I plan to release a version of dragonegg based on llvm-2.7 shortly
[oota-llvm.git] / docs / BitCodeFormat.html
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>LLVM Bitcode File Format</title>
7   <link rel="stylesheet" href="llvm.css" type="text/css">
8 </head>
9 <body>
10 <div class="doc_title"> LLVM Bitcode File Format </div>
11 <ol>
12   <li><a href="#abstract">Abstract</a></li>
13   <li><a href="#overview">Overview</a></li>
14   <li><a href="#bitstream">Bitstream Format</a>
15     <ol>
16     <li><a href="#magic">Magic Numbers</a></li>
17     <li><a href="#primitives">Primitives</a></li>
18     <li><a href="#abbrevid">Abbreviation IDs</a></li>
19     <li><a href="#blocks">Blocks</a></li>
20     <li><a href="#datarecord">Data Records</a></li>
21     <li><a href="#abbreviations">Abbreviations</a></li>
22     <li><a href="#stdblocks">Standard Blocks</a></li>
23     </ol>
24   </li>
25   <li><a href="#wrapper">Bitcode Wrapper Format</a>
26   </li>
27   <li><a href="#llvmir">LLVM IR Encoding</a>
28     <ol>
29     <li><a href="#basics">Basics</a></li>
30     <li><a href="#MODULE_BLOCK">MODULE_BLOCK Contents</a></li>
31     <li><a href="#PARAMATTR_BLOCK">PARAMATTR_BLOCK Contents</a></li>
32     <li><a href="#TYPE_BLOCK">TYPE_BLOCK Contents</a></li>
33     <li><a href="#CONSTANTS_BLOCK">CONSTANTS_BLOCK Contents</a></li>
34     <li><a href="#FUNCTION_BLOCK">FUNCTION_BLOCK Contents</a></li>
35     <li><a href="#TYPE_SYMTAB_BLOCK">TYPE_SYMTAB_BLOCK Contents</a></li>
36     <li><a href="#VALUE_SYMTAB_BLOCK">VALUE_SYMTAB_BLOCK Contents</a></li>
37     <li><a href="#METADATA_BLOCK">METADATA_BLOCK Contents</a></li>
38     <li><a href="#METADATA_ATTACHMENT">METADATA_ATTACHMENT Contents</a></li>
39     </ol>
40   </li>
41 </ol>
42 <div class="doc_author">
43   <p>Written by <a href="mailto:sabre@nondot.org">Chris Lattner</a>
44   and <a href="http://www.reverberate.org">Joshua Haberman</a>.
45 </p>
46 </div>
47
48 <!-- *********************************************************************** -->
49 <div class="doc_section"> <a name="abstract">Abstract</a></div>
50 <!-- *********************************************************************** -->
51
52 <div class="doc_text">
53
54 <p>This document describes the LLVM bitstream file format and the encoding of
55 the LLVM IR into it.</p>
56
57 </div>
58
59 <!-- *********************************************************************** -->
60 <div class="doc_section"> <a name="overview">Overview</a></div>
61 <!-- *********************************************************************** -->
62
63 <div class="doc_text">
64
65 <p>
66 What is commonly known as the LLVM bitcode file format (also, sometimes
67 anachronistically known as bytecode) is actually two things: a <a 
68 href="#bitstream">bitstream container format</a>
69 and an <a href="#llvmir">encoding of LLVM IR</a> into the container format.</p>
70
71 <p>
72 The bitstream format is an abstract encoding of structured data, very
73 similar to XML in some ways.  Like XML, bitstream files contain tags, and nested
74 structures, and you can parse the file without having to understand the tags.
75 Unlike XML, the bitstream format is a binary encoding, and unlike XML it
76 provides a mechanism for the file to self-describe "abbreviations", which are
77 effectively size optimizations for the content.</p>
78
79 <p>LLVM IR files may be optionally embedded into a <a 
80 href="#wrapper">wrapper</a> structure that makes it easy to embed extra data
81 along with LLVM IR files.</p>
82
83 <p>This document first describes the LLVM bitstream format, describes the
84 wrapper format, then describes the record structure used by LLVM IR files.
85 </p>
86
87 </div>
88
89 <!-- *********************************************************************** -->
90 <div class="doc_section"> <a name="bitstream">Bitstream Format</a></div>
91 <!-- *********************************************************************** -->
92
93 <div class="doc_text">
94
95 <p>
96 The bitstream format is literally a stream of bits, with a very simple
97 structure.  This structure consists of the following concepts:
98 </p>
99
100 <ul>
101 <li>A "<a href="#magic">magic number</a>" that identifies the contents of
102     the stream.</li>
103 <li>Encoding <a href="#primitives">primitives</a> like variable bit-rate
104     integers.</li> 
105 <li><a href="#blocks">Blocks</a>, which define nested content.</li> 
106 <li><a href="#datarecord">Data Records</a>, which describe entities within the
107     file.</li> 
108 <li>Abbreviations, which specify compression optimizations for the file.</li> 
109 </ul>
110
111 <p>Note that the <a 
112 href="CommandGuide/html/llvm-bcanalyzer.html">llvm-bcanalyzer</a> tool can be
113 used to dump and inspect arbitrary bitstreams, which is very useful for
114 understanding the encoding.</p>
115
116 </div>
117
118 <!-- ======================================================================= -->
119 <div class="doc_subsection"><a name="magic">Magic Numbers</a>
120 </div>
121
122 <div class="doc_text">
123
124 <p>The first two bytes of a bitcode file are 'BC' (0x42, 0x43).
125 The second two bytes are an application-specific magic number.  Generic
126 bitcode tools can look at only the first two bytes to verify the file is
127 bitcode, while application-specific programs will want to look at all four.</p>
128
129 </div>
130
131 <!-- ======================================================================= -->
132 <div class="doc_subsection"><a name="primitives">Primitives</a>
133 </div>
134
135 <div class="doc_text">
136
137 <p>
138 A bitstream literally consists of a stream of bits, which are read in order
139 starting with the least significant bit of each byte.  The stream is made up of a
140 number of primitive values that encode a stream of unsigned integer values.
141 These integers are encoded in two ways: either as <a href="#fixedwidth">Fixed
142 Width Integers</a> or as <a href="#variablewidth">Variable Width
143 Integers</a>.
144 </p>
145
146 </div>
147
148 <!-- _______________________________________________________________________ -->
149 <div class="doc_subsubsection"> <a name="fixedwidth">Fixed Width Integers</a>
150 </div>
151
152 <div class="doc_text">
153
154 <p>Fixed-width integer values have their low bits emitted directly to the file.
155    For example, a 3-bit integer value encodes 1 as 001.  Fixed width integers
156    are used when there are a well-known number of options for a field.  For
157    example, boolean values are usually encoded with a 1-bit wide integer. 
158 </p>
159
160 </div>
161
162 <!-- _______________________________________________________________________ -->
163 <div class="doc_subsubsection"> <a name="variablewidth">Variable Width
164 Integers</a></div>
165
166 <div class="doc_text">
167
168 <p>Variable-width integer (VBR) values encode values of arbitrary size,
169 optimizing for the case where the values are small.  Given a 4-bit VBR field,
170 any 3-bit value (0 through 7) is encoded directly, with the high bit set to
171 zero.  Values larger than N-1 bits emit their bits in a series of N-1 bit
172 chunks, where all but the last set the high bit.</p>
173
174 <p>For example, the value 27 (0x1B) is encoded as 1011 0011 when emitted as a
175 vbr4 value.  The first set of four bits indicates the value 3 (011) with a
176 continuation piece (indicated by a high bit of 1).  The next word indicates a
177 value of 24 (011 << 3) with no continuation.  The sum (3+24) yields the value
178 27.
179 </p>
180
181 </div>
182
183 <!-- _______________________________________________________________________ -->
184 <div class="doc_subsubsection"> <a name="char6">6-bit characters</a></div>
185
186 <div class="doc_text">
187
188 <p>6-bit characters encode common characters into a fixed 6-bit field.  They
189 represent the following characters with the following 6-bit values:</p>
190
191 <div class="doc_code">
192 <pre>
193 'a' .. 'z' &mdash;  0 .. 25
194 'A' .. 'Z' &mdash; 26 .. 51
195 '0' .. '9' &mdash; 52 .. 61
196        '.' &mdash; 62
197        '_' &mdash; 63
198 </pre>
199 </div>
200
201 <p>This encoding is only suitable for encoding characters and strings that
202 consist only of the above characters.  It is completely incapable of encoding
203 characters not in the set.</p>
204
205 </div>
206
207 <!-- _______________________________________________________________________ -->
208 <div class="doc_subsubsection"> <a name="wordalign">Word Alignment</a></div>
209
210 <div class="doc_text">
211
212 <p>Occasionally, it is useful to emit zero bits until the bitstream is a
213 multiple of 32 bits.  This ensures that the bit position in the stream can be
214 represented as a multiple of 32-bit words.</p>
215
216 </div>
217
218
219 <!-- ======================================================================= -->
220 <div class="doc_subsection"><a name="abbrevid">Abbreviation IDs</a>
221 </div>
222
223 <div class="doc_text">
224
225 <p>
226 A bitstream is a sequential series of <a href="#blocks">Blocks</a> and
227 <a href="#datarecord">Data Records</a>.  Both of these start with an
228 abbreviation ID encoded as a fixed-bitwidth field.  The width is specified by
229 the current block, as described below.  The value of the abbreviation ID
230 specifies either a builtin ID (which have special meanings, defined below) or
231 one of the abbreviation IDs defined for the current block by the stream itself.
232 </p>
233
234 <p>
235 The set of builtin abbrev IDs is:
236 </p>
237
238 <ul>
239 <li><tt>0 - <a href="#END_BLOCK">END_BLOCK</a></tt> &mdash; This abbrev ID marks
240     the end of the current block.</li>
241 <li><tt>1 - <a href="#ENTER_SUBBLOCK">ENTER_SUBBLOCK</a></tt> &mdash; This
242     abbrev ID marks the beginning of a new block.</li>
243 <li><tt>2 - <a href="#DEFINE_ABBREV">DEFINE_ABBREV</a></tt> &mdash; This defines
244     a new abbreviation.</li>
245 <li><tt>3 - <a href="#UNABBREV_RECORD">UNABBREV_RECORD</a></tt> &mdash; This ID
246     specifies the definition of an unabbreviated record.</li>
247 </ul>
248
249 <p>Abbreviation IDs 4 and above are defined by the stream itself, and specify
250 an <a href="#abbrev_records">abbreviated record encoding</a>.</p>
251
252 </div>
253
254 <!-- ======================================================================= -->
255 <div class="doc_subsection"><a name="blocks">Blocks</a>
256 </div>
257
258 <div class="doc_text">
259
260 <p>
261 Blocks in a bitstream denote nested regions of the stream, and are identified by
262 a content-specific id number (for example, LLVM IR uses an ID of 12 to represent
263 function bodies).  Block IDs 0-7 are reserved for <a href="#stdblocks">standard blocks</a>
264 whose meaning is defined by Bitcode; block IDs 8 and greater are
265 application specific. Nested blocks capture the hierarchical structure of the data
266 encoded in it, and various properties are associated with blocks as the file is
267 parsed.  Block definitions allow the reader to efficiently skip blocks
268 in constant time if the reader wants a summary of blocks, or if it wants to
269 efficiently skip data it does not understand.  The LLVM IR reader uses this
270 mechanism to skip function bodies, lazily reading them on demand.
271 </p>
272
273 <p>
274 When reading and encoding the stream, several properties are maintained for the
275 block.  In particular, each block maintains:
276 </p>
277
278 <ol>
279 <li>A current abbrev id width.  This value starts at 2 at the beginning of
280     the stream, and is set every time a
281     block record is entered.  The block entry specifies the abbrev id width for
282     the body of the block.</li>
283
284 <li>A set of abbreviations.  Abbreviations may be defined within a block, in
285     which case they are only defined in that block (neither subblocks nor
286     enclosing blocks see the abbreviation).  Abbreviations can also be defined
287     inside a <tt><a href="#BLOCKINFO">BLOCKINFO</a></tt> block, in which case
288     they are defined in all blocks that match the ID that the BLOCKINFO block is
289     describing.
290 </li>
291 </ol>
292
293 <p>
294 As sub blocks are entered, these properties are saved and the new sub-block has
295 its own set of abbreviations, and its own abbrev id width.  When a sub-block is
296 popped, the saved values are restored.
297 </p>
298
299 </div>
300
301 <!-- _______________________________________________________________________ -->
302 <div class="doc_subsubsection"> <a name="ENTER_SUBBLOCK">ENTER_SUBBLOCK
303 Encoding</a></div>
304
305 <div class="doc_text">
306
307 <p><tt>[ENTER_SUBBLOCK, blockid<sub>vbr8</sub>, newabbrevlen<sub>vbr4</sub>,
308      &lt;align32bits&gt;, blocklen<sub>32</sub>]</tt></p>
309
310 <p>
311 The <tt>ENTER_SUBBLOCK</tt> abbreviation ID specifies the start of a new block
312 record.  The <tt>blockid</tt> value is encoded as an 8-bit VBR identifier, and
313 indicates the type of block being entered, which can be
314 a <a href="#stdblocks">standard block</a> or an application-specific block.
315 The <tt>newabbrevlen</tt> value is a 4-bit VBR, which specifies the abbrev id
316 width for the sub-block.  The <tt>blocklen</tt> value is a 32-bit aligned value
317 that specifies the size of the subblock in 32-bit words. This value allows the
318 reader to skip over the entire block in one jump.
319 </p>
320
321 </div>
322
323 <!-- _______________________________________________________________________ -->
324 <div class="doc_subsubsection"> <a name="END_BLOCK">END_BLOCK
325 Encoding</a></div>
326
327 <div class="doc_text">
328
329 <p><tt>[END_BLOCK, &lt;align32bits&gt;]</tt></p>
330
331 <p>
332 The <tt>END_BLOCK</tt> abbreviation ID specifies the end of the current block
333 record.  Its end is aligned to 32-bits to ensure that the size of the block is
334 an even multiple of 32-bits.
335 </p>
336
337 </div>
338
339
340
341 <!-- ======================================================================= -->
342 <div class="doc_subsection"><a name="datarecord">Data Records</a>
343 </div>
344
345 <div class="doc_text">
346 <p>
347 Data records consist of a record code and a number of (up to) 64-bit
348 integer values.  The interpretation of the code and values is
349 application specific and may vary between different block types.
350 Records can be encoded either using an unabbrev record, or with an
351 abbreviation.  In the LLVM IR format, for example, there is a record
352 which encodes the target triple of a module.  The code is
353 <tt>MODULE_CODE_TRIPLE</tt>, and the values of the record are the
354 ASCII codes for the characters in the string.
355 </p>
356
357 </div>
358
359 <!-- _______________________________________________________________________ -->
360 <div class="doc_subsubsection"> <a name="UNABBREV_RECORD">UNABBREV_RECORD
361 Encoding</a></div>
362
363 <div class="doc_text">
364
365 <p><tt>[UNABBREV_RECORD, code<sub>vbr6</sub>, numops<sub>vbr6</sub>,
366        op0<sub>vbr6</sub>, op1<sub>vbr6</sub>, ...]</tt></p>
367
368 <p>
369 An <tt>UNABBREV_RECORD</tt> provides a default fallback encoding, which is both
370 completely general and extremely inefficient.  It can describe an arbitrary
371 record by emitting the code and operands as VBRs.
372 </p>
373
374 <p>
375 For example, emitting an LLVM IR target triple as an unabbreviated record
376 requires emitting the <tt>UNABBREV_RECORD</tt> abbrevid, a vbr6 for the
377 <tt>MODULE_CODE_TRIPLE</tt> code, a vbr6 for the length of the string, which is
378 equal to the number of operands, and a vbr6 for each character.  Because there
379 are no letters with values less than 32, each letter would need to be emitted as
380 at least a two-part VBR, which means that each letter would require at least 12
381 bits.  This is not an efficient encoding, but it is fully general.
382 </p>
383
384 </div>
385
386 <!-- _______________________________________________________________________ -->
387 <div class="doc_subsubsection"> <a name="abbrev_records">Abbreviated Record
388 Encoding</a></div>
389
390 <div class="doc_text">
391
392 <p><tt>[&lt;abbrevid&gt;, fields...]</tt></p>
393
394 <p>
395 An abbreviated record is a abbreviation id followed by a set of fields that are
396 encoded according to the <a href="#abbreviations">abbreviation definition</a>.
397 This allows records to be encoded significantly more densely than records
398 encoded with the <tt><a href="#UNABBREV_RECORD">UNABBREV_RECORD</a></tt> type,
399 and allows the abbreviation types to be specified in the stream itself, which
400 allows the files to be completely self describing.  The actual encoding of
401 abbreviations is defined below.
402 </p>
403
404 <p>The record code, which is the first field of an abbreviated record,
405 may be encoded in the abbreviation definition (as a literal
406 operand) or supplied in the abbreviated record (as a Fixed or VBR
407 operand value).</p>
408
409 </div>
410
411 <!-- ======================================================================= -->
412 <div class="doc_subsection"><a name="abbreviations">Abbreviations</a>
413 </div>
414
415 <div class="doc_text">
416 <p>
417 Abbreviations are an important form of compression for bitstreams.  The idea is
418 to specify a dense encoding for a class of records once, then use that encoding
419 to emit many records.  It takes space to emit the encoding into the file, but
420 the space is recouped (hopefully plus some) when the records that use it are
421 emitted.
422 </p>
423
424 <p>
425 Abbreviations can be determined dynamically per client, per file. Because the
426 abbreviations are stored in the bitstream itself, different streams of the same
427 format can contain different sets of abbreviations according to the needs
428 of the specific stream.
429 As a concrete example, LLVM IR files usually emit an abbreviation
430 for binary operators.  If a specific LLVM module contained no or few binary
431 operators, the abbreviation does not need to be emitted.
432 </p>
433 </div>
434
435 <!-- _______________________________________________________________________ -->
436 <div class="doc_subsubsection"><a name="DEFINE_ABBREV">DEFINE_ABBREV
437  Encoding</a></div>
438
439 <div class="doc_text">
440
441 <p><tt>[DEFINE_ABBREV, numabbrevops<sub>vbr5</sub>, abbrevop0, abbrevop1,
442  ...]</tt></p>
443
444 <p>
445 A <tt>DEFINE_ABBREV</tt> record adds an abbreviation to the list of currently
446 defined abbreviations in the scope of this block.  This definition only exists
447 inside this immediate block &mdash; it is not visible in subblocks or enclosing
448 blocks.  Abbreviations are implicitly assigned IDs sequentially starting from 4
449 (the first application-defined abbreviation ID).  Any abbreviations defined in a
450 <tt>BLOCKINFO</tt> record for the particular block type
451 receive IDs first, in order, followed by any
452 abbreviations defined within the block itself.  Abbreviated data records
453 reference this ID to indicate what abbreviation they are invoking.
454 </p>
455
456 <p>
457 An abbreviation definition consists of the <tt>DEFINE_ABBREV</tt> abbrevid
458 followed by a VBR that specifies the number of abbrev operands, then the abbrev
459 operands themselves.  Abbreviation operands come in three forms.  They all start
460 with a single bit that indicates whether the abbrev operand is a literal operand
461 (when the bit is 1) or an encoding operand (when the bit is 0).
462 </p>
463
464 <ol>
465 <li>Literal operands &mdash; <tt>[1<sub>1</sub>, litvalue<sub>vbr8</sub>]</tt>
466 &mdash; Literal operands specify that the value in the result is always a single
467 specific value.  This specific value is emitted as a vbr8 after the bit
468 indicating that it is a literal operand.</li>
469 <li>Encoding info without data &mdash; <tt>[0<sub>1</sub>,
470  encoding<sub>3</sub>]</tt> &mdash; Operand encodings that do not have extra
471  data are just emitted as their code.
472 </li>
473 <li>Encoding info with data &mdash; <tt>[0<sub>1</sub>, encoding<sub>3</sub>,
474 value<sub>vbr5</sub>]</tt> &mdash; Operand encodings that do have extra data are
475 emitted as their code, followed by the extra data.
476 </li>
477 </ol>
478
479 <p>The possible operand encodings are:</p>
480
481 <ul>
482 <li>Fixed (code 1): The field should be emitted as
483     a <a href="#fixedwidth">fixed-width value</a>, whose width is specified by
484     the operand's extra data.</li>
485 <li>VBR (code 2): The field should be emitted as
486     a <a href="#variablewidth">variable-width value</a>, whose width is
487     specified by the operand's extra data.</li>
488 <li>Array (code 3): This field is an array of values.  The array operand
489     has no extra data, but expects another operand to follow it, indicating
490     the element type of the array.  When reading an array in an abbreviated
491     record, the first integer is a vbr6 that indicates the array length,
492     followed by the encoded elements of the array.  An array may only occur as
493     the last operand of an abbreviation (except for the one final operand that
494     gives the array's type).</li>
495 <li>Char6 (code 4): This field should be emitted as
496     a <a href="#char6">char6-encoded value</a>.  This operand type takes no
497     extra data. Char6 encoding is normally used as an array element type.
498     </li>
499 <li>Blob (code 5): This field is emitted as a vbr6, followed by padding to a
500     32-bit boundary (for alignment) and an array of 8-bit objects.  The array of
501     bytes is further followed by tail padding to ensure that its total length is
502     a multiple of 4 bytes.  This makes it very efficient for the reader to
503     decode the data without having to make a copy of it: it can use a pointer to
504     the data in the mapped in file and poke directly at it.  A blob may only
505     occur as the last operand of an abbreviation.</li>
506 </ul>
507
508 <p>
509 For example, target triples in LLVM modules are encoded as a record of the
510 form <tt>[TRIPLE, 'a', 'b', 'c', 'd']</tt>.  Consider if the bitstream emitted
511 the following abbrev entry:
512 </p>
513
514 <div class="doc_code">
515 <pre>
516 [0, Fixed, 4]
517 [0, Array]
518 [0, Char6]
519 </pre>
520 </div>
521
522 <p>
523 When emitting a record with this abbreviation, the above entry would be emitted
524 as:
525 </p>
526
527 <div class="doc_code">
528 <p>
529 <tt>[4<sub>abbrevwidth</sub>, 2<sub>4</sub>, 4<sub>vbr6</sub>, 0<sub>6</sub>,
530 1<sub>6</sub>, 2<sub>6</sub>, 3<sub>6</sub>]</tt>
531 </p>
532 </div>
533
534 <p>These values are:</p>
535
536 <ol>
537 <li>The first value, 4, is the abbreviation ID for this abbreviation.</li>
538 <li>The second value, 2, is the record code for <tt>TRIPLE</tt> records within LLVM IR file <tt>MODULE_BLOCK</tt> blocks.</li>
539 <li>The third value, 4, is the length of the array.</li>
540 <li>The rest of the values are the char6 encoded values
541     for <tt>"abcd"</tt>.</li>
542 </ol>
543
544 <p>
545 With this abbreviation, the triple is emitted with only 37 bits (assuming a
546 abbrev id width of 3).  Without the abbreviation, significantly more space would
547 be required to emit the target triple.  Also, because the <tt>TRIPLE</tt> value
548 is not emitted as a literal in the abbreviation, the abbreviation can also be
549 used for any other string value.
550 </p>
551
552 </div>
553
554 <!-- ======================================================================= -->
555 <div class="doc_subsection"><a name="stdblocks">Standard Blocks</a>
556 </div>
557
558 <div class="doc_text">
559
560 <p>
561 In addition to the basic block structure and record encodings, the bitstream
562 also defines specific built-in block types.  These block types specify how the
563 stream is to be decoded or other metadata.  In the future, new standard blocks
564 may be added.  Block IDs 0-7 are reserved for standard blocks.
565 </p>
566
567 </div>
568
569 <!-- _______________________________________________________________________ -->
570 <div class="doc_subsubsection"><a name="BLOCKINFO">#0 - BLOCKINFO
571 Block</a></div>
572
573 <div class="doc_text">
574
575 <p>
576 The <tt>BLOCKINFO</tt> block allows the description of metadata for other
577 blocks.  The currently specified records are:
578 </p>
579
580 <div class="doc_code">
581 <pre>
582 [SETBID (#1), blockid]
583 [DEFINE_ABBREV, ...]
584 [BLOCKNAME, ...name...]
585 [SETRECORDNAME, RecordID, ...name...]
586 </pre>
587 </div>
588
589 <p>
590 The <tt>SETBID</tt> record (code 1) indicates which block ID is being
591 described.  <tt>SETBID</tt> records can occur multiple times throughout the
592 block to change which block ID is being described.  There must be
593 a <tt>SETBID</tt> record prior to any other records.
594 </p>
595
596 <p>
597 Standard <tt>DEFINE_ABBREV</tt> records can occur inside <tt>BLOCKINFO</tt>
598 blocks, but unlike their occurrence in normal blocks, the abbreviation is
599 defined for blocks matching the block ID we are describing, <i>not</i> the
600 <tt>BLOCKINFO</tt> block itself.  The abbreviations defined
601 in <tt>BLOCKINFO</tt> blocks receive abbreviation IDs as described
602 in <tt><a href="#DEFINE_ABBREV">DEFINE_ABBREV</a></tt>.
603 </p>
604
605 <p>The <tt>BLOCKNAME</tt> record (code 2) can optionally occur in this block.  The elements of
606 the record are the bytes of the string name of the block.  llvm-bcanalyzer can use
607 this to dump out bitcode files symbolically.</p>
608
609 <p>The <tt>SETRECORDNAME</tt> record (code 3) can also optionally occur in this block.  The
610 first operand value is a record ID number, and the rest of the elements of the record are
611 the bytes for the string name of the record.  llvm-bcanalyzer can use
612 this to dump out bitcode files symbolically.</p>
613
614 <p>
615 Note that although the data in <tt>BLOCKINFO</tt> blocks is described as
616 "metadata," the abbreviations they contain are essential for parsing records
617 from the corresponding blocks.  It is not safe to skip them.
618 </p>
619
620 </div>
621
622 <!-- *********************************************************************** -->
623 <div class="doc_section"> <a name="wrapper">Bitcode Wrapper Format</a></div>
624 <!-- *********************************************************************** -->
625
626 <div class="doc_text">
627
628 <p>
629 Bitcode files for LLVM IR may optionally be wrapped in a simple wrapper
630 structure.  This structure contains a simple header that indicates the offset
631 and size of the embedded BC file.  This allows additional information to be
632 stored alongside the BC file.  The structure of this file header is:
633 </p>
634
635 <div class="doc_code">
636 <p>
637 <tt>[Magic<sub>32</sub>, Version<sub>32</sub>, Offset<sub>32</sub>,
638 Size<sub>32</sub>, CPUType<sub>32</sub>]</tt>
639 </p>
640 </div>
641
642 <p>
643 Each of the fields are 32-bit fields stored in little endian form (as with
644 the rest of the bitcode file fields).  The Magic number is always
645 <tt>0x0B17C0DE</tt> and the version is currently always <tt>0</tt>.  The Offset
646 field is the offset in bytes to the start of the bitcode stream in the file, and
647 the Size field is the size in bytes of the stream. CPUType is a target-specific
648 value that can be used to encode the CPU of the target.
649 </p>
650
651 </div>
652
653 <!-- *********************************************************************** -->
654 <div class="doc_section"> <a name="llvmir">LLVM IR Encoding</a></div>
655 <!-- *********************************************************************** -->
656
657 <div class="doc_text">
658
659 <p>
660 LLVM IR is encoded into a bitstream by defining blocks and records.  It uses
661 blocks for things like constant pools, functions, symbol tables, etc.  It uses
662 records for things like instructions, global variable descriptors, type
663 descriptions, etc.  This document does not describe the set of abbreviations
664 that the writer uses, as these are fully self-described in the file, and the
665 reader is not allowed to build in any knowledge of this.
666 </p>
667
668 </div>
669
670 <!-- ======================================================================= -->
671 <div class="doc_subsection"><a name="basics">Basics</a>
672 </div>
673
674 <!-- _______________________________________________________________________ -->
675 <div class="doc_subsubsection"><a name="ir_magic">LLVM IR Magic Number</a></div>
676
677 <div class="doc_text">
678
679 <p>
680 The magic number for LLVM IR files is:
681 </p>
682
683 <div class="doc_code">
684 <p>
685 <tt>[0x0<sub>4</sub>, 0xC<sub>4</sub>, 0xE<sub>4</sub>, 0xD<sub>4</sub>]</tt>
686 </p>
687 </div>
688
689 <p>
690 When combined with the bitcode magic number and viewed as bytes, this is
691 <tt>"BC&nbsp;0xC0DE"</tt>.
692 </p>
693
694 </div>
695
696 <!-- _______________________________________________________________________ -->
697 <div class="doc_subsubsection"><a name="ir_signed_vbr">Signed VBRs</a></div>
698
699 <div class="doc_text">
700
701 <p>
702 <a href="#variablewidth">Variable Width Integer</a> encoding is an efficient way to
703 encode arbitrary sized unsigned values, but is an extremely inefficient for
704 encoding signed values, as signed values are otherwise treated as maximally large
705 unsigned values.
706 </p>
707
708 <p>
709 As such, signed VBR values of a specific width are emitted as follows:
710 </p>
711
712 <ul>
713 <li>Positive values are emitted as VBRs of the specified width, but with their
714     value shifted left by one.</li>
715 <li>Negative values are emitted as VBRs of the specified width, but the negated
716     value is shifted left by one, and the low bit is set.</li>
717 </ul>
718
719 <p>
720 With this encoding, small positive and small negative values can both
721 be emitted efficiently. Signed VBR encoding is used in
722 <tt>CST_CODE_INTEGER</tt> and <tt>CST_CODE_WIDE_INTEGER</tt> records
723 within <tt>CONSTANTS_BLOCK</tt> blocks.
724 </p>
725
726 </div>
727
728
729 <!-- _______________________________________________________________________ -->
730 <div class="doc_subsubsection"><a name="ir_blocks">LLVM IR Blocks</a></div>
731
732 <div class="doc_text">
733
734 <p>
735 LLVM IR is defined with the following blocks:
736 </p>
737
738 <ul>
739 <li>8  &mdash; <a href="#MODULE_BLOCK"><tt>MODULE_BLOCK</tt></a> &mdash; This is the top-level block that
740     contains the entire module, and describes a variety of per-module
741     information.</li>
742 <li>9  &mdash; <a href="#PARAMATTR_BLOCK"><tt>PARAMATTR_BLOCK</tt></a> &mdash; This enumerates the parameter
743     attributes.</li>
744 <li>10 &mdash; <a href="#TYPE_BLOCK"><tt>TYPE_BLOCK</tt></a> &mdash; This describes all of the types in
745     the module.</li>
746 <li>11 &mdash; <a href="#CONSTANTS_BLOCK"><tt>CONSTANTS_BLOCK</tt></a> &mdash; This describes constants for a
747     module or function.</li>
748 <li>12 &mdash; <a href="#FUNCTION_BLOCK"><tt>FUNCTION_BLOCK</tt></a> &mdash; This describes a function
749     body.</li>
750 <li>13 &mdash; <a href="#TYPE_SYMTAB_BLOCK"><tt>TYPE_SYMTAB_BLOCK</tt></a> &mdash; This describes the type symbol
751     table.</li>
752 <li>14 &mdash; <a href="#VALUE_SYMTAB_BLOCK"><tt>VALUE_SYMTAB_BLOCK</tt></a> &mdash; This describes a value symbol
753     table.</li>
754 <li>15 &mdash; <a href="#METADATA_BLOCK"><tt>METADATA_BLOCK</tt></a> &mdash; This describes metadata items.</li>
755 <li>16 &mdash; <a href="#METADATA_ATTACHMENT"><tt>METADATA_ATTACHMENT</tt></a> &mdash; This contains records associating metadata with function instruction values.</li>
756 </ul>
757
758 </div>
759
760 <!-- ======================================================================= -->
761 <div class="doc_subsection"><a name="MODULE_BLOCK">MODULE_BLOCK Contents</a>
762 </div>
763
764 <div class="doc_text">
765
766 <p>The <tt>MODULE_BLOCK</tt> block (id 8) is the top-level block for LLVM
767 bitcode files, and each bitcode file must contain exactly one. In
768 addition to records (described below) containing information
769 about the module, a <tt>MODULE_BLOCK</tt> block may contain the
770 following sub-blocks:
771 </p>
772
773 <ul>
774 <li><a href="#BLOCKINFO"><tt>BLOCKINFO</tt></a></li>
775 <li><a href="#PARAMATTR_BLOCK"><tt>PARAMATTR_BLOCK</tt></a></li>
776 <li><a href="#TYPE_BLOCK"><tt>TYPE_BLOCK</tt></a></li>
777 <li><a href="#TYPE_SYMTAB_BLOCK"><tt>TYPE_SYMTAB_BLOCK</tt></a></li>
778 <li><a href="#VALUE_SYMTAB_BLOCK"><tt>VALUE_SYMTAB_BLOCK</tt></a></li>
779 <li><a href="#CONSTANTS_BLOCK"><tt>CONSTANTS_BLOCK</tt></a></li>
780 <li><a href="#FUNCTION_BLOCK"><tt>FUNCTION_BLOCK</tt></a></li>
781 <li><a href="#METADATA_BLOCK"><tt>METADATA_BLOCK</tt></a></li>
782 </ul>
783
784 </div>
785
786 <!-- _______________________________________________________________________ -->
787 <div class="doc_subsubsection"><a name="MODULE_CODE_VERSION">MODULE_CODE_VERSION Record</a>
788 </div>
789
790 <div class="doc_text">
791
792 <p><tt>[VERSION, version#]</tt></p>
793
794 <p>The <tt>VERSION</tt> record (code 1) contains a single value
795 indicating the format version. Only version 0 is supported at this
796 time.</p>
797 </div>
798
799 <!-- _______________________________________________________________________ -->
800 <div class="doc_subsubsection"><a name="MODULE_CODE_TRIPLE">MODULE_CODE_TRIPLE Record</a>
801 </div>
802
803 <div class="doc_text">
804 <p><tt>[TRIPLE, ...string...]</tt></p>
805
806 <p>The <tt>TRIPLE</tt> record (code 2) contains a variable number of
807 values representing the bytes of the <tt>target triple</tt>
808 specification string.</p>
809 </div>
810
811 <!-- _______________________________________________________________________ -->
812 <div class="doc_subsubsection"><a name="MODULE_CODE_DATALAYOUT">MODULE_CODE_DATALAYOUT Record</a>
813 </div>
814
815 <div class="doc_text">
816 <p><tt>[DATALAYOUT, ...string...]</tt></p>
817
818 <p>The <tt>DATALAYOUT</tt> record (code 3) contains a variable number of
819 values representing the bytes of the <tt>target datalayout</tt>
820 specification string.</p>
821 </div>
822
823 <!-- _______________________________________________________________________ -->
824 <div class="doc_subsubsection"><a name="MODULE_CODE_ASM">MODULE_CODE_ASM Record</a>
825 </div>
826
827 <div class="doc_text">
828 <p><tt>[ASM, ...string...]</tt></p>
829
830 <p>The <tt>ASM</tt> record (code 4) contains a variable number of
831 values representing the bytes of <tt>module asm</tt> strings, with
832 individual assembly blocks separated by newline (ASCII 10) characters.</p>
833 </div>
834
835 <!-- _______________________________________________________________________ -->
836 <div class="doc_subsubsection"><a name="MODULE_CODE_SECTIONNAME">MODULE_CODE_SECTIONNAME Record</a>
837 </div>
838
839 <div class="doc_text">
840 <p><tt>[SECTIONNAME, ...string...]</tt></p>
841
842 <p>The <tt>SECTIONNAME</tt> record (code 5) contains a variable number
843 of values representing the bytes of a single section name
844 string. There should be one <tt>SECTIONNAME</tt> record for each
845 section name referenced (e.g., in global variable or function
846 <tt>section</tt> attributes) within the module. These records can be
847 referenced by the 1-based index in the <i>section</i> fields of
848 <tt>GLOBALVAR</tt> or <tt>FUNCTION</tt> records.</p>
849 </div>
850
851 <!-- _______________________________________________________________________ -->
852 <div class="doc_subsubsection"><a name="MODULE_CODE_DEPLIB">MODULE_CODE_DEPLIB Record</a>
853 </div>
854
855 <div class="doc_text">
856 <p><tt>[DEPLIB, ...string...]</tt></p>
857
858 <p>The <tt>DEPLIB</tt> record (code 6) contains a variable number of
859 values representing the bytes of a single dependent library name
860 string, one of the libraries mentioned in a <tt>deplibs</tt>
861 declaration.  There should be one <tt>DEPLIB</tt> record for each
862 library name referenced.</p>
863 </div>
864
865 <!-- _______________________________________________________________________ -->
866 <div class="doc_subsubsection"><a name="MODULE_CODE_GLOBALVAR">MODULE_CODE_GLOBALVAR Record</a>
867 </div>
868
869 <div class="doc_text">
870 <p><tt>[GLOBALVAR, pointer type, isconst, initid, linkage, alignment, section, visibility, threadlocal]</tt></p>
871
872 <p>The <tt>GLOBALVAR</tt> record (code 7) marks the declaration or
873 definition of a global variable. The operand fields are:</p>
874
875 <ul>
876 <li><i>pointer type</i>: The type index of the pointer type used to point to
877 this global variable</li>
878
879 <li><i>isconst</i>: Non-zero if the variable is treated as constant within
880 the module, or zero if it is not</li>
881
882 <li><i>initid</i>: If non-zero, the value index of the initializer for this
883 variable, plus 1.</li>
884
885 <li><a name="linkage"><i>linkage</i></a>: An encoding of the linkage
886 type for this variable:
887   <ul>
888     <li><tt>external</tt>: code 0</li>
889     <li><tt>weak</tt>: code 1</li>
890     <li><tt>appending</tt>: code 2</li>
891     <li><tt>internal</tt>: code 3</li>
892     <li><tt>linkonce</tt>: code 4</li>
893     <li><tt>dllimport</tt>: code 5</li>
894     <li><tt>dllexport</tt>: code 6</li>
895     <li><tt>extern_weak</tt>: code 7</li>
896     <li><tt>common</tt>: code 8</li>
897     <li><tt>private</tt>: code 9</li>
898     <li><tt>weak_odr</tt>: code 10</li>
899     <li><tt>linkonce_odr</tt>: code 11</li>
900     <li><tt>available_externally</tt>: code 12</li>
901     <li><tt>linker_private</tt>: code 13</li>
902   </ul>
903 </li>
904
905 <li><i>alignment</i>: The logarithm base 2 of the variable's requested
906 alignment, plus 1</li>
907
908 <li><i>section</i>: If non-zero, the 1-based section index in the
909 table of <a href="#MODULE_CODE_SECTIONNAME">MODULE_CODE_SECTIONNAME</a>
910 entries.</li>
911
912 <li><a name="visibility"><i>visibility</i></a>: If present, an
913 encoding of the visibility of this variable:
914   <ul>
915     <li><tt>default</tt>: code 0</li>
916     <li><tt>hidden</tt>: code 1</li>
917     <li><tt>protected</tt>: code 2</li>
918   </ul>
919 </li>
920
921 <li><i>threadlocal</i>: If present and non-zero, indicates that the variable
922 is <tt>thread_local</tt></li>
923
924 </ul>
925 </div>
926
927 <!-- _______________________________________________________________________ -->
928 <div class="doc_subsubsection"><a name="MODULE_CODE_FUNCTION">MODULE_CODE_FUNCTION Record</a>
929 </div>
930
931 <div class="doc_text">
932
933 <p><tt>[FUNCTION, type, callingconv, isproto, linkage, paramattr, alignment, section, visibility, gc]</tt></p>
934
935 <p>The <tt>FUNCTION</tt> record (code 8) marks the declaration or
936 definition of a function. The operand fields are:</p>
937
938 <ul>
939 <li><i>type</i>: The type index of the function type describing this function</li>
940
941 <li><i>callingconv</i>: The calling convention number:
942   <ul>
943     <li><tt>ccc</tt>: code 0</li>
944     <li><tt>fastcc</tt>: code 8</li>
945     <li><tt>coldcc</tt>: code 9</li>
946     <li><tt>x86_stdcallcc</tt>: code 64</li>
947     <li><tt>x86_fastcallcc</tt>: code 65</li>
948     <li><tt>arm_apcscc</tt>: code 66</li>
949     <li><tt>arm_aapcscc</tt>: code 67</li>
950     <li><tt>arm_aapcs_vfpcc</tt>: code 68</li>
951   </ul>
952 </li>
953
954 <li><i>isproto</i>: Non-zero if this entry represents a declaration
955 rather than a definition</li>
956
957 <li><i>linkage</i>: An encoding of the <a href="#linkage">linkage type</a>
958 for this function</li>
959
960 <li><i>paramattr</i>: If nonzero, the 1-based parameter attribute index
961 into the table of <a href="#PARAMATTR_CODE_ENTRY">PARAMATTR_CODE_ENTRY</a>
962 entries.</li>
963
964 <li><i>alignment</i>: The logarithm base 2 of the function's requested
965 alignment, plus 1</li>
966
967 <li><i>section</i>: If non-zero, the 1-based section index in the
968 table of <a href="#MODULE_CODE_SECTIONNAME">MODULE_CODE_SECTIONNAME</a>
969 entries.</li>
970
971 <li><i>visibility</i>: An encoding of the <a href="#visibility">visibility</a>
972     of this function</li>
973
974 <li><i>gc</i>: If present and nonzero, the 1-based garbage collector
975 index in the table of
976 <a href="#MODULE_CODE_GCNAME">MODULE_CODE_GCNAME</a> entries.</li>
977 </ul>
978 </div>
979
980 <!-- _______________________________________________________________________ -->
981 <div class="doc_subsubsection"><a name="MODULE_CODE_ALIAS">MODULE_CODE_ALIAS Record</a>
982 </div>
983
984 <div class="doc_text">
985
986 <p><tt>[ALIAS, alias type, aliasee val#, linkage, visibility]</tt></p>
987
988 <p>The <tt>ALIAS</tt> record (code 9) marks the definition of an
989 alias. The operand fields are</p>
990
991 <ul>
992 <li><i>alias type</i>: The type index of the alias</li>
993
994 <li><i>aliasee val#</i>: The value index of the aliased value</li>
995
996 <li><i>linkage</i>: An encoding of the <a href="#linkage">linkage type</a>
997 for this alias</li>
998
999 <li><i>visibility</i>: If present, an encoding of the
1000 <a href="#visibility">visibility</a> of the alias</li>
1001
1002 </ul>
1003 </div>
1004
1005 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1006 <div class="doc_subsubsection"><a name="MODULE_CODE_PURGEVALS">MODULE_CODE_PURGEVALS Record</a>
1007 </div>
1008
1009 <div class="doc_text">
1010 <p><tt>[PURGEVALS, numvals]</tt></p>
1011
1012 <p>The <tt>PURGEVALS</tt> record (code 10) resets the module-level
1013 value list to the size given by the single operand value. Module-level
1014 value list items are added by <tt>GLOBALVAR</tt>, <tt>FUNCTION</tt>,
1015 and <tt>ALIAS</tt> records.  After a <tt>PURGEVALS</tt> record is seen,
1016 new value indices will start from the given <i>numvals</i> value.</p>
1017 </div>
1018
1019 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1020 <div class="doc_subsubsection"><a name="MODULE_CODE_GCNAME">MODULE_CODE_GCNAME Record</a>
1021 </div>
1022
1023 <div class="doc_text">
1024 <p><tt>[GCNAME, ...string...]</tt></p>
1025
1026 <p>The <tt>GCNAME</tt> record (code 11) contains a variable number of
1027 values representing the bytes of a single garbage collector name
1028 string. There should be one <tt>GCNAME</tt> record for each garbage
1029 collector name referenced in function <tt>gc</tt> attributes within
1030 the module. These records can be referenced by 1-based index in the <i>gc</i>
1031 fields of <tt>FUNCTION</tt> records.</p>
1032 </div>
1033
1034 <!-- ======================================================================= -->
1035 <div class="doc_subsection"><a name="PARAMATTR_BLOCK">PARAMATTR_BLOCK Contents</a>
1036 </div>
1037
1038 <div class="doc_text">
1039
1040 <p>The <tt>PARAMATTR_BLOCK</tt> block (id 9) ...
1041 </p>
1042
1043 </div>
1044
1045
1046 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1047 <div class="doc_subsubsection"><a name="PARAMATTR_CODE_ENTRY">PARAMATTR_CODE_ENTRY Record</a>
1048 </div>
1049
1050 <div class="doc_text">
1051
1052 <p><tt>[ENTRY, paramidx0, attr0, paramidx1, attr1...]</tt></p>
1053
1054 <p>The <tt>ENTRY</tt> record (code 1) ...
1055 </p>
1056 </div>
1057
1058 <!-- ======================================================================= -->
1059 <div class="doc_subsection"><a name="TYPE_BLOCK">TYPE_BLOCK Contents</a>
1060 </div>
1061
1062 <div class="doc_text">
1063
1064 <p>The <tt>TYPE_BLOCK</tt> block (id 10) ...
1065 </p>
1066
1067 </div>
1068
1069
1070 <!-- ======================================================================= -->
1071 <div class="doc_subsection"><a name="CONSTANTS_BLOCK">CONSTANTS_BLOCK Contents</a>
1072 </div>
1073
1074 <div class="doc_text">
1075
1076 <p>The <tt>CONSTANTS_BLOCK</tt> block (id 11) ...
1077 </p>
1078
1079 </div>
1080
1081
1082 <!-- ======================================================================= -->
1083 <div class="doc_subsection"><a name="FUNCTION_BLOCK">FUNCTION_BLOCK Contents</a>
1084 </div>
1085
1086 <div class="doc_text">
1087
1088 <p>The <tt>FUNCTION_BLOCK</tt> block (id 12) ...
1089 </p>
1090
1091 <p>In addition to the record types described below, a
1092 <tt>FUNCTION_BLOCK</tt> block may contain the following sub-blocks:
1093 </p>
1094
1095 <ul>
1096 <li><a href="#CONSTANTS_BLOCK"><tt>CONSTANTS_BLOCK</tt></a></li>
1097 <li><a href="#VALUE_SYMTAB_BLOCK"><tt>VALUE_SYMTAB_BLOCK</tt></a></li>
1098 <li><a href="#METADATA_ATTACHMENT"><tt>METADATA_ATTACHMENT</tt></a></li>
1099 </ul>
1100
1101 </div>
1102
1103
1104 <!-- ======================================================================= -->
1105 <div class="doc_subsection"><a name="TYPE_SYMTAB_BLOCK">TYPE_SYMTAB_BLOCK Contents</a>
1106 </div>
1107
1108 <div class="doc_text">
1109
1110 <p>The <tt>TYPE_SYMTAB_BLOCK</tt> block (id 13) ...
1111 </p>
1112
1113 </div>
1114
1115
1116 <!-- ======================================================================= -->
1117 <div class="doc_subsection"><a name="VALUE_SYMTAB_BLOCK">VALUE_SYMTAB_BLOCK Contents</a>
1118 </div>
1119
1120 <div class="doc_text">
1121
1122 <p>The <tt>VALUE_SYMTAB_BLOCK</tt> block (id 14) ... 
1123 </p>
1124
1125 </div>
1126
1127
1128 <!-- ======================================================================= -->
1129 <div class="doc_subsection"><a name="METADATA_BLOCK">METADATA_BLOCK Contents</a>
1130 </div>
1131
1132 <div class="doc_text">
1133
1134 <p>The <tt>METADATA_BLOCK</tt> block (id 15) ...
1135 </p>
1136
1137 </div>
1138
1139
1140 <!-- ======================================================================= -->
1141 <div class="doc_subsection"><a name="METADATA_ATTACHMENT">METADATA_ATTACHMENT Contents</a>
1142 </div>
1143
1144 <div class="doc_text">
1145
1146 <p>The <tt>METADATA_ATTACHMENT</tt> block (id 16) ...
1147 </p>
1148
1149 </div>
1150
1151
1152 <!-- *********************************************************************** -->
1153 <hr>
1154 <address> <a href="http://jigsaw.w3.org/css-validator/check/referer"><img
1155  src="http://jigsaw.w3.org/css-validator/images/vcss-blue" alt="Valid CSS"></a>
1156 <a href="http://validator.w3.org/check/referer"><img
1157  src="http://www.w3.org/Icons/valid-html401-blue" alt="Valid HTML 4.01"></a>
1158  <a href="mailto:sabre@nondot.org">Chris Lattner</a><br>
1159 <a href="http://llvm.org">The LLVM Compiler Infrastructure</a><br>
1160 Last modified: $Date$
1161 </address>
1162 </body>
1163 </html>