 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1382 <h4>
1383   <a name="selectiondag_future">Future directions for the SelectionDAG</a>
1384 </h4>
1385
1386 <div>
1387
1388 <ol>
1389   <li>Optional function-at-a-time selection.</li>
1390
1391   <li>Auto-generate entire selector from <tt>.td</tt> file.</li>
1392 </ol>
1393
1394 </div>
1395  
1396 </div>
1397
1398 <!-- ======================================================================= -->
1399 <h3>
1400   <a name="ssamco">SSA-based Machine Code Optimizations</a>
1401 </h3>
1402 <div><p>To Be Written</p></div>
1403
1404 <!-- ======================================================================= -->
1405 <h3>
1406   <a name="liveintervals">Live Intervals</a>
1407 </h3>
1408
1409 <div>
1410
1411 <p>Live Intervals are the ranges (intervals) where a variable is <i>live</i>.
1412    They are used by some <a href="#regalloc">register allocator</a> passes to
1413    determine if two or more virtual registers which require the same physical
1414    register are live at the same point in the program (i.e., they conflict).
1415    When this situation occurs, one virtual register must be <i>spilled</i>.</p>
1416
1417 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1418 <h4>
1419   <a name="livevariable_analysis">Live Variable Analysis</a>
1420 </h4>
1421
1422 <div>
1423
1424 <p>The first step in determining the live intervals of variables is to calculate
1425    the set of registers that are immediately dead after the instruction (i.e.,
1426    the instruction calculates the value, but it is never used) and the set of
1427    registers that are used by the instruction, but are never used after the
1428    instruction (i.e., they are killed). Live variable information is computed
1429    for each <i>virtual</i> register and <i>register allocatable</i> physical
1430    register in the function.  This is done in a very efficient manner because it
1431    uses SSA to sparsely compute lifetime information for virtual registers
1432    (which are in SSA form) and only has to track physical registers within a
1433    block.  Before register allocation, LLVM can assume that physical registers
1434    are only live within a single basic block.  This allows it to do a single,
1435    local analysis to resolve physical register lifetimes within each basic
1436    block. If a physical register is not register allocatable (e.g., a stack
1437    pointer or condition codes), it is not tracked.</p>
1438
1439 <p>Physical registers may be live in to or out of a function. Live in values are
1440    typically arguments in registers. Live out values are typically return values
1441    in registers. Live in values are marked as such, and are given a dummy
1442    "defining" instruction during live intervals analysis. If the last basic
1443    block of a function is a <tt>return</tt>, then it's marked as using all live
1444    out values in the function.</p>
1445
1446 <p><tt>PHI</tt> nodes need to be handled specially, because the calculation of
1447    the live variable information from a depth first traversal of the CFG of the
1448    function won't guarantee that a virtual register used by the <tt>PHI</tt>
1449    node is defined before it's used. When a <tt>PHI</tt> node is encountered,
1450    only the definition is handled, because the uses will be handled in other
1451    basic blocks.</p>
1452
1453 <p>For each <tt>PHI</tt> node of the current basic block, we simulate an
1454    assignment at the end of the current basic block and traverse the successor
1455    basic blocks. If a successor basic block has a <tt>PHI</tt> node and one of
1456    the <tt>PHI</tt> node's operands is coming from the current basic block, then
1457    the variable is marked as <i>alive</i> within the current basic block and all
1458    of its predecessor basic blocks, until the basic block with the defining
1459    instruction is encountered.</p>
1460
1461 </div>
1462
1463 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1464 <h4>
1465   <a name="liveintervals_analysis">Live Intervals Analysis</a>
1466 </h4>
1467
1468 <div>
1469
1470 <p>We now have the information available to perform the live intervals analysis
1471    and build the live intervals themselves.  We start off by numbering the basic
1472    blocks and machine instructions.  We then handle the "live-in" values.  These
1473    are in physical registers, so the physical register is assumed to be killed
1474    by the end of the basic block.  Live intervals for virtual registers are
1475    computed for some ordering of the machine instructions <tt>[1, N]</tt>.  A
1476    live interval is an interval <tt>[i, j)</tt>, where <tt>1 &lt;= i &lt;= j
1477    &lt; N</tt>, for which a variable is live.</p>
1478
1479 <p><i><b>More to come...</b></i></p>
1480
1481 </div>
1482
1483 </div>
1484
1485 <!-- ======================================================================= -->
1486 <h3>
1487   <a name="regalloc">Register Allocation</a>
1488 </h3>
1489
1490 <div>
1491
1492 <p>The <i>Register Allocation problem</i> consists in mapping a program
1493    <i>P<sub>v</sub></i>, that can use an unbounded number of virtual registers,
1494    to a program <i>P<sub>p</sub></i> that contains a finite (possibly small)
1495    number of physical registers. Each target architecture has a different number
1496    of physical registers. If the number of physical registers is not enough to
1497    accommodate all the virtual registers, some of them will have to be mapped
1498    into memory. These virtuals are called <i>spilled virtuals</i>.</p>
1499
1500 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1501
1502 <h4>
1503   <a name="regAlloc_represent">How registers are represented in LLVM</a>
1504 </h4>
1505
1506 <div>
1507
1508 <p>In LLVM, physical registers are denoted by integer numbers that normally
1509    range from 1 to 1023. To see how this numbering is defined for a particular
1510    architecture, you can read the <tt>GenRegisterNames.inc</tt> file for that
1511    architecture. For instance, by
1512    inspecting <tt>lib/Target/X86/X86GenRegisterNames.inc</tt> we see that the
1513    32-bit register <tt>EAX</tt> is denoted by 15, and the MMX register
1514    <tt>MM0</tt> is mapped to 48.</p>
1515
1516 <p>Some architectures contain registers that share the same physical location. A
1517    notable example is the X86 platform. For instance, in the X86 architecture,
1518    the registers <tt>EAX</tt>, <tt>AX</tt> and <tt>AL</tt> share the first eight
1519    bits. These physical registers are marked as <i>aliased</i> in LLVM. Given a
1520    particular architecture, you can check which registers are aliased by
1521    inspecting its <tt>RegisterInfo.td</tt> file. Moreover, the method
1522    <tt>TargetRegisterInfo::getAliasSet(p_reg)</tt> returns an array containing
1523    all the physical registers aliased to the register <tt>p_reg</tt>.</p>
1524
1525 <p>Physical registers, in LLVM, are grouped in <i>Register Classes</i>.
1526    Elements in the same register class are functionally equivalent, and can be
1527    interchangeably used. Each virtual register can only be mapped to physical
1528    registers of a particular class. For instance, in the X86 architecture, some
1529    virtuals can only be allocated to 8 bit registers.  A register class is
1530    described by <tt>TargetRegisterClass</tt> objects.  To discover if a virtual
1531    register is compatible with a given physical, this code can be used:</p>
1532
1533 <div class="doc_code">
1534 <pre>
1535 bool RegMapping_Fer::compatible_class(MachineFunction &amp;mf,
1536                                       unsigned v_reg,
1537                                       unsigned p_reg) {
1538   assert(TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(p_reg) &amp;&amp;
1539          "Target register must be physical");
1540   const TargetRegisterClass *trc = mf.getRegInfo().getRegClass(v_reg);
1541   return trc-&gt;contains(p_reg);
1542 }
1543 </pre>
1544 </div>
1545
1546 <p>Sometimes, mostly for debugging purposes, it is useful to change the number
1547    of physical registers available in the target architecture. This must be done
1548    statically, inside the <tt>TargetRegsterInfo.td</tt> file. Just <tt>grep</tt>
1549    for <tt>RegisterClass</tt>, the last parameter of which is a list of
1550    registers. Just commenting some out is one simple way to avoid them being
1551    used. A more polite way is to explicitly exclude some registers from
1552    the <i>allocation order</i>. See the definition of the <tt>GR8</tt> register
1553    class in <tt>lib/Target/X86/X86RegisterInfo.td</tt> for an example of this.
1554    </p>
1555
1556 <p>Virtual registers are also denoted by integer numbers. Contrary to physical
1557    registers, different virtual registers never share the same number. Whereas
1558    physical registers are statically defined in a <tt>TargetRegisterInfo.td</tt>
1559    file and cannot be created by the application developer, that is not the case
1560    with virtual registers. In order to create new virtual registers, use the
1561    method <tt>MachineRegisterInfo::createVirtualRegister()</tt>. This method
1562    will return a new virtual register. Use an <tt>IndexedMap&lt;Foo,
1563    VirtReg2IndexFunctor&gt;</tt> to hold information per virtual register. If you
1564    need to enumerate all virtual registers, use the function
1565    <tt>TargetRegisterInfo::index2VirtReg()</tt> to find the virtual register
1566    numbers:</p>
1567
1568 <div class="doc_code">
1569 <pre>
1570   for (unsigned i = 0, e = MRI->getNumVirtRegs(); i != e; ++i) {
1571     unsigned VirtReg = TargetRegisterInfo::index2VirtReg(i);
1572     stuff(VirtReg);
1573   }
1574 </pre>
1575 </div>
1576
1577 <p>Before register allocation, the operands of an instruction are mostly virtual
1578    registers, although physical registers may also be used. In order to check if
1579    a given machine operand is a register, use the boolean
1580    function <tt>MachineOperand::isRegister()</tt>. To obtain the integer code of
1581    a register, use <tt>MachineOperand::getReg()</tt>. An instruction may define
1582    or use a register. For instance, <tt>ADD reg:1026 := reg:1025 reg:1024</tt>
1583    defines the registers 1024, and uses registers 1025 and 1026. Given a
1584    register operand, the method <tt>MachineOperand::isUse()</tt> informs if that
1585    register is being used by the instruction. The
1586    method <tt>MachineOperand::isDef()</tt> informs if that registers is being
1587    defined.</p>
1588
1589 <p>We will call physical registers present in the LLVM bitcode before register
1590    allocation <i>pre-colored registers</i>. Pre-colored registers are used in
1591    many different situations, for instance, to pass parameters of functions
1592    calls, and to store results of particular instructions. There are two types
1593    of pre-colored registers: the ones <i>implicitly</i> defined, and
1594    those <i>explicitly</i> defined. Explicitly defined registers are normal
1595    operands, and can be accessed
1596    with <tt>MachineInstr::getOperand(int)::getReg()</tt>.  In order to check
1597    which registers are implicitly defined by an instruction, use
1598    the <tt>TargetInstrInfo::get(opcode)::ImplicitDefs</tt>,
1599    where <tt>opcode</tt> is the opcode of the target instruction. One important
1600    difference between explicit and implicit physical registers is that the
1601    latter are defined statically for each instruction, whereas the former may
1602    vary depending on the program being compiled. For example, an instruction
1603    that represents a function call will always implicitly define or use the same
1604    set of physical registers. To read the registers implicitly used by an
1605    instruction,
1606    use <tt>TargetInstrInfo::get(opcode)::ImplicitUses</tt>. Pre-colored
1607    registers impose constraints on any register allocation algorithm. The
1608    register allocator must make sure that none of them are overwritten by
1609    the values of virtual registers while still alive.</p>
1610
1611 </div>
1612
1613 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1614
1615 <h4>
1616   <a name="regAlloc_howTo">Mapping virtual registers to physical registers</a>
1617 </h4>
1618
1619 <div>
1620
1621 <p>There are two ways to map virtual registers to physical registers (or to
1622    memory slots). The first way, that we will call <i>direct mapping</i>, is
1623    based on the use of methods of the classes <tt>TargetRegisterInfo</tt>,
1624    and <tt>MachineOperand</tt>. The second way, that we will call <i>indirect
1625    mapping</i>, relies on the <tt>VirtRegMap</tt> class in order to insert loads
1626    and stores sending and getting values to and from memory.</p>
1627
1628 <p>The direct mapping provides more flexibility to the developer of the register
1629    allocator; however, it is more error prone, and demands more implementation
1630    work.  Basically, the programmer will have to specify where load and store
1631    instructions should be inserted in the target function being compiled in
1632    order to get and store values in memory. To assign a physical register to a
1633    virtual register present in a given operand,
1634    use <tt>MachineOperand::setReg(p_reg)</tt>. To insert a store instruction,
1635    use <tt>TargetInstrInfo::storeRegToStackSlot(...)</tt>, and to insert a
1636    load instruction, use <tt>TargetInstrInfo::loadRegFromStackSlot</tt>.</p>
1637
1638 <p>The indirect mapping shields the application developer from the complexities
1639    of inserting load and store instructions. In order to map a virtual register
1640    to a physical one, use <tt>VirtRegMap::assignVirt2Phys(vreg, preg)</tt>.  In
1641    order to map a certain virtual register to memory,
1642    use <tt>VirtRegMap::assignVirt2StackSlot(vreg)</tt>. This method will return
1643    the stack slot where <tt>vreg</tt>'s value will be located.  If it is
1644    necessary to map another virtual register to the same stack slot,
1645    use <tt>VirtRegMap::assignVirt2StackSlot(vreg, stack_location)</tt>. One
1646    important point to consider when using the indirect mapping, is that even if
1647    a virtual register is mapped to memory, it still needs to be mapped to a
1648    physical register. This physical register is the location where the virtual
1649    register is supposed to be found before being stored or after being
1650    reloaded.</p>
1651
1652 <p>If the indirect strategy is used, after all the virtual registers have been
1653    mapped to physical registers or stack slots, it is necessary to use a spiller
1654    object to place load and store instructions in the code. Every virtual that
1655    has been mapped to a stack slot will be stored to memory after been defined
1656    and will be loaded before being used. The implementation of the spiller tries
1657    to recycle load/store instructions, avoiding unnecessary instructions. For an
1658    example of how to invoke the spiller,
1659    see <tt>RegAllocLinearScan::runOnMachineFunction</tt>
1660    in <tt>lib/CodeGen/RegAllocLinearScan.cpp</tt>.</p>
1661
1662 </div>
1663
1664 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1665 <h4>
1666   <a name="regAlloc_twoAddr">Handling two address instructions</a>
1667 </h4>
1668
1669 <div>
1670
1671 <p>With very rare exceptions (e.g., function calls), the LLVM machine code
1672    instructions are three address instructions. That is, each instruction is
1673    expected to define at most one register, and to use at most two registers.
1674    However, some architectures use two address instructions. In this case, the
1675    defined register is also one of the used register. For instance, an
1676    instruction such as <tt>ADD %EAX, %EBX</tt>, in X86 is actually equivalent
1677    to <tt>%EAX = %EAX + %EBX</tt>.</p>
1678
1679 <p>In order to produce correct code, LLVM must convert three address
1680    instructions that represent two address instructions into true two address
1681    instructions. LLVM provides the pass <tt>TwoAddressInstructionPass</tt> for
1682    this specific purpose. It must be run before register allocation takes
1683    place. After its execution, the resulting code may no longer be in SSA
1684    form. This happens, for instance, in situations where an instruction such
1685    as <tt>%a = ADD %b %c</tt> is converted to two instructions such as:</p>
1686
1687 <div class="doc_code">
1688 <pre>
1689 %a = MOVE %b
1690 %a = ADD %a %c
1691 </pre>
1692 </div>
1693
1694 <p>Notice that, internally, the second instruction is represented as
1695    <tt>ADD %a[def/use] %c</tt>. I.e., the register operand <tt>%a</tt> is both
1696    used and defined by the instruction.</p>
1697
1698 </div>
1699
1700 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1701 <h4>
1702   <a name="regAlloc_ssaDecon">The SSA deconstruction phase</a>
1703 </h4>
1704
1705 <div>
1706
1707 <p>An important transformation that happens during register allocation is called
1708    the <i>SSA Deconstruction Phase</i>. The SSA form simplifies many analyses
1709    that are performed on the control flow graph of programs. However,
1710    traditional instruction sets do not implement PHI instructions. Thus, in
1711    order to generate executable code, compilers must replace PHI instructions
1712    with other instructions that preserve their semantics.</p>
1713
1714 <p>There are many ways in which PHI instructions can safely be removed from the
1715    target code. The most traditional PHI deconstruction algorithm replaces PHI
1716    instructions with copy instructions. That is the strategy adopted by
1717    LLVM. The SSA deconstruction algorithm is implemented
1718    in <tt>lib/CodeGen/PHIElimination.cpp</tt>. In order to invoke this pass, the
1719    identifier <tt>PHIEliminationID</tt> must be marked as required in the code
1720    of the register allocator.</p>
1721
1722 </div>
1723
1724 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1725 <h4>
1726   <a name="regAlloc_fold">Instruction folding</a>
1727 </h4>
1728
1729 <div>
1730
1731 <p><i>Instruction folding</i> is an optimization performed during register
1732    allocation that removes unnecessary copy instructions. For instance, a
1733    sequence of instructions such as:</p>
1734
1735 <div class="doc_code">
1736 <pre>
1737 %EBX = LOAD %mem_address
1738 %EAX = COPY %EBX
1739 </pre>
1740 </div>
1741
1742 <p>can be safely substituted by the single instruction:</p>
1743
1744 <div class="doc_code">
1745 <pre>
1746 %EAX = LOAD %mem_address
1747 </pre>
1748 </div>
1749
1750 <p>Instructions can be folded with
1751    the <tt>TargetRegisterInfo::foldMemoryOperand(...)</tt> method. Care must be
1752    taken when folding instructions; a folded instruction can be quite different
1753    from the original
1754    instruction. See <tt>LiveIntervals::addIntervalsForSpills</tt>
1755    in <tt>lib/CodeGen/LiveIntervalAnalysis.cpp</tt> for an example of its
1756    use.</p>
1757
1758 </div>
1759
1760 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1761
1762 <h4>
1763   <a name="regAlloc_builtIn">Built in register allocators</a>
1764 </h4>
1765
1766 <div>
1767
1768 <p>The LLVM infrastructure provides the application developer with three
1769    different register allocators:</p>
1770
1771 <ul>
1772   <li><i>Fast</i> &mdash; This register allocator is the default for debug
1773       builds. It allocates registers on a basic block level, attempting to keep
1774       values in registers and reusing registers as appropriate.</li>
1775
1776   <li><i>Basic</i> &mdash; This is an incremental approach to register
1777   allocation. Live ranges are assigned to registers one at a time in
1778   an order that is driven by heuristics. Since code can be rewritten
1779   on-the-fly during allocation, this framework allows interesting
1780   allocators to be developed as extensions. It is not itself a
1781   production register allocator but is a potentially useful
1782   stand-alone mode for triaging bugs and as a performance baseline.
1783
1784   <li><i>Greedy</i> &mdash; <i>The default allocator</i>. This is a
1785   highly tuned implementation of the <i>Basic</i> allocator that
1786   incorporates global live range splitting. This allocator works hard
1787   to minimize the cost of spill code.
1788
1789   <li><i>PBQP</i> &mdash; A Partitioned Boolean Quadratic Programming (PBQP)
1790       based register allocator. This allocator works by constructing a PBQP
1791       problem representing the register allocation problem under consideration,
1792       solving this using a PBQP solver, and mapping the solution back to a
1793       register assignment.</li>
1794 </ul>
1795
1796 <p>The type of register allocator used in <tt>llc</tt> can be chosen with the
1797    command line option <tt>-regalloc=...</tt>:</p>
1798
1799 <div class="doc_code">
1800 <pre>
1801 $ llc -regalloc=linearscan file.bc -o ln.s;
1802 $ llc -regalloc=fast file.bc -o fa.s;
1803 $ llc -regalloc=pbqp file.bc -o pbqp.s;
1804 </pre>
1805 </div>
1806
1807 </div>
1808
1809 </div>
1810
1811 <!-- ======================================================================= -->
1812 <h3>
1813   <a name="proepicode">Prolog/Epilog Code Insertion</a>
1814 </h3>
1815
1816 <div>
1817
1818 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1819 <h4>
1820   <a name="compact_unwind">Compact Unwind</a>
1821 </h4>
1822
1823 <div>
1824
1825 <p>Throwing an exception requires <em>unwinding</em> out of a function. The
1826    information on how to unwind a given function is traditionally expressed in
1827    DWARF unwind (a.k.a. frame) info. But that format was originally developed
1828    for debuggers to backtrace, and each Frame Description Entry (FDE) requires
1829    ~20-30 bytes per function. There is also the cost of mapping from an address
1830    in a function to the corresponding FDE at runtime. An alternative unwind
1831    encoding is called <em>compact unwind</em> and requires just 4-bytes per
1832    function.</p>
1833
1834 <p>The compact unwind encoding is a 32-bit value, which is encoded in an
1835    architecture-specific way. It specifies which registers to restore and from
1836    where, and how to unwind out of the function. When the linker creates a final
1837    linked image, it will create a <code>__TEXT,__unwind_info</code>
1838    section. This section is a small and fast way for the runtime to access
1839    unwind info for any given function. If we emit compact unwind info for the
1840    function, that compact unwind info will be encoded in
1841    the <code>__TEXT,__unwind_info</code> section. If we emit DWARF unwind info,
1842    the <code>__TEXT,__unwind_info</code> section will contain the offset of the
1843    FDE in the <code>__TEXT,__eh_frame</code> section in the final linked
1844    image.</p>
1845
1846 <p>For X86, there are three modes for the compact unwind encoding:</p>
1847
1848 <dl>
1849   <dt><i>Function with a Frame Pointer (<code>EBP</code> or <code>RBP</code>)</i></dt>
1850   <dd><p><code>EBP/RBP</code>-based frame, where <code>EBP/RBP</code> is pushed
1851       onto the stack immediately after the return address,
1852       then <code>ESP/RSP</code> is moved to <code>EBP/RBP</code>. Thus to
1853       unwind, <code>ESP/RSP</code> is restored with the
1854       current <code>EBP/RBP</code> value, then <code>EBP/RBP</code> is restored
1855       by popping the stack, and the return is done by popping the stack once
1856       more into the PC. All non-volatile registers that need to be restored must
1857       have been saved in a small range on the stack that
1858       starts <code>EBP-4</code> to <code>EBP-1020</code> (<code>RBP-8</code>
1859       to <code>RBP-1020</code>). The offset (divided by 4 in 32-bit mode and 8
1860       in 64-bit mode) is encoded in bits 16-23 (mask: <code>0x00FF0000</code>).
1861       The registers saved are encoded in bits 0-14
1862       (mask: <code>0x00007FFF</code>) as five 3-bit entries from the following
1863       table:</p>
1864 <table border="1" cellspacing="0">
1865   <tr>
1866     <th>Compact Number</th>
1867     <th>i386 Register</th>
1868     <th>x86-64 Regiser</th>
1869   </tr>
1870   <tr>
1871     <td>1</td>
1872     <td><code>EBX</code></td>
1873     <td><code>RBX</code></td>
1874   </tr>
1875   <tr>
1876     <td>2</td>
1877     <td><code>ECX</code></td>
1878     <td><code>R12</code></td>
1879   </tr>
1880   <tr>
1881     <td>3</td>
1882     <td><code>EDX</code></td>
1883     <td><code>R13</code></td>
1884   </tr>
1885   <tr>
1886     <td>4</td>
1887     <td><code>EDI</code></td>
1888     <td><code>R14</code></td>
1889   </tr>
1890   <tr>
1891     <td>5</td>
1892     <td><code>ESI</code></td>
1893     <td><code>R15</code></td>
1894   </tr>
1895   <tr>
1896     <td>6</td>
1897     <td><code>EBP</code></td>
1898     <td><code>RBP</code></td>
1899   </tr>
1900 </table>
1901
1902 </dd>
1903
1904   <dt><i>Frameless with a Small Constant Stack Size (<code>EBP</code>
1905          or <code>RBP</code> is not used as a frame pointer)</i></dt>
1906   <dd><p>To return, a constant (encoded in the compact unwind encoding) is added
1907       to the <code>ESP/RSP</code>.  Then the return is done by popping the stack
1908       into the PC. All non-volatile registers that need to be restored must have
1909       been saved on the stack immediately after the return address. The stack
1910       size (divided by 4 in 32-bit mode and 8 in 64-bit mode) is encoded in bits
1911       16-23 (mask: <code>0x00FF0000</code>). There is a maximum stack size of
1912       1024 bytes in 32-bit mode and 2048 in 64-bit mode. The number of registers
1913       saved is encoded in bits 9-12 (mask: <code>0x00001C00</code>). Bits 0-9
1914       (mask: <code>0x000003FF</code>) contain which registers were saved and
1915       their order. (See
1916       the <code>encodeCompactUnwindRegistersWithoutFrame()</code> function
1917       in <code>lib/Target/X86FrameLowering.cpp</code> for the encoding
1918       algorithm.)</p></dd>
1919
1920   <dt><i>Frameless with a Large Constant Stack Size (<code>EBP</code>
1921          or <code>RBP</code> is not used as a frame pointer)</i></dt>
1922   <dd><p>This case is like the "Frameless with a Small Constant Stack Size"
1923       case, but the stack size is too large to encode in the compact unwind
1924       encoding. Instead it requires that the function contains "<code>subl
1925       $nnnnnn, %esp</code>" in its prolog. The compact encoding contains the
1926       offset to the <code>$nnnnnn</code> value in the function in bits 9-12
1927       (mask: <code>0x00001C00</code>).</p></dd>
1928 </dl>
1929
1930 </div>
1931
1932 </div>
1933
1934 <!-- ======================================================================= -->
1935 <h3>
1936   <a name="latemco">Late Machine Code Optimizations</a>
1937 </h3>
1938 <div><p>To Be Written</p></div>
1939
1940 <!-- ======================================================================= -->
1941 <h3>
1942   <a name="codeemit">Code Emission</a>
1943 </h3>
1944
1945 <div>
1946
1947 <p>The code emission step of code generation is responsible for lowering from
1948 the code generator abstractions (like <a 
1949 href="#machinefunction">MachineFunction</a>, <a 
1950 href="#machineinstr">MachineInstr</a>, etc) down
1951 to the abstractions used by the MC layer (<a href="#mcinst">MCInst</a>, 
1952 <a href="#mcstreamer">MCStreamer</a>, etc).  This is
1953 done with a combination of several different classes: the (misnamed)
1954 target-independent AsmPrinter class, target-specific subclasses of AsmPrinter
1955 (such as SparcAsmPrinter), and the TargetLoweringObjectFile class.</p>
1956
1957 <p>Since the MC layer works at the level of abstraction of object files, it
1958 doesn't have a notion of functions, global variables etc.  Instead, it thinks
1959 about labels, directives, and instructions.  A key class used at this time is
1960 the MCStreamer class.  This is an abstract API that is implemented in different
1961 ways (e.g. to output a .s file, output an ELF .o file, etc) that is effectively
1962 an "assembler API".  MCStreamer has one method per directive, such as EmitLabel,
1963 EmitSymbolAttribute, SwitchSection, etc, which directly correspond to assembly
1964 level directives.
1965 </p>
1966
1967 <p>If you are interested in implementing a code generator for a target, there
1968 are three important things that you have to implement for your target:</p>
1969
1970 <ol>
1971 <li>First, you need a subclass of AsmPrinter for your target.  This class
1972 implements the general lowering process converting MachineFunction's into MC
1973 label constructs.  The AsmPrinter base class provides a number of useful methods
1974 and routines, and also allows you to override the lowering process in some
1975 important ways.  You should get much of the lowering for free if you are
1976 implementing an ELF, COFF, or MachO target, because the TargetLoweringObjectFile
1977 class implements much of the common logic.</li>
1978
1979 <li>Second, you need to implement an instruction printer for your target.  The
1980 instruction printer takes an <a href="#mcinst">MCInst</a> and renders it to a
1981 raw_ostream as text.  Most of this is automatically generated from the .td file
1982 (when you specify something like "<tt>add $dst, $src1, $src2</tt>" in the
1983 instructions), but you need to implement routines to print operands.</li>
1984
1985 <li>Third, you need to implement code that lowers a <a
1986 href="#machineinstr">MachineInstr</a> to an MCInst, usually implemented in
1987 "&lt;target&gt;MCInstLower.cpp".  This lowering process is often target
1988 specific, and is responsible for turning jump table entries, constant pool
1989 indices, global variable addresses, etc into MCLabels as appropriate.  This
1990 translation layer is also responsible for expanding pseudo ops used by the code
1991 generator into the actual machine instructions they correspond to. The MCInsts
1992 that are generated by this are fed into the instruction printer or the encoder.
1993 </li>
1994
1995 </ol>
1996
1997 <p>Finally, at your choosing, you can also implement an subclass of
1998 MCCodeEmitter which lowers MCInst's into machine code bytes and relocations.
1999 This is important if you want to support direct .o file emission, or would like
2000 to implement an assembler for your target.</p>
2001
2002 </div>
2003
2004 </div>
2005
2006 <!-- *********************************************************************** -->
2007 <h2>
2008   <a name="nativeassembler">Implementing a Native Assembler</a>
2009 </h2>
2010 <!-- *********************************************************************** -->
2011
2012 <div>
2013
2014 <p>Though you're probably reading this because you want to write or maintain a
2015 compiler backend, LLVM also fully supports building a native assemblers too.
2016 We've tried hard to automate the generation of the assembler from the .td files
2017 (in particular the instruction syntax and encodings), which means that a large
2018 part of the manual and repetitive data entry can be factored and shared with the
2019 compiler.</p>
2020
2021 <!-- ======================================================================= -->
2022 <h3 id="na_instparsing">Instruction Parsing</h3>
2023
2024 <div><p>To Be Written</p></div>
2025
2026
2027 <!-- ======================================================================= -->
2028 <h3 id="na_instaliases">
2029   Instruction Alias Processing
2030 </h3>
2031
2032 <div>
2033 <p>Once the instruction is parsed, it enters the MatchInstructionImpl function.
2034 The MatchInstructionImpl function performs alias processing and then does
2035 actual matching.</p>
2036
2037 <p>Alias processing is the phase that canonicalizes different lexical forms of
2038 the same instructions down to one representation.  There are several different
2039 kinds of alias that are possible to implement and they are listed below in the
2040 order that they are processed (which is in order from simplest/weakest to most
2041 complex/powerful).  Generally you want to use the first alias mechanism that
2042 meets the needs of your instruction, because it will allow a more concise
2043 description.</p>
2044
2045 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2046 <h4>Mnemonic Aliases</h4>
2047
2048 <div>
2049
2050 <p>The first phase of alias processing is simple instruction mnemonic
2051 remapping for classes of instructions which are allowed with two different
2052 mnemonics.  This phase is a simple and unconditionally remapping from one input
2053 mnemonic to one output mnemonic.  It isn't possible for this form of alias to
2054 look at the operands at all, so the remapping must apply for all forms of a
2055 given mnemonic.  Mnemonic aliases are defined simply, for example X86 has:
2056 </p>
2057
2058 <div class="doc_code">
2059 <pre>
2060 def : MnemonicAlias&lt;"cbw",     "cbtw"&gt;;
2061 def : MnemonicAlias&lt;"smovq",   "movsq"&gt;;
2062 def : MnemonicAlias&lt;"fldcww",  "fldcw"&gt;;
2063 def : MnemonicAlias&lt;"fucompi", "fucomip"&gt;;
2064 def : MnemonicAlias&lt;"ud2a",    "ud2"&gt;;
2065 </pre>
2066 </div>
2067
2068 <p>... and many others.  With a MnemonicAlias definition, the mnemonic is
2069 remapped simply and directly.  Though MnemonicAlias's can't look at any aspect
2070 of the instruction (such as the operands) they can depend on global modes (the
2071 same ones supported by the matcher), through a Requires clause:</p>
2072
2073 <div class="doc_code">
2074 <pre>
2075 def : MnemonicAlias&lt;"pushf", "pushfq"&gt;, Requires&lt;[In64BitMode]&gt;;
2076 def : MnemonicAlias&lt;"pushf", "pushfl"&gt;, Requires&lt;[In32BitMode]&gt;;
2077 </pre>
2078 </div>
2079
2080 <p>In this example, the mnemonic gets mapped into different a new one depending
2081 on the current instruction set.</p>
2082
2083 </div>
2084
2085 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2086 <h4>Instruction Aliases</h4>
2087
2088 <div>
2089
2090 <p>The most general phase of alias processing occurs while matching is
2091 happening: it provides new forms for the matcher to match along with a specific
2092 instruction to generate.  An instruction alias has two parts: the string to
2093 match and the instruction to generate.  For example:
2094 </p>
2095
2096 <div class="doc_code">
2097 <pre>
2098 def : InstAlias&lt;"movsx $src, $dst", (MOVSX16rr8W GR16:$dst, GR8  :$src)&gt;;
2099 def : InstAlias&lt;"movsx $src, $dst", (MOVSX16rm8W GR16:$dst, i8mem:$src)&gt;;
2100 def : InstAlias&lt;"movsx $src, $dst", (MOVSX32rr8  GR32:$dst, GR8  :$src)&gt;;
2101 def : InstAlias&lt;"movsx $src, $dst", (MOVSX32rr16 GR32:$dst, GR16 :$src)&gt;;
2102 def : InstAlias&lt;"movsx $src, $dst", (MOVSX64rr8  GR64:$dst, GR8  :$src)&gt;;
2103 def : InstAlias&lt;"movsx $src, $dst", (MOVSX64rr16 GR64:$dst, GR16 :$src)&gt;;
2104 def : InstAlias&lt;"movsx $src, $dst", (MOVSX64rr32 GR64:$dst, GR32 :$src)&gt;;
2105 </pre>
2106 </div>
2107
2108 <p>This shows a powerful example of the instruction aliases, matching the
2109 same mnemonic in multiple different ways depending on what operands are present
2110 in the assembly.  The result of instruction aliases can include operands in a
2111 different order than the destination instruction, and can use an input
2112 multiple times, for example:</p>
2113
2114 <div class="doc_code">
2115 <pre>
2116 def : InstAlias&lt;"clrb $reg", (XOR8rr  GR8 :$reg, GR8 :$reg)&gt;;
2117 def : InstAlias&lt;"clrw $reg", (XOR16rr GR16:$reg, GR16:$reg)&gt;;
2118 def : InstAlias&lt;"clrl $reg", (XOR32rr GR32:$reg, GR32:$reg)&gt;;
2119 def : InstAlias&lt;"clrq $reg", (XOR64rr GR64:$reg, GR64:$reg)&gt;;
2120 </pre>
2121 </div>
2122
2123 <p>This example also shows that tied operands are only listed once.  In the X86
2124 backend, XOR8rr has two input GR8's and one output GR8 (where an input is tied
2125 to the output).  InstAliases take a flattened operand list without duplicates
2126 for tied operands.  The result of an instruction alias can also use immediates
2127 and fixed physical registers which are added as simple immediate operands in the
2128 result, for example:</p>
2129
2130 <div class="doc_code">
2131 <pre>
2132 // Fixed Immediate operand.
2133 def : InstAlias&lt;"aad", (AAD8i8 10)&gt;;
2134
2135 // Fixed register operand.
2136 def : InstAlias&lt;"fcomi", (COM_FIr ST1)&gt;;
2137
2138 // Simple alias.
2139 def : InstAlias&lt;"fcomi $reg", (COM_FIr RST:$reg)&gt;;
2140 </pre>
2141 </div>
2142
2143
2144 <p>Instruction aliases can also have a Requires clause to make them
2145 subtarget specific.</p>
2146
2147 <p>If the back-end supports it, the instruction printer can automatically emit
2148    the alias rather than what's being aliased. It typically leads to better,
2149    more readable code. If it's better to print out what's being aliased, then
2150    pass a '0' as the third parameter to the InstAlias definition.</p>
2151
2152 </div>
2153
2154 </div>
2155
2156 <!-- ======================================================================= -->
2157 <h3 id="na_matching">Instruction Matching</h3>
2158
2159 <div><p>To Be Written</p></div>
2160
2161 </div>
2162
2163 <!-- *********************************************************************** -->
2164 <h2>
2165   <a name="targetimpls">Target-specific Implementation Notes</a>
2166 </h2>
2167 <!-- *********************************************************************** -->
2168
2169 <div>
2170
2171 <p>This section of the document explains features or design decisions that are
2172    specific to the code generator for a particular target.  First we start
2173    with a table that summarizes what features are supported by each target.</p>
2174
2175 <!-- ======================================================================= -->
2176 <h3>
2177   <a name="targetfeatures">Target Feature Matrix</a>
2178 </h3>
2179
2180 <div>
2181
2182 <p>Note that this table does not include the C backend or Cpp backends, since
2183 they do not use the target independent code generator infrastructure.  It also
2184 doesn't list features that are not supported fully by any target yet.  It
2185 considers a feature to be supported if at least one subtarget supports it.  A
2186 feature being supported means that it is useful and works for most cases, it
2187 does not indicate that there are zero known bugs in the implementation.  Here
2188 is the key:</p>
2189
2190
2191 <table border="1" cellspacing="0">
2192   <tr>
2193     <th>Unknown</th>
2194     <th>No support</th>
2195     <th>Partial Support</th>
2196     <th>Complete Support</th>
2197   </tr>
2198   <tr>
2199     <td class="unknown"></td>
2200     <td class="no"></td>
2201     <td class="partial"></td>
2202     <td class="yes"></td>
2203   </tr>
2204 </table>
2205
2206 <p>Here is the table:</p>
2207
2208 <table width="689" border="1" cellspacing="0">
2209 <tr><td></td>
2210 <td colspan="13" align="center" style="background-color:#ffc">Target</td>
2211 </tr>
2212   <tr>
2213     <th>Feature</th>
2214     <th>ARM</th>
2215     <th>CellSPU</th>
2216     <th>MBlaze</th>
2217     <th>MSP430</th>
2218     <th>Mips</th>
2219     <th>PTX</th>
2220     <th>PowerPC</th>
2221     <th>Sparc</th>
2222     <th>X86</th>
2223     <th>XCore</th>
2224   </tr>
2225
2226 <tr>
2227   <td><a href="#feat_reliable">is generally reliable</a></td>
2228   <td class="yes"></td> <!-- ARM -->
2229   <td class="no"></td> <!-- CellSPU -->
2230   <td class="no"></td> <!-- MBlaze -->
2231   <td class="unknown"></td> <!-- MSP430 -->
2232   <td class="yes"></td> <!-- Mips -->
2233   <td class="no"></td> <!-- PTX -->
2234   <td class="yes"></td> <!-- PowerPC -->
2235   <td class="yes"></td> <!-- Sparc -->
2236   <td class="yes"></td> <!-- X86 -->
2237   <td class="unknown"></td> <!-- XCore -->
2238 </tr>
2239
2240 <tr>
2241   <td><a href="#feat_asmparser">assembly parser</a></td>
2242   <td class="no"></td> <!-- ARM -->
2243   <td class="no"></td> <!-- CellSPU -->
2244   <td class="yes"></td> <!-- MBlaze -->
2245   <td class="no"></td> <!-- MSP430 -->
2246   <td class="no"></td> <!-- Mips -->
2247   <td class="no"></td> <!-- PTX -->
2248   <td class="no"></td> <!-- PowerPC -->
2249   <td class="no"></td> <!-- Sparc -->
2250   <td class="yes"></td> <!-- X86 -->
2251   <td class="no"></td> <!-- XCore -->
2252 </tr>
2253
2254 <tr>
2255   <td><a href="#feat_disassembler">disassembler</a></td>
2256   <td class="yes"></td> <!-- ARM -->
2257   <td class="no"></td> <!-- CellSPU -->
2258   <td class="yes"></td> <!-- MBlaze -->
2259   <td class="no"></td> <!-- MSP430 -->
2260   <td class="no"></td> <!-- Mips -->
2261   <td class="no"></td> <!-- PTX -->
2262   <td class="no"></td> <!-- PowerPC -->
2263   <td class="no"></td> <!-- Sparc -->
2264   <td class="yes"></td> <!-- X86 -->
2265   <td class="no"></td> <!-- XCore -->
2266 </tr>
2267
2268 <tr>
2269   <td><a href="#feat_inlineasm">inline asm</a></td>
2270   <td class="yes"></td> <!-- ARM -->
2271   <td class="no"></td> <!-- CellSPU -->
2272   <td class="yes"></td> <!-- MBlaze -->
2273   <td class="unknown"></td> <!-- MSP430 -->
2274   <td class="no"></td> <!-- Mips -->
2275   <td class="unknown"></td> <!-- PTX -->
2276   <td class="yes"></td> <!-- PowerPC -->
2277   <td class="unknown"></td> <!-- Sparc -->
2278   <td class="yes"></td> <!-- X86 -->
2279   <td class="unknown"></td> <!-- XCore -->
2280 </tr>
2281
2282 <tr>
2283   <td><a href="#feat_jit">jit</a></td>
2284   <td class="partial"><a href="#feat_jit_arm">*</a></td> <!-- ARM -->
2285   <td class="no"></td> <!-- CellSPU -->
2286   <td class="no"></td> <!-- MBlaze -->
2287   <td class="unknown"></td> <!-- MSP430 -->
2288   <td class="yes"></td> <!-- Mips -->
2289   <td class="unknown"></td> <!-- PTX -->
2290   <td class="yes"></td> <!-- PowerPC -->
2291   <td class="unknown"></td> <!-- Sparc -->
2292   <td class="yes"></td> <!-- X86 -->
2293   <td class="unknown"></td> <!-- XCore -->
2294 </tr>
2295
2296 <tr>
2297   <td><a href="#feat_objectwrite">.o&nbsp;file writing</a></td>
2298   <td class="no"></td> <!-- ARM -->
2299   <td class="no"></td> <!-- CellSPU -->
2300   <td class="yes"></td> <!-- MBlaze -->
2301   <td class="no"></td> <!-- MSP430 -->
2302   <td class="no"></td> <!-- Mips -->
2303   <td class="no"></td> <!-- PTX -->
2304   <td class="no"></td> <!-- PowerPC -->
2305   <td class="no"></td> <!-- Sparc -->
2306   <td class="yes"></td> <!-- X86 -->
2307   <td class="no"></td> <!-- XCore -->
2308 </tr>
2309
2310 <tr>
2311   <td><a href="#feat_tailcall">tail calls</a></td>
2312   <td class="yes"></td> <!-- ARM -->
2313   <td class="no"></td> <!-- CellSPU -->
2314   <td class="no"></td> <!-- MBlaze -->
2315   <td class="unknown"></td> <!-- MSP430 -->
2316   <td class="no"></td> <!-- Mips -->
2317   <td class="unknown"></td> <!-- PTX -->
2318   <td class="yes"></td> <!-- PowerPC -->
2319   <td class="unknown"></td> <!-- Sparc -->
2320   <td class="yes"></td> <!-- X86 -->
2321   <td class="unknown"></td> <!-- XCore -->
2322 </tr>
2323
2324 <tr>
2325   <td><a href="#feat_segstacks">segmented stacks</a></td>
2326   <td class="no"></td> <!-- ARM -->
2327   <td class="no"></td> <!-- CellSPU -->
2328   <td class="no"></td> <!-- MBlaze -->
2329   <td class="no"></td> <!-- MSP430 -->
2330   <td class="no"></td> <!-- Mips -->
2331   <td class="no"></td> <!-- PTX -->
2332   <td class="no"></td> <!-- PowerPC -->
2333   <td class="no"></td> <!-- Sparc -->
2334   <td class="partial"><a href="#feat_segstacks_x86">*</a></td> <!-- X86 -->
2335   <td class="no"></td> <!-- XCore -->
2336 </tr>
2337
2338
2339 </table>
2340
2341 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2342 <h4 id="feat_reliable">Is Generally Reliable</h4>
2343
2344 <div>
2345 <p>This box indicates whether the target is considered to be production quality.
2346 This indicates that the target has been used as a static compiler to
2347 compile large amounts of code by a variety of different people and is in
2348 continuous use.</p>
2349 </div>
2350
2351 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2352 <h4 id="feat_asmparser">Assembly Parser</h4>
2353
2354 <div>
2355 <p>This box indicates whether the target supports parsing target specific .s
2356 files by implementing the MCAsmParser interface.  This is required for llvm-mc
2357 to be able to act as a native assembler and is required for inline assembly
2358 support in the native .o file writer.</p>
2359
2360 </div>
2361
2362
2363 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2364 <h4 id="feat_disassembler">Disassembler</h4>
2365
2366 <div>
2367 <p>This box indicates whether the target supports the MCDisassembler API for
2368 disassembling machine opcode bytes into MCInst's.</p>
2369
2370 </div>
2371
2372 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2373 <h4 id="feat_inlineasm">Inline Asm</h4>
2374
2375 <div>
2376 <p>This box indicates whether the target supports most popular inline assembly
2377 constraints and modifiers.</p>
2378
2379 </div>
2380
2381 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2382 <h4 id="feat_jit">JIT Support</h4>
2383
2384 <div>
2385 <p>This box indicates whether the target supports the JIT compiler through
2386 the ExecutionEngine interface.</p>
2387
2388 <p id="feat_jit_arm">The ARM backend has basic support for integer code
2389 in ARM codegen mode, but lacks NEON and full Thumb support.</p>
2390
2391 </div>
2392
2393 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2394 <h4 id="feat_objectwrite">.o File Writing</h4>
2395
2396 <div>
2397
2398 <p>This box indicates whether the target supports writing .o files (e.g. MachO,
2399 ELF, and/or COFF) files directly from the target.  Note that the target also
2400 must include an assembly parser and general inline assembly support for full
2401 inline assembly support in the .o writer.</p>
2402
2403 <p>Targets that don't support this feature can obviously still write out .o
2404 files, they just rely on having an external assembler to translate from a .s
2405 file to a .o file (as is the case for many C compilers).</p>
2406
2407 </div>
2408
2409 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2410 <h4 id="feat_tailcall">Tail Calls</h4>
2411
2412 <div>
2413
2414 <p>This box indicates whether the target supports guaranteed tail calls.  These
2415 are calls marked "<a href="LangRef.html#i_call">tail</a>" and use the fastcc
2416 calling convention.  Please see the <a href="#tailcallopt">tail call section
2417 more more details</a>.</p>
2418
2419 </div>
2420
2421 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2422 <h4 id="feat_segstacks">Segmented Stacks</h4>
2423
2424 <div>
2425
2426 <p>This box indicates whether the target supports segmented stacks. This
2427 replaces the traditional large C stack with many linked segments. It
2428 is compatible with the <a href="http://gcc.gnu.org/wiki/SplitStacks">gcc
2429 implementation</a> used by the Go front end.</p>
2430
2431 <p id="feat_segstacks_x86">Basic support exists on the X86 backend. Currently
2432 vararg doesn't work and the object files are not marked the way the gold
2433 linker expects, but simple Go program can be built by dragonegg.</p>
2434
2435 </div>
2436
2437 </div>
2438
2439 <!-- ======================================================================= -->
2440 <h3>
2441   <a name="tailcallopt">Tail call optimization</a>
2442 </h3>
2443
2444 <div>
2445
2446 <p>Tail call optimization, callee reusing the stack of the caller, is currently
2447    supported on x86/x86-64 and PowerPC. It is performed if:</p>
2448
2449 <ul>
2450   <li>Caller and callee have the calling convention <tt>fastcc</tt> or
2451        <tt>cc 10</tt> (GHC call convention).</li>
2452
2453   <li>The call is a tail call - in tail position (ret immediately follows call
2454       and ret uses value of call or is void).</li>
2455
2456   <li>Option <tt>-tailcallopt</tt> is enabled.</li>
2457
2458   <li>Platform specific constraints are met.</li>
2459 </ul>
2460
2461 <p>x86/x86-64 constraints:</p>
2462
2463 <ul>
2464   <li>No variable argument lists are used.</li>
2465
2466   <li>On x86-64 when generating GOT/PIC code only module-local calls (visibility
2467   = hidden or protected) are supported.</li>
2468 </ul>
2469
2470 <p>PowerPC constraints:</p>
2471
2472 <ul>
2473   <li>No variable argument lists are used.</li>
2474
2475   <li>No byval parameters are used.</li>
2476
2477   <li>On ppc32/64 GOT/PIC only module-local calls (visibility = hidden or protected) are supported.</li>
2478 </ul>
2479
2480 <p>Example:</p>
2481
2482 <p>Call as <tt>llc -tailcallopt test.ll</tt>.</p>
2483
2484 <div class="doc_code">
2485 <pre>
2486 declare fastcc i32 @tailcallee(i32 inreg %a1, i32 inreg %a2, i32 %a3, i32 %a4)
2487
2488 define fastcc i32 @tailcaller(i32 %in1, i32 %in2) {
2489   %l1 = add i32 %in1, %in2
2490   %tmp = tail call fastcc i32 @tailcallee(i32 %in1 inreg, i32 %in2 inreg, i32 %in1, i32 %l1)
2491   ret i32 %tmp
2492 }
2493 </pre>
2494 </div>
2495
2496 <p>Implications of <tt>-tailcallopt</tt>:</p>
2497
2498 <p>To support tail call optimization in situations where the callee has more
2499    arguments than the caller a 'callee pops arguments' convention is used. This
2500    currently causes each <tt>fastcc</tt> call that is not tail call optimized
2501    (because one or more of above constraints are not met) to be followed by a
2502    readjustment of the stack. So performance might be worse in such cases.</p>
2503
2504 </div>
2505 <!-- ======================================================================= -->
2506 <h3>
2507   <a name="sibcallopt">Sibling call optimization</a>
2508 </h3>
2509
2510 <div>
2511
2512 <p>Sibling call optimization is a restricted form of tail call optimization.
2513    Unlike tail call optimization described in the previous section, it can be
2514    performed automatically on any tail calls when <tt>-tailcallopt</tt> option
2515    is not specified.</p>
2516
2517 <p>Sibling call optimization is currently performed on x86/x86-64 when the
2518    following constraints are met:</p>
2519
2520 <ul>
2521   <li>Caller and callee have the same calling convention. It can be either
2522       <tt>c</tt> or <tt>fastcc</tt>.
2523
2524   <li>The call is a tail call - in tail position (ret immediately follows call
2525       and ret uses value of call or is void).</li>
2526
2527   <li>Caller and callee have matching return type or the callee result is not
2528       used.
2529
2530   <li>If any of the callee arguments are being passed in stack, they must be
2531       available in caller's own incoming argument stack and the frame offsets
2532       must be the same.
2533 </ul>
2534
2535 <p>Example:</p>
2536 <div class="doc_code">
2537 <pre>
2538 declare i32 @bar(i32, i32)
2539
2540 define i32 @foo(i32 %a, i32 %b, i32 %c) {
2541 entry:
2542   %0 = tail call i32 @bar(i32 %a, i32 %b)
2543   ret i32 %0
2544 }
2545 </pre>
2546 </div>
2547
2548 </div>
2549 <!-- ======================================================================= -->
2550 <h3>
2551   <a name="x86">The X86 backend</a>
2552 </h3>
2553
2554 <div>
2555
2556 <p>The X86 code generator lives in the <tt>lib/Target/X86</tt> directory.  This
2557    code generator is capable of targeting a variety of x86-32 and x86-64
2558    processors, and includes support for ISA extensions such as MMX and SSE.</p>
2559
2560 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2561 <h4>
2562   <a name="x86_tt">X86 Target Triples supported</a>
2563 </h4>
2564
2565 <div>
2566
2567 <p>The following are the known target triples that are supported by the X86
2568    backend.  This is not an exhaustive list, and it would be useful to add those
2569    that people test.</p>
2570
2571 <ul>
2572   <li><b>i686-pc-linux-gnu</b> &mdash; Linux</li>
2573
2574   <li><b>i386-unknown-freebsd5.3</b> &mdash; FreeBSD 5.3</li>
2575
2576   <li><b>i686-pc-cygwin</b> &mdash; Cygwin on Win32</li>
2577
2578   <li><b>i686-pc-mingw32</b> &mdash; MingW on Win32</li>
2579
2580   <li><b>i386-pc-mingw32msvc</b> &mdash; MingW crosscompiler on Linux</li>
2581
2582   <li><b>i686-apple-darwin*</b> &mdash; Apple Darwin on X86</li>
2583
2584   <li><b>x86_64-unknown-linux-gnu</b> &mdash; Linux</li>
2585 </ul>
2586
2587 </div>
2588
2589 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2590 <h4>
2591   <a name="x86_cc">X86 Calling Conventions supported</a>
2592 </h4>
2593
2594
2595 <div>
2596
2597 <p>The following target-specific calling conventions are known to backend:</p>
2598
2599 <ul>
2600 <li><b>x86_StdCall</b> &mdash; stdcall calling convention seen on Microsoft
2601     Windows platform (CC ID = 64).</li>
2602 <li><b>x86_FastCall</b> &mdash; fastcall calling convention seen on Microsoft
2603     Windows platform (CC ID = 65).</li>
2604 <li><b>x86_ThisCall</b> &mdash; Similar to X86_StdCall. Passes first argument
2605     in ECX,  others via stack. Callee is responsible for stack cleaning. This
2606     convention is used by MSVC by default for methods in its ABI
2607     (CC ID = 70).</li>
2608 </ul>
2609
2610 </div>
2611
2612 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2613 <h4>
2614   <a name="x86_memory">Representing X86 addressing modes in MachineInstrs</a>
2615 </h4>
2616
2617 <div>
2618
2619 <p>The x86 has a very flexible way of accessing memory.  It is capable of
2620    forming memory addresses of the following expression directly in integer
2621    instructions (which use ModR/M addressing):</p>
2622
2623 <div class="doc_code">
2624 <pre>
2625 SegmentReg: Base + [1,2,4,8] * IndexReg + Disp32
2626 </pre>
2627 </div>
2628
2629 <p>In order to represent this, LLVM tracks no less than 5 operands for each
2630    memory operand of this form.  This means that the "load" form of
2631    '<tt>mov</tt>' has the following <tt>MachineOperand</tt>s in this order:</p>
2632
2633 <div class="doc_code">
2634 <pre>
2635 Index:        0     |    1        2       3           4          5
2636 Meaning:   DestReg, | BaseReg,  Scale, IndexReg, Displacement Segment
2637 OperandTy: VirtReg, | VirtReg, UnsImm, VirtReg,   SignExtImm  PhysReg
2638 </pre>
2639 </div>
2640
2641 <p>Stores, and all other instructions, treat the four memory operands in the
2642    same way and in the same order.  If the segment register is unspecified
2643    (regno = 0), then no segment override is generated.  "Lea" operations do not
2644    have a segment register specified, so they only have 4 operands for their
2645    memory reference.</p>
2646
2647 </div>
2648
2649 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2650 <h4>
2651   <a name="x86_memory">X86 address spaces supported</a>
2652 </h4>
2653
2654 <div>
2655
2656 <p>x86 has a feature which provides
2657    the ability to perform loads and stores to different address spaces
2658    via the x86 segment registers.  A segment override prefix byte on an
2659    instruction causes the instruction's memory access to go to the specified
2660    segment.  LLVM address space 0 is the default address space, which includes
2661    the stack, and any unqualified memory accesses in a program.  Address spaces
2662    1-255 are currently reserved for user-defined code.  The GS-segment is
2663    represented by address space 256, while the FS-segment is represented by 
2664    address space 257. Other x86 segments have yet to be allocated address space
2665    numbers.</p>
2666
2667 <p>While these address spaces may seem similar to TLS via the
2668    <tt>thread_local</tt> keyword, and often use the same underlying hardware,
2669    there are some fundamental differences.</p>
2670
2671 <p>The <tt>thread_local</tt> keyword applies to global variables and
2672    specifies that they are to be allocated in thread-local memory. There are
2673    no type qualifiers involved, and these variables can be pointed to with
2674    normal pointers and accessed with normal loads and stores.
2675    The <tt>thread_local</tt> keyword is target-independent at the LLVM IR
2676    level (though LLVM doesn't yet have implementations of it for some
2677    configurations).<p>
2678
2679 <p>Special address spaces, in contrast, apply to static types. Every
2680    load and store has a particular address space in its address operand type,
2681    and this is what determines which address space is accessed.
2682    LLVM ignores these special address space qualifiers on global variables,
2683    and does not provide a way to directly allocate storage in them.
2684    At the LLVM IR level, the behavior of these special address spaces depends
2685    in part on the underlying OS or runtime environment, and they are specific
2686    to x86 (and LLVM doesn't yet handle them correctly in some cases).</p>
2687
2688 <p>Some operating systems and runtime environments use (or may in the future
2689    use) the FS/GS-segment registers for various low-level purposes, so care
2690    should be taken when considering them.</p>
2691
2692 </div>
2693
2694 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2695 <h4>
2696   <a name="x86_names">Instruction naming</a>
2697 </h4>
2698
2699 <div>
2700
2701 <p>An instruction name consists of the base name, a default operand size, and a
2702    a character per operand with an optional special size. For example:</p>
2703
2704 <div class="doc_code">
2705 <pre>
2706 ADD8rr      -&gt; add, 8-bit register, 8-bit register
2707 IMUL16rmi   -&gt; imul, 16-bit register, 16-bit memory, 16-bit immediate
2708 IMUL16rmi8  -&gt; imul, 16-bit register, 16-bit memory, 8-bit immediate
2709 MOVSX32rm16 -&gt; movsx, 32-bit register, 16-bit memory
2710 </pre>
2711 </div>
2712
2713 </div>
2714
2715 </div>
2716
2717 <!-- ======================================================================= -->
2718 <h3>
2719   <a name="ppc">The PowerPC backend</a>
2720 </h3>
2721
2722 <div>
2723
2724 <p>The PowerPC code generator lives in the lib/Target/PowerPC directory.  The
2725    code generation is retargetable to several variations or <i>subtargets</i> of
2726    the PowerPC ISA; including ppc32, ppc64 and altivec.</p>
2727
2728 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2729 <h4>
2730   <a name="ppc_abi">LLVM PowerPC ABI</a>
2731 </h4>
2732
2733 <div>
2734
2735 <p>LLVM follows the AIX PowerPC ABI, with two deviations. LLVM uses a PC
2736    relative (PIC) or static addressing for accessing global values, so no TOC
2737    (r2) is used. Second, r31 is used as a frame pointer to allow dynamic growth
2738    of a stack frame.  LLVM takes advantage of having no TOC to provide space to
2739    save the frame pointer in the PowerPC linkage area of the caller frame.
2740    Other details of PowerPC ABI can be found at <a href=
2741    "http://developer.apple.com/documentation/DeveloperTools/Conceptual/LowLevelABI/Articles/32bitPowerPC.html"
2742    >PowerPC ABI.</a> Note: This link describes the 32 bit ABI.  The 64 bit ABI
2743    is similar except space for GPRs are 8 bytes wide (not 4) and r13 is reserved
2744    for system use.</p>
2745
2746 </div>
2747
2748 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2749 <h4>
2750   <a name="ppc_frame">Frame Layout</a>
2751 </h4>
2752
2753 <div>
2754
2755 <p>The size of a PowerPC frame is usually fixed for the duration of a
2756    function's invocation.  Since the frame is fixed size, all references
2757    into the frame can be accessed via fixed offsets from the stack pointer.  The
2758    exception to this is when dynamic alloca or variable sized arrays are
2759    present, then a base pointer (r31) is used as a proxy for the stack pointer
2760    and stack pointer is free to grow or shrink.  A base pointer is also used if
2761    llvm-gcc is not passed the -fomit-frame-pointer flag. The stack pointer is
2762    always aligned to 16 bytes, so that space allocated for altivec vectors will
2763    be properly aligned.</p>
2764
2765 <p>An invocation frame is laid out as follows (low memory at top);</p>
2766
2767 <table class="layout">
2768   <tr>
2769     <td>Linkage<br><br></td>
2770   </tr>
2771   <tr>
2772     <td>Parameter area<br><br></td>
2773   </tr>
2774   <tr>
2775     <td>Dynamic area<br><br></td>
2776   </tr>
2777   <tr>
2778     <td>Locals area<br><br></td>
2779   </tr>
2780   <tr>
2781     <td>Saved registers area<br><br></td>
2782   </tr>
2783   <tr style="border-style: none hidden none hidden;">
2784     <td><br></td>
2785   </tr>
2786   <tr>
2787     <td>Previous Frame<br><br></td>
2788   </tr>
2789 </table>
2790
2791 <p>The <i>linkage</i> area is used by a callee to save special registers prior
2792    to allocating its own frame.  Only three entries are relevant to LLVM. The
2793    first entry is the previous stack pointer (sp), aka link.  This allows
2794    probing tools like gdb or exception handlers to quickly scan the frames in
2795    the stack.  A function epilog can also use the link to pop the frame from the
2796    stack.  The third entry in the linkage area is used to save the return
2797    address from the lr register. Finally, as mentioned above, the last entry is
2798    used to save the previous frame pointer (r31.)  The entries in the linkage
2799    area are the size of a GPR, thus the linkage area is 24 bytes long in 32 bit
2800    mode and 48 bytes in 64 bit mode.</p>
2801
2802 <p>32 bit linkage area</p>
2803
2804 <table class="layout">
2805   <tr>
2806     <td>0</td>
2807     <td>Saved SP (r1)</td>
2808   </tr>
2809   <tr>
2810     <td>4</td>
2811     <td>Saved CR</td>
2812   </tr>
2813   <tr>
2814     <td>8</td>
2815     <td>Saved LR</td>
2816   </tr>
2817   <tr>
2818     <td>12</td>
2819     <td>Reserved</td>
2820   </tr>
2821   <tr>
2822     <td>16</td>
2823     <td>Reserved</td>
2824   </tr>
2825   <tr>
2826     <td>20</td>
2827     <td>Saved FP (r31)</td>
2828   </tr>
2829 </table>
2830
2831 <p>64 bit linkage area</p>
2832
2833 <table class="layout">
2834   <tr>
2835     <td>0</td>
2836     <td>Saved SP (r1)</td>
2837   </tr>
2838   <tr>
2839     <td>8</td>
2840     <td>Saved CR</td>
2841   </tr>
2842   <tr>
2843     <td>16</td>
2844     <td>Saved LR</td>
2845   </tr>
2846   <tr>
2847     <td>24</td>
2848     <td>Reserved</td>
2849   </tr>
2850   <tr>
2851     <td>32</td>
2852     <td>Reserved</td>
2853   </tr>
2854   <tr>
2855     <td>40</td>
2856     <td>Saved FP (r31)</td>
2857   </tr>
2858 </table>
2859
2860 <p>The <i>parameter area</i> is used to store arguments being passed to a callee
2861    function.  Following the PowerPC ABI, the first few arguments are actually
2862    passed in registers, with the space in the parameter area unused.  However,
2863    if there are not enough registers or the callee is a thunk or vararg
2864    function, these register arguments can be spilled into the parameter area.
2865    Thus, the parameter area must be large enough to store all the parameters for
2866    the largest call sequence made by the caller.  The size must also be
2867    minimally large enough to spill registers r3-r10.  This allows callees blind
2868    to the call signature, such as thunks and vararg functions, enough space to
2869    cache the argument registers.  Therefore, the parameter area is minimally 32
2870    bytes (64 bytes in 64 bit mode.)  Also note that since the parameter area is
2871    a fixed offset from the top of the frame, that a callee can access its spilt
2872    arguments using fixed offsets from the stack pointer (or base pointer.)</p>
2873
2874 <p>Combining the information about the linkage, parameter areas and alignment. A
2875    stack frame is minimally 64 bytes in 32 bit mode and 128 bytes in 64 bit
2876    mode.</p>
2877
2878 <p>The <i>dynamic area</i> starts out as size zero.  If a function uses dynamic
2879    alloca then space is added to the stack, the linkage and parameter areas are
2880    shifted to top of stack, and the new space is available immediately below the
2881    linkage and parameter areas.  The cost of shifting the linkage and parameter
2882    areas is minor since only the link value needs to be copied.  The link value
2883    can be easily fetched by adding the original frame size to the base pointer.
2884    Note that allocations in the dynamic space need to observe 16 byte
2885    alignment.</p>
2886
2887 <p>The <i>locals area</i> is where the llvm compiler reserves space for local
2888    variables.</p>
2889
2890 <p>The <i>saved registers area</i> is where the llvm compiler spills callee
2891    saved registers on entry to the callee.</p>
2892
2893 </div>
2894
2895 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2896 <h4>
2897   <a name="ppc_prolog">Prolog/Epilog</a>
2898 </h4>
2899
2900 <div>
2901
2902 <p>The llvm prolog and epilog are the same as described in the PowerPC ABI, with
2903    the following exceptions.  Callee saved registers are spilled after the frame
2904    is created.  This allows the llvm epilog/prolog support to be common with
2905    other targets.  The base pointer callee saved register r31 is saved in the
2906    TOC slot of linkage area.  This simplifies allocation of space for the base
2907    pointer and makes it convenient to locate programatically and during
2908    debugging.</p>
2909
2910 </div>
2911
2912 <!-- _______________________________________________________________________ -->
2913 <h4>
2914   <a name="ppc_dynamic">Dynamic Allocation</a>
2915 </h4>
2916
2917 <div>
2918
2919 <p><i>TODO - More to come.</i></p>
2920
2921 </div>
2922
2923 </div>
2924
2925 <!-- ======================================================================= -->
2926 <h3>
2927   <a name="ptx">The PTX backend</a>
2928 </h3>
2929
2930 <div>
2931
2932 <p>The PTX code generator lives in the lib/Target/PTX directory. It is
2933   currently a work-in-progress, but already supports most of the code
2934   generation functionality needed to generate correct PTX kernels for
2935   CUDA devices.</p>
2936
2937 <p>The code generator can target PTX 2.0+, and shader model 1.0+.  The
2938   PTX ISA Reference Manual is used as the primary source of ISA
2939   information, though an effort is made to make the output of the code
2940   generator match the output of the NVidia nvcc compiler, whenever
2941   possible.</p>
2942
2943 <p>Code Generator Options:</p>
2944 <table border="1" cellspacing="0">
2945   <tr>
2946     <th>Option</th>
2947     <th>Description</th>
2948  </tr>
2949    <tr>
2950      <td><code>double</code></td>
2951      <td align="left">If enabled, the map_f64_to_f32 directive is
2952        disabled in the PTX output, allowing native double-precision
2953        arithmetic</td>
2954   </tr>
2955   <tr>
2956     <td><code>no-fma</code></td>
2957     <td align="left">Disable generation of Fused-Multiply Add
2958       instructions, which may be beneficial for some devices</td>
2959   </tr>
2960   <tr>
2961     <td><code>smxy / computexy</code></td>
2962     <td align="left">Set shader model/compute capability to x.y,
2963     e.g. sm20 or compute13</td>
2964   </tr>
2965 </table>
2966
2967 <p>Working:</p>
2968 <ul>
2969   <li>Arithmetic instruction selection (including combo FMA)</li>
2970   <li>Bitwise instruction selection</li>
2971   <li>Control-flow instruction selection</li>
2972   <li>Function calls (only on SM 2.0+ and no return arguments)</li>
2973   <li>Addresses spaces (0 = global, 1 = constant, 2 = local, 4 =
2974   shared)</li>
2975   <li>Thread synchronization (bar.sync)</li>
2976   <li>Special register reads ([N]TID, [N]CTAID, PMx, CLOCK, etc.)</li>
2977 </ul>
2978
2979 <p>In Progress:</p>
2980 <ul>
2981   <li>Robust call instruction selection</li>
2982   <li>Stack frame allocation</li>
2983   <li>Device-specific instruction scheduling optimizations</li>
2984 </ul>
2985
2986
2987 </div>
2988
2989 </div>
2990
2991 <!-- *********************************************************************** -->
2992 <hr>
2993 <address>
2994   <a href="http://jigsaw.w3.org/css-validator/check/referer"><img
2995   src="http://jigsaw.w3.org/css-validator/images/vcss-blue" alt="Valid CSS"></a>
2996   <a href="http://validator.w3.org/check/referer"><img
2997   src="http://www.w3.org/Icons/valid-html401-blue" alt="Valid HTML 4.01"></a>
2998
2999   <a href="mailto:sabre@nondot.org">Chris Lattner</a><br>
3000   <a href="http://llvm.org/">The LLVM Compiler Infrastructure</a><br>
3001   Last modified: $Date$
3002 </address>
3003
3004 </body>
3005 </html>