docs/CodeGenerator.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>The LLVM Target-Independent Code Generator</title>
   7   <link rel="stylesheet" href="llvm.css" type="text/css">
   8 </head>
   9 <body>
  10
  11 <div class="doc_title">
  12   The LLVM Target-Independent Code Generator
  13 </div>
  14
  15 <ol>
  16   <li><a href="#introduction">Introduction</a>
  17     <ul>
  18       <li><a href="#required">Required components in the code generator</a></li>
  19       <li><a href="#high-level-design">The high-level design of the code
  20           generator</a></li>
  21       <li><a href="#tablegen">Using TableGen for target description</a></li>
  22     </ul>
  23   </li>
  24   <li><a href="#targetdesc">Target description classes</a>
  25     <ul>
  26       <li><a href="#targetmachine">The <tt>TargetMachine</tt> class</a></li>
  27       <li><a href="#targetdata">The <tt>TargetData</tt> class</a></li>
  28       <li><a href="#targetlowering">The <tt>TargetLowering</tt> class</a></li>
  29       <li><a href="#mregisterinfo">The <tt>MRegisterInfo</tt> class</a></li>
  30       <li><a href="#targetinstrinfo">The <tt>TargetInstrInfo</tt> class</a></li>
  31       <li><a href="#targetframeinfo">The <tt>TargetFrameInfo</tt> class</a></li>
  32       <li><a href="#targetsubtarget">The <tt>TargetSubtarget</tt> class</a></li>
  33       <li><a href="#targetjitinfo">The <tt>TargetJITInfo</tt> class</a></li>
  34     </ul>
  35   </li>
  36   <li><a href="#codegendesc">Machine code description classes</a>
  37     <ul>
  38     <li><a href="#machineinstr">The <tt>MachineInstr</tt> class</a></li>
  39     <li><a href="#machinebasicblock">The <tt>MachineBasicBlock</tt>
  40                                      class</a></li>
  41     <li><a href="#machinefunction">The <tt>MachineFunction</tt> class</a></li>
  42     </ul>
  43   </li>
  44   <li><a href="#codegenalgs">Target-independent code generation algorithms</a>
  45     <ul>
  46     <li><a href="#instselect">Instruction Selection</a>
  47       <ul>
  48       <li><a href="#selectiondag_intro">Introduction to SelectionDAGs</a></li>
  49       <li><a href="#selectiondag_process">SelectionDAG Code Generation
  50                                           Process</a></li>
  51       <li><a href="#selectiondag_build">Initial SelectionDAG
  52                                         Construction</a></li>
  53       <li><a href="#selectiondag_legalize">SelectionDAG Legalize Phase</a></li>
  54       <li><a href="#selectiondag_optimize">SelectionDAG Optimization
  55                                            Phase: the DAG Combiner</a></li>
  56       <li><a href="#selectiondag_select">SelectionDAG Select Phase</a></li>
  57       <li><a href="#selectiondag_sched">SelectionDAG Scheduling and Formation
  58                                         Phase</a></li>
  59       <li><a href="#selectiondag_future">Future directions for the
  60                                          SelectionDAG</a></li>
  61       </ul></li>
  62      <li><a href="#liveintervals">Live Intervals</a>
  63        <ul>
  64        <li><a href="#livevariable_analysis">Live Variable Analysis</a></li>
  65        <li><a href="#liveintervals_analysis">Live Intervals Analysis</a></li>
  66        </ul></li>
  67     <li><a href="#regalloc">Register Allocation</a>
  68       <ul>
  69       <li><a href="#regAlloc_represent">How registers are represented in
  70                                         LLVM</a></li>
  71       <li><a href="#regAlloc_howTo">Mapping virtual registers to physical
  72                                     registers</a></li>
  73       <li><a href="#regAlloc_twoAddr">Handling two address instructions</a></li>
  74       <li><a href="#regAlloc_ssaDecon">The SSA deconstruction phase</a></li>
  75       <li><a href="#regAlloc_fold">Instruction folding</a></li>
  76       <li><a href="#regAlloc_builtIn">Built in register allocators</a></li>
  77       </ul></li>
  78     <li><a href="#codeemit">Code Emission</a>
  79         <ul>
  80         <li><a href="#codeemit_asm">Generating Assembly Code</a></li>
  81         <li><a href="#codeemit_bin">Generating Binary Machine Code</a></li>
  82         </ul></li>
  83     </ul>
  84   </li>
  85   <li><a href="#targetimpls">Target-specific Implementation Notes</a>
  86     <ul>
  87     <li><a href="#x86">The X86 backend</a></li>
  88     <li><a href="#ppc">The PowerPC backend</a>
  89       <ul>
  90       <li><a href="#ppc_abi">LLVM PowerPC ABI</a></li>
  91       <li><a href="#ppc_frame">Frame Layout</a></li>
  92       <li><a href="#ppc_prolog">Prolog/Epilog</a></li>
  93       <li><a href="#ppc_dynamic">Dynamic Allocation</a></li>
  94       </ul></li>
  95     </ul></li>
  96
  97 </ol>
  98
  99 <div class="doc_author">
 100   <p>Written by <a href="mailto:sabre@nondot.org">Chris Lattner</a>,
 101                 <a href="mailto:isanbard@gmail.com">Bill Wendling</a>,
 102                 <a href="mailto:pronesto@gmail.com">Fernando Magno Quintao
 103                                                     Pereira</a> and
 104                 <a href="mailto:jlaskey@mac.com">Jim Laskey</a></p>
 105 </div>
 106
 107 <div class="doc_warning">
 108   <p>Warning: This is a work in progress.</p>
 109 </div>
 110
 111 <!-- *********************************************************************** -->
 112 <div class="doc_section">
 113   <a name="introduction">Introduction</a>
 114 </div>
 115 <!-- *********************************************************************** -->
 116
 117 <div class="doc_text">
 118
 119 <p>The LLVM target-independent code generator is a framework that provides a
 120 suite of reusable components for translating the LLVM internal representation to
 121 the machine code for a specified target&mdash;either in assembly form (suitable
 122 for a static compiler) or in binary machine code format (usable for a JIT
 123 compiler). The LLVM target-independent code generator consists of five main
 124 components:</p>
 125
 126 <ol>
 127 <li><a href="#targetdesc">Abstract target description</a> interfaces which
 128 capture important properties about various aspects of the machine, independently
 129 of how they will be used.  These interfaces are defined in
 130 <tt>include/llvm/Target/</tt>.</li>
 131
 132 <li>Classes used to represent the <a href="#codegendesc">machine code</a> being
 133 generated for a target.  These classes are intended to be abstract enough to
 134 represent the machine code for <i>any</i> target machine.  These classes are
 135 defined in <tt>include/llvm/CodeGen/</tt>.</li>
 136
 137 <li><a href="#codegenalgs">Target-independent algorithms</a> used to implement
 138 various phases of native code generation (register allocation, scheduling, stack
 139 frame representation, etc).  This code lives in <tt>lib/CodeGen/</tt>.</li>
 140
 141 <li><a href="#targetimpls">Implementations of the abstract target description
 142 interfaces</a> for particular targets.  These machine descriptions make use of
 143 the components provided by LLVM, and can optionally provide custom
 144 target-specific passes, to build complete code generators for a specific target.
 145 Target descriptions live in <tt>lib/Target/</tt>.</li>
 146
 147 <li><a href="#jit">The target-independent JIT components</a>.  The LLVM JIT is
 148 completely target independent (it uses the <tt>TargetJITInfo</tt> structure to
 149 interface for target-specific issues.  The code for the target-independent
 150 JIT lives in <tt>lib/ExecutionEngine/JIT</tt>.</li>
 151
 152 </ol>
 153
 154 <p>
 155 Depending on which part of the code generator you are interested in working on,
 156 different pieces of this will be useful to you.  In any case, you should be
 157 familiar with the <a href="#targetdesc">target description</a> and <a
 158 href="#codegendesc">machine code representation</a> classes.  If you want to add
 159 a backend for a new target, you will need to <a href="#targetimpls">implement the
 160 target description</a> classes for your new target and understand the <a
 161 href="LangRef.html">LLVM code representation</a>.  If you are interested in
 162 implementing a new <a href="#codegenalgs">code generation algorithm</a>, it
 163 should only depend on the target-description and machine code representation
 164 classes, ensuring that it is portable.
 165 </p>
 166
 167 </div>
 168
 169 <!-- ======================================================================= -->
 170 <div class="doc_subsection">
 171  <a name="required">Required components in the code generator</a>
 172 </div>
 173
 174 <div class="doc_text">
 175
 176 <p>The two pieces of the LLVM code generator are the high-level interface to the
 177 code generator and the set of reusable components that can be used to build
 178 target-specific backends.  The two most important interfaces (<a
 179 href="#targetmachine"><tt>TargetMachine</tt></a> and <a
 180 href="#targetdata"><tt>TargetData</tt></a>) are the only ones that are
 181 required to be defined for a backend to fit into the LLVM system, but the others
 182 must be defined if the reusable code generator components are going to be
 183 used.</p>
 184
 185 <p>This design has two important implications.  The first is that LLVM can
 186 support completely non-traditional code generation targets.  For example, the C
 187 backend does not require register allocation, instruction selection, or any of
 188 the other standard components provided by the system.  As such, it only
 189 implements these two interfaces, and does its own thing.  Another example of a
 190 code generator like this is a (purely hypothetical) backend that converts LLVM
 191 to the GCC RTL form and uses GCC to emit machine code for a target.</p>
 192
 193 <p>This design also implies that it is possible to design and
 194 implement radically different code generators in the LLVM system that do not
 195 make use of any of the built-in components.  Doing so is not recommended at all,
 196 but could be required for radically different targets that do not fit into the
 197 LLVM machine description model: FPGAs for example.</p>
 198
 199 </div>
 200
 201 <!-- ======================================================================= -->
 202 <div class="doc_subsection">
 203  <a name="high-level-design">The high-level design of the code generator</a>
 204 </div>
 205
 206 <div class="doc_text">
 207
 208 <p>The LLVM target-independent code generator is designed to support efficient and
 209 quality code generation for standard register-based microprocessors.  Code
 210 generation in this model is divided into the following stages:</p>
 211
 212 <ol>
 213 <li><b><a href="#instselect">Instruction Selection</a></b> - This phase
 214 determines an efficient way to express the input LLVM code in the target
 215 instruction set.
 216 This stage produces the initial code for the program in the target instruction
 217 set, then makes use of virtual registers in SSA form and physical registers that
 218 represent any required register assignments due to target constraints or calling
 219 conventions.  This step turns the LLVM code into a DAG of target
 220 instructions.</li>
 221
 222 <li><b><a href="#selectiondag_sched">Scheduling and Formation</a></b> - This
 223 phase takes the DAG of target instructions produced by the instruction selection
 224 phase, determines an ordering of the instructions, then emits the instructions
 225 as <tt><a href="#machineinstr">MachineInstr</a></tt>s with that ordering.  Note
 226 that we describe this in the <a href="#instselect">instruction selection
 227 section</a> because it operates on a <a
 228 href="#selectiondag_intro">SelectionDAG</a>.
 229 </li>
 230
 231 <li><b><a href="#ssamco">SSA-based Machine Code Optimizations</a></b> - This
 232 optional stage consists of a series of machine-code optimizations that
 233 operate on the SSA-form produced by the instruction selector.  Optimizations
 234 like modulo-scheduling or peephole optimization work here.
 235 </li>
 236
 237 <li><b><a href="#regalloc">Register Allocation</a></b> - The
 238 target code is transformed from an infinite virtual register file in SSA form
 239 to the concrete register file used by the target.  This phase introduces spill
 240 code and eliminates all virtual register references from the program.</li>
 241
 242 <li><b><a href="#proepicode">Prolog/Epilog Code Insertion</a></b> - Once the
 243 machine code has been generated for the function and the amount of stack space
 244 required is known (used for LLVM alloca's and spill slots), the prolog and
 245 epilog code for the function can be inserted and "abstract stack location
 246 references" can be eliminated.  This stage is responsible for implementing
 247 optimizations like frame-pointer elimination and stack packing.</li>
 248
 249 <li><b><a href="#latemco">Late Machine Code Optimizations</a></b> - Optimizations
 250 that operate on "final" machine code can go here, such as spill code scheduling
 251 and peephole optimizations.</li>
 252
 253 <li><b><a href="#codeemit">Code Emission</a></b> - The final stage actually
 254 puts out the code for the current function, either in the target assembler
 255 format or in machine code.</li>
 256
 257 </ol>
 258
 259 <p>The code generator is based on the assumption that the instruction selector
 260 will use an optimal pattern matching selector to create high-quality sequences of
 261 native instructions.  Alternative code generator designs based on pattern
 262 expansion and aggressive iterative peephole optimization are much slower.  This
 263 design permits efficient compilation (important for JIT environments) and
 264 aggressive optimization (used when generating code offline) by allowing
 265 components of varying levels of sophistication to be used for any step of
 266 compilation.</p>
 267
 268 <p>In addition to these stages, target implementations can insert arbitrary
 269 target-specific passes into the flow.  For example, the X86 target uses a
 270 special pass to handle the 80x87 floating point stack architecture.  Other
 271 targets with unusual requirements can be supported with custom passes as
 272 needed.</p>
 273
 274 </div>
 275
 276
 277 <!-- ======================================================================= -->
 278 <div class="doc_subsection">
 279  <a name="tablegen">Using TableGen for target description</a>
 280 </div>
 281
 282 <div class="doc_text">
 283
 284 <p>The target description classes require a detailed description of the target
 285 architecture.  These target descriptions often have a large amount of common
 286 information (e.g., an <tt>add</tt> instruction is almost identical to a
 287 <tt>sub</tt> instruction).
 288 In order to allow the maximum amount of commonality to be factored out, the LLVM
 289 code generator uses the <a href="TableGenFundamentals.html">TableGen</a> tool to
 290 describe big chunks of the target machine, which allows the use of
 291 domain-specific and target-specific abstractions to reduce the amount of
 292 repetition.</p>
 293
 294 <p>As LLVM continues to be developed and refined, we plan to move more and more
 295 of the target description to the <tt>.td</tt> form.  Doing so gives us a
 296 number of advantages.  The most important is that it makes it easier to port
 297 LLVM because it reduces the amount of C++ code that has to be written, and the
 298 surface area of the code generator that needs to be understood before someone
 299 can get something working.  Second, it makes it easier to change things. In
 300 particular, if tables and other things are all emitted by <tt>tblgen</tt>, we
 301 only need a change in one place (<tt>tblgen</tt>) to update all of the targets
 302 to a new interface.</p>
 303
 304 </div>
 305
 306 <!-- *********************************************************************** -->
 307 <div class="doc_section">
 308   <a name="targetdesc">Target description classes</a>
 309 </div>
 310 <!-- *********************************************************************** -->
 311
 312 <div class="doc_text">
 313
 314 <p>The LLVM target description classes (located in the
 315 <tt>include/llvm/Target</tt> directory) provide an abstract description of the
 316 target machine independent of any particular client.  These classes are
 317 designed to capture the <i>abstract</i> properties of the target (such as the
 318 instructions and registers it has), and do not incorporate any particular pieces
 319 of code generation algorithms.</p>
 320
 321 <p>All of the target description classes (except the <tt><a
 322 href="#targetdata">TargetData</a></tt> class) are designed to be subclassed by
 323 the concrete target implementation, and have virtual methods implemented.  To
 324 get to these implementations, the <tt><a
 325 href="#targetmachine">TargetMachine</a></tt> class provides accessors that
 326 should be implemented by the target.</p>
 327
 328 </div>
 329
 330 <!-- ======================================================================= -->
 331 <div class="doc_subsection">
 332   <a name="targetmachine">The <tt>TargetMachine</tt> class</a>
 333 </div>
 334
 335 <div class="doc_text">
 336
 337 <p>The <tt>TargetMachine</tt> class provides virtual methods that are used to
 338 access the target-specific implementations of the various target description
 339 classes via the <tt>get*Info</tt> methods (<tt>getInstrInfo</tt>,
 340 <tt>getRegisterInfo</tt>, <tt>getFrameInfo</tt>, etc.).  This class is
 341 designed to be specialized by
 342 a concrete target implementation (e.g., <tt>X86TargetMachine</tt>) which
 343 implements the various virtual methods.  The only required target description
 344 class is the <a href="#targetdata"><tt>TargetData</tt></a> class, but if the
 345 code generator components are to be used, the other interfaces should be
 346 implemented as well.</p>
 347
 348 </div>
 349
 350
 351 <!-- ======================================================================= -->
 352 <div class="doc_subsection">
 353   <a name="targetdata">The <tt>TargetData</tt> class</a>
 354 </div>
 355
 356 <div class="doc_text">
 357
 358 <p>The <tt>TargetData</tt> class is the only required target description class,
 359 and it is the only class that is not extensible (you cannot derived  a new
 360 class from it).  <tt>TargetData</tt> specifies information about how the target
 361 lays out memory for structures, the alignment requirements for various data
 362 types, the size of pointers in the target, and whether the target is
 363 little-endian or big-endian.</p>
 364
 365 </div>
 366
 367 <!-- ======================================================================= -->
 368 <div class="doc_subsection">
 369   <a name="targetlowering">The <tt>TargetLowering</tt> class</a>
 370 </div>
 371
 372 <div class="doc_text">
 373
 374 <p>The <tt>TargetLowering</tt> class is used by SelectionDAG based instruction
 375 selectors primarily to describe how LLVM code should be lowered to SelectionDAG
 376 operations.  Among other things, this class indicates:</p>
 377
 378 <ul>
 379   <li>an initial register class to use for various <tt>ValueType</tt>s</li>
 380   <li>which operations are natively supported by the target machine</li>
 381   <li>the return type of <tt>setcc</tt> operations</li>
 382   <li>the type to use for shift amounts</li>
 383   <li>various high-level characteristics, like whether it is profitable to turn
 384       division by a constant into a multiplication sequence</li>
 385 </ul>
 386
 387 </div>
 388
 389 <!-- ======================================================================= -->
 390 <div class="doc_subsection">
 391   <a name="mregisterinfo">The <tt>MRegisterInfo</tt> class</a>
 392 </div>
 393
 394 <div class="doc_text">
 395
 396 <p>The <tt>MRegisterInfo</tt> class (which will eventually be renamed to
 397 <tt>TargetRegisterInfo</tt>) is used to describe the register file of the
 398 target and any interactions between the registers.</p>
 399
 400 <p>Registers in the code generator are represented in the code generator by
 401 unsigned integers.  Physical registers (those that actually exist in the target
 402 description) are unique small numbers, and virtual registers are generally
 403 large.  Note that register #0 is reserved as a flag value.</p>
 404
 405 <p>Each register in the processor description has an associated
 406 <tt>TargetRegisterDesc</tt> entry, which provides a textual name for the
 407 register (used for assembly output and debugging dumps) and a set of aliases
 408 (used to indicate whether one register overlaps with another).
 409 </p>
 410
 411 <p>In addition to the per-register description, the <tt>MRegisterInfo</tt> class
 412 exposes a set of processor specific register classes (instances of the
 413 <tt>TargetRegisterClass</tt> class).  Each register class contains sets of
 414 registers that have the same properties (for example, they are all 32-bit
 415 integer registers).  Each SSA virtual register created by the instruction
 416 selector has an associated register class.  When the register allocator runs, it
 417 replaces virtual registers with a physical register in the set.</p>
 418
 419 <p>
 420 The target-specific implementations of these classes is auto-generated from a <a
 421 href="TableGenFundamentals.html">TableGen</a> description of the register file.
 422 </p>
 423
 424 </div>
 425
 426 <!-- ======================================================================= -->
 427 <div class="doc_subsection">
 428   <a name="targetinstrinfo">The <tt>TargetInstrInfo</tt> class</a>
 429 </div>
 430
 431 <div class="doc_text">
 432   <p>The <tt>TargetInstrInfo</tt> class is used to describe the machine
 433   instructions supported by the target. It is essentially an array of
 434   <tt>TargetInstrDescriptor</tt> objects, each of which describes one
 435   instruction the target supports. Descriptors define things like the mnemonic
 436   for the opcode, the number of operands, the list of implicit register uses
 437   and defs, whether the instruction has certain target-independent properties
 438   (accesses memory, is commutable, etc), and holds any target-specific
 439   flags.</p>
 440 </div>
 441
 442 <!-- ======================================================================= -->
 443 <div class="doc_subsection">
 444   <a name="targetframeinfo">The <tt>TargetFrameInfo</tt> class</a>
 445 </div>
 446
 447 <div class="doc_text">
 448   <p>The <tt>TargetFrameInfo</tt> class is used to provide information about the
 449   stack frame layout of the target. It holds the direction of stack growth,
 450   the known stack alignment on entry to each function, and the offset to the
 451   local area.  The offset to the local area is the offset from the stack
 452   pointer on function entry to the first location where function data (local
 453   variables, spill locations) can be stored.</p>
 454 </div>
 455
 456 <!-- ======================================================================= -->
 457 <div class="doc_subsection">
 458   <a name="targetsubtarget">The <tt>TargetSubtarget</tt> class</a>
 459 </div>
 460
 461 <div class="doc_text">
 462   <p>The <tt>TargetSubtarget</tt> class is used to provide information about the
 463   specific chip set being targeted.  A sub-target informs code generation of
 464   which instructions are supported, instruction latencies and instruction
 465   execution itinerary; i.e., which processing units are used, in what order, and
 466   for how long.</p>
 467 </div>
 468
 469
 470 <!-- ======================================================================= -->
 471 <div class="doc_subsection">
 472   <a name="targetjitinfo">The <tt>TargetJITInfo</tt> class</a>
 473 </div>
 474
 475 <div class="doc_text">
 476   <p>The <tt>TargetJITInfo</tt> class exposes an abstract interface used by the
 477   Just-In-Time code generator to perform target-specific activities, such as
 478   emitting stubs.  If a <tt>TargetMachine</tt> supports JIT code generation, it
 479   should provide one of these objects through the <tt>getJITInfo</tt>
 480   method.</p>
 481 </div>
 482
 483 <!-- *********************************************************************** -->
 484 <div class="doc_section">
 485   <a name="codegendesc">Machine code description classes</a>
 486 </div>
 487 <!-- *********************************************************************** -->
 488
 489 <div class="doc_text">
 490
 491 <p>At the high-level, LLVM code is translated to a machine specific
 492 representation formed out of
 493 <a href="#machinefunction"><tt>MachineFunction</tt></a>,
 494 <a href="#machinebasicblock"><tt>MachineBasicBlock</tt></a>, and <a
 495 href="#machineinstr"><tt>MachineInstr</tt></a> instances
 496 (defined in <tt>include/llvm/CodeGen</tt>).  This representation is completely
 497 target agnostic, representing instructions in their most abstract form: an
 498 opcode and a series of operands.  This representation is designed to support
 499 both an SSA representation for machine code, as well as a register allocated,
 500 non-SSA form.</p>
 501
 502 </div>
 503
 504 <!-- ======================================================================= -->
 505 <div class="doc_subsection">
 506   <a name="machineinstr">The <tt>MachineInstr</tt> class</a>
 507 </div>
 508
 509 <div class="doc_text">
 510
 511 <p>Target machine instructions are represented as instances of the
 512 <tt>MachineInstr</tt> class.  This class is an extremely abstract way of
 513 representing machine instructions.  In particular, it only keeps track of
 514 an opcode number and a set of operands.</p>
 515
 516 <p>The opcode number is a simple unsigned integer that only has meaning to a
 517 specific backend.  All of the instructions for a target should be defined in
 518 the <tt>*InstrInfo.td</tt> file for the target. The opcode enum values
 519 are auto-generated from this description.  The <tt>MachineInstr</tt> class does
 520 not have any information about how to interpret the instruction (i.e., what the
 521 semantics of the instruction are); for that you must refer to the
 522 <tt><a href="#targetinstrinfo">TargetInstrInfo</a></tt> class.</p>
 523
 524 <p>The operands of a machine instruction can be of several different types:
 525 a register reference, a constant integer, a basic block reference, etc.  In
 526 addition, a machine operand should be marked as a def or a use of the value
 527 (though only registers are allowed to be defs).</p>
 528
 529 <p>By convention, the LLVM code generator orders instruction operands so that
 530 all register definitions come before the register uses, even on architectures
 531 that are normally printed in other orders.  For example, the SPARC add
 532 instruction: "<tt>add %i1, %i2, %i3</tt>" adds the "%i1", and "%i2" registers
 533 and stores the result into the "%i3" register.  In the LLVM code generator,
 534 the operands should be stored as "<tt>%i3, %i1, %i2</tt>": with the destination
 535 first.</p>
 536
 537 <p>Keeping destination (definition) operands at the beginning of the operand
 538 list has several advantages.  In particular, the debugging printer will print
 539 the instruction like this:</p>
 540
 541 <div class="doc_code">
 542 <pre>
 543 %r3 = add %i1, %i2
 544 </pre>
 545 </div>
 546
 547 <p>Also if the first operand is a def, it is easier to <a
 548 href="#buildmi">create instructions</a> whose only def is the first
 549 operand.</p>
 550
 551 </div>
 552
 553 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 554 <div class="doc_subsubsection">
 555   <a name="buildmi">Using the <tt>MachineInstrBuilder.h</tt> functions</a>
 556 </div>
 557
 558 <div class="doc_text">
 559
 560 <p>Machine instructions are created by using the <tt>BuildMI</tt> functions,
 561 located in the <tt>include/llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h</tt> file.  The
 562 <tt>BuildMI</tt> functions make it easy to build arbitrary machine
 563 instructions.  Usage of the <tt>BuildMI</tt> functions look like this:</p>
 564
 565 <div class="doc_code">
 566 <pre>
 567 // Create a 'DestReg = mov 42' (rendered in X86 assembly as 'mov DestReg, 42')
 568 // instruction.  The '1' specifies how many operands will be added.
 569 MachineInstr *MI = BuildMI(X86::MOV32ri, 1, DestReg).addImm(42);
 570
 571 // Create the same instr, but insert it at the end of a basic block.
 572 MachineBasicBlock &amp;MBB = ...
 573 BuildMI(MBB, X86::MOV32ri, 1, DestReg).addImm(42);
 574
 575 // Create the same instr, but insert it before a specified iterator point.
 576 MachineBasicBlock::iterator MBBI = ...
 577 BuildMI(MBB, MBBI, X86::MOV32ri, 1, DestReg).addImm(42);
 578
 579 // Create a 'cmp Reg, 0' instruction, no destination reg.
 580 MI = BuildMI(X86::CMP32ri, 2).addReg(Reg).addImm(0);
 581 // Create an 'sahf' instruction which takes no operands and stores nothing.
 582 MI = BuildMI(X86::SAHF, 0);
 583
 584 // Create a self looping branch instruction.
 585 BuildMI(MBB, X86::JNE, 1).addMBB(&amp;MBB);
 586 </pre>
 587 </div>
 588
 589 <p>The key thing to remember with the <tt>BuildMI</tt> functions is that you
 590 have to specify the number of operands that the machine instruction will take.
 591 This allows for efficient memory allocation.  You also need to specify if
 592 operands default to be uses of values, not definitions.  If you need to add a
 593 definition operand (other than the optional destination register), you must
 594 explicitly mark it as such:</p>
 595
 596 <div class="doc_code">
 597 <pre>
 598 MI.addReg(Reg, MachineOperand::Def);
 599 </pre>
 600 </div>
 601
 602 </div>
 603
 604 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 605 <div class="doc_subsubsection">
 606   <a name="fixedregs">Fixed (preassigned) registers</a>
 607 </div>
 608
 609 <div class="doc_text">
 610
 611 <p>One important issue that the code generator needs to be aware of is the
 612 presence of fixed registers.  In particular, there are often places in the
 613 instruction stream where the register allocator <em>must</em> arrange for a
 614 particular value to be in a particular register.  This can occur due to
 615 limitations of the instruction set (e.g., the X86 can only do a 32-bit divide
 616 with the <tt>EAX</tt>/<tt>EDX</tt> registers), or external factors like calling
 617 conventions.  In any case, the instruction selector should emit code that
 618 copies a virtual register into or out of a physical register when needed.</p>
 619
 620 <p>For example, consider this simple LLVM example:</p>
 621
 622 <div class="doc_code">
 623 <pre>
 624 int %test(int %X, int %Y) {
 625   %Z = div int %X, %Y
 626   ret int %Z
 627 }
 628 </pre>
 629 </div>
 630
 631 <p>The X86 instruction selector produces this machine code for the <tt>div</tt>
 632 and <tt>ret</tt> (use
 633 "<tt>llc X.bc -march=x86 -print-machineinstrs</tt>" to get this):</p>
 634
 635 <div class="doc_code">
 636 <pre>
 637 ;; Start of div
 638 %EAX = mov %reg1024           ;; Copy X (in reg1024) into EAX
 639 %reg1027 = sar %reg1024, 31
 640 %EDX = mov %reg1027           ;; Sign extend X into EDX
 641 idiv %reg1025                 ;; Divide by Y (in reg1025)
 642 %reg1026 = mov %EAX           ;; Read the result (Z) out of EAX
 643
 644 ;; Start of ret
 645 %EAX = mov %reg1026           ;; 32-bit return value goes in EAX
 646 ret
 647 </pre>
 648 </div>
 649
 650 <p>By the end of code generation, the register allocator has coalesced
 651 the registers and deleted the resultant identity moves producing the
 652 following code:</p>
 653
 654 <div class="doc_code">
 655 <pre>
 656 ;; X is in EAX, Y is in ECX
 657 mov %EAX, %EDX
 658 sar %EDX, 31
 659 idiv %ECX
 660 ret
 661 </pre>
 662 </div>
 663
 664 <p>This approach is extremely general (if it can handle the X86 architecture,
 665 it can handle anything!) and allows all of the target specific
 666 knowledge about the instruction stream to be isolated in the instruction
 667 selector.  Note that physical registers should have a short lifetime for good
 668 code generation, and all physical registers are assumed dead on entry to and
 669 exit from basic blocks (before register allocation).  Thus, if you need a value
 670 to be live across basic block boundaries, it <em>must</em> live in a virtual
 671 register.</p>
 672
 673 </div>
 674
 675 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 676 <div class="doc_subsubsection">
 677   <a name="ssa">Machine code in SSA form</a>
 678 </div>
 679
 680 <div class="doc_text">
 681
 682 <p><tt>MachineInstr</tt>'s are initially selected in SSA-form, and
 683 are maintained in SSA-form until register allocation happens.  For the most
 684 part, this is trivially simple since LLVM is already in SSA form; LLVM PHI nodes
 685 become machine code PHI nodes, and virtual registers are only allowed to have a
 686 single definition.</p>
 687
 688 <p>After register allocation, machine code is no longer in SSA-form because there
 689 are no virtual registers left in the code.</p>
 690
 691 </div>
 692
 693 <!-- ======================================================================= -->
 694 <div class="doc_subsection">
 695   <a name="machinebasicblock">The <tt>MachineBasicBlock</tt> class</a>
 696 </div>
 697
 698 <div class="doc_text">
 699
 700 <p>The <tt>MachineBasicBlock</tt> class contains a list of machine instructions
 701 (<tt><a href="#machineinstr">MachineInstr</a></tt> instances).  It roughly
 702 corresponds to the LLVM code input to the instruction selector, but there can be
 703 a one-to-many mapping (i.e. one LLVM basic block can map to multiple machine
 704 basic blocks). The <tt>MachineBasicBlock</tt> class has a
 705 "<tt>getBasicBlock</tt>" method, which returns the LLVM basic block that it
 706 comes from.</p>
 707
 708 </div>
 709
 710 <!-- ======================================================================= -->
 711 <div class="doc_subsection">
 712   <a name="machinefunction">The <tt>MachineFunction</tt> class</a>
 713 </div>
 714
 715 <div class="doc_text">
 716
 717 <p>The <tt>MachineFunction</tt> class contains a list of machine basic blocks
 718 (<tt><a href="#machinebasicblock">MachineBasicBlock</a></tt> instances).  It
 719 corresponds one-to-one with the LLVM function input to the instruction selector.
 720 In addition to a list of basic blocks, the <tt>MachineFunction</tt> contains a
 721 a <tt>MachineConstantPool</tt>, a <tt>MachineFrameInfo</tt>, a
 722 <tt>MachineFunctionInfo</tt>, a <tt>SSARegMap</tt>, and a set of live in and
 723 live out registers for the function.  See
 724 <tt>include/llvm/CodeGen/MachineFunction.h</tt> for more information.</p>
 725
 726 </div>
 727
 728 <!-- *********************************************************************** -->
 729 <div class="doc_section">
 730   <a name="codegenalgs">Target-independent code generation algorithms</a>
 731 </div>
 732 <!-- *********************************************************************** -->
 733
 734 <div class="doc_text">
 735
 736 <p>This section documents the phases described in the <a
 737 href="#high-level-design">high-level design of the code generator</a>.  It
 738 explains how they work and some of the rationale behind their design.</p>
 739
 740 </div>
 741
 742 <!-- ======================================================================= -->
 743 <div class="doc_subsection">
 744   <a name="instselect">Instruction Selection</a>
 745 </div>
 746
 747 <div class="doc_text">
 748 <p>
 749 Instruction Selection is the process of translating LLVM code presented to the
 750 code generator into target-specific machine instructions.  There are several
 751 well-known ways to do this in the literature.  LLVM uses a SelectionDAG based
 752 instruction selector.
 753 </p>
 754
 755 <p>Portions of the DAG instruction selector are generated from the target
 756 description (<tt>*.td</tt>) files.  Our goal is for the entire instruction
 757 selector to be generated from these <tt>.td</tt> files, though currently
 758 there are still things that require custom C++ code.</p>
 759 </div>
 760
 761 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 762 <div class="doc_subsubsection">
 763   <a name="selectiondag_intro">Introduction to SelectionDAGs</a>
 764 </div>
 765
 766 <div class="doc_text">
 767
 768 <p>The SelectionDAG provides an abstraction for code representation in a way
 769 that is amenable to instruction selection using automatic techniques
 770 (e.g. dynamic-programming based optimal pattern matching selectors). It is also
 771 well-suited to other phases of code generation; in particular,
 772 instruction scheduling (SelectionDAG's are very close to scheduling DAGs
 773 post-selection).  Additionally, the SelectionDAG provides a host representation
 774 where a large variety of very-low-level (but target-independent)
 775 <a href="#selectiondag_optimize">optimizations</a> may be
 776 performed; ones which require extensive information about the instructions
 777 efficiently supported by the target.</p>
 778
 779 <p>The SelectionDAG is a Directed-Acyclic-Graph whose nodes are instances of the
 780 <tt>SDNode</tt> class.  The primary payload of the <tt>SDNode</tt> is its
 781 operation code (Opcode) that indicates what operation the node performs and
 782 the operands to the operation.
 783 The various operation node types are described at the top of the
 784 <tt>include/llvm/CodeGen/SelectionDAGNodes.h</tt> file.</p>
 785
 786 <p>Although most operations define a single value, each node in the graph may
 787 define multiple values.  For example, a combined div/rem operation will define
 788 both the dividend and the remainder. Many other situations require multiple
 789 values as well.  Each node also has some number of operands, which are edges
 790 to the node defining the used value.  Because nodes may define multiple values,
 791 edges are represented by instances of the <tt>SDOperand</tt> class, which is
 792 a <tt>&lt;SDNode, unsigned&gt;</tt> pair, indicating the node and result
 793 value being used, respectively.  Each value produced by an <tt>SDNode</tt> has
 794 an associated <tt>MVT::ValueType</tt> indicating what type the value is.</p>
 795
 796 <p>SelectionDAGs contain two different kinds of values: those that represent
 797 data flow and those that represent control flow dependencies.  Data values are
 798 simple edges with an integer or floating point value type.  Control edges are
 799 represented as "chain" edges which are of type <tt>MVT::Other</tt>.  These edges
 800 provide an ordering between nodes that have side effects (such as
 801 loads, stores, calls, returns, etc).  All nodes that have side effects should
 802 take a token chain as input and produce a new one as output.  By convention,
 803 token chain inputs are always operand #0, and chain results are always the last
 804 value produced by an operation.</p>
 805
 806 <p>A SelectionDAG has designated "Entry" and "Root" nodes.  The Entry node is
 807 always a marker node with an Opcode of <tt>ISD::EntryToken</tt>.  The Root node
 808 is the final side-effecting node in the token chain. For example, in a single
 809 basic block function it would be the return node.</p>
 810
 811 <p>One important concept for SelectionDAGs is the notion of a "legal" vs.
 812 "illegal" DAG.  A legal DAG for a target is one that only uses supported
 813 operations and supported types.  On a 32-bit PowerPC, for example, a DAG with
 814 a value of type i1, i8, i16, or i64 would be illegal, as would a DAG that uses a
 815 SREM or UREM operation.  The
 816 <a href="#selectiondag_legalize">legalize</a> phase is responsible for turning
 817 an illegal DAG into a legal DAG.</p>
 818
 819 </div>
 820
 821 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 822 <div class="doc_subsubsection">
 823   <a name="selectiondag_process">SelectionDAG Instruction Selection Process</a>
 824 </div>
 825
 826 <div class="doc_text">
 827
 828 <p>SelectionDAG-based instruction selection consists of the following steps:</p>
 829
 830 <ol>
 831 <li><a href="#selectiondag_build">Build initial DAG</a> - This stage
 832     performs a simple translation from the input LLVM code to an illegal
 833     SelectionDAG.</li>
 834 <li><a href="#selectiondag_optimize">Optimize SelectionDAG</a> - This stage
 835     performs simple optimizations on the SelectionDAG to simplify it, and
 836     recognize meta instructions (like rotates and <tt>div</tt>/<tt>rem</tt>
 837     pairs) for targets that support these meta operations.  This makes the
 838     resultant code more efficient and the <a href="#selectiondag_select">select
 839     instructions from DAG</a> phase (below) simpler.</li>
 840 <li><a href="#selectiondag_legalize">Legalize SelectionDAG</a> - This stage
 841     converts the illegal SelectionDAG to a legal SelectionDAG by eliminating
 842     unsupported operations and data types.</li>
 843 <li><a href="#selectiondag_optimize">Optimize SelectionDAG (#2)</a> - This
 844     second run of the SelectionDAG optimizes the newly legalized DAG to
 845     eliminate inefficiencies introduced by legalization.</li>
 846 <li><a href="#selectiondag_select">Select instructions from DAG</a> - Finally,
 847     the target instruction selector matches the DAG operations to target
 848     instructions.  This process translates the target-independent input DAG into
 849     another DAG of target instructions.</li>
 850 <li><a href="#selectiondag_sched">SelectionDAG Scheduling and Formation</a>
 851     - The last phase assigns a linear order to the instructions in the
 852     target-instruction DAG and emits them into the MachineFunction being
 853     compiled.  This step uses traditional prepass scheduling techniques.</li>
 854 </ol>
 855
 856 <p>After all of these steps are complete, the SelectionDAG is destroyed and the
 857 rest of the code generation passes are run.</p>
 858
 859 <p>One great way to visualize what is going on here is to take advantage of a
 860 few LLC command line options.  In particular, the <tt>-view-isel-dags</tt>
 861 option pops up a window with the SelectionDAG input to the Select phase for all
 862 of the code compiled (if you only get errors printed to the console while using
 863 this, you probably <a href="ProgrammersManual.html#ViewGraph">need to configure
 864 your system</a> to add support for it).  The <tt>-view-sched-dags</tt> option
 865 views the SelectionDAG output from the Select phase and input to the Scheduler
 866 phase.  The <tt>-view-sunit-dags</tt> option views the ScheduleDAG, which is
 867 based on the final SelectionDAG, with nodes that must be scheduled as a unit
 868 bundled together into a single node, and with immediate operands and other
 869 nodes that aren't relevent for scheduling omitted.
 870 </p>
 871
 872 </div>
 873
 874 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 875 <div class="doc_subsubsection">
 876   <a name="selectiondag_build">Initial SelectionDAG Construction</a>
 877 </div>
 878
 879 <div class="doc_text">
 880
 881 <p>The initial SelectionDAG is na&iuml;vely peephole expanded from the LLVM
 882 input by the <tt>SelectionDAGLowering</tt> class in the
 883 <tt>lib/CodeGen/SelectionDAG/SelectionDAGISel.cpp</tt> file.  The intent of this
 884 pass is to expose as much low-level, target-specific details to the SelectionDAG
 885 as possible.  This pass is mostly hard-coded (e.g. an LLVM <tt>add</tt> turns
 886 into an <tt>SDNode add</tt> while a <tt>geteelementptr</tt> is expanded into the
 887 obvious arithmetic). This pass requires target-specific hooks to lower calls,
 888 returns, varargs, etc.  For these features, the
 889 <tt><a href="#targetlowering">TargetLowering</a></tt> interface is used.</p>
 890
 891 </div>
 892
 893 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 894 <div class="doc_subsubsection">
 895   <a name="selectiondag_legalize">SelectionDAG Legalize Phase</a>
 896 </div>
 897
 898 <div class="doc_text">
 899
 900 <p>The Legalize phase is in charge of converting a DAG to only use the types and
 901 operations that are natively supported by the target.  This involves two major
 902 tasks:</p>
 903
 904 <ol>
 905 <li><p>Convert values of unsupported types to values of supported types.</p>
 906     <p>There are two main ways of doing this: converting small types to
 907        larger types ("promoting"), and breaking up large integer types
 908        into smaller ones ("expanding").  For example, a target might require
 909        that all f32 values are promoted to f64 and that all i1/i8/i16 values
 910        are promoted to i32.  The same target might require that all i64 values
 911        be expanded into i32 values.  These changes can insert sign and zero
 912        extensions as needed to make sure that the final code has the same
 913        behavior as the input.</p>
 914     <p>A target implementation tells the legalizer which types are supported
 915        (and which register class to use for them) by calling the
 916        <tt>addRegisterClass</tt> method in its TargetLowering constructor.</p>
 917 </li>
 918
 919 <li><p>Eliminate operations that are not supported by the target.</p>
 920     <p>Targets often have weird constraints, such as not supporting every
 921        operation on every supported datatype (e.g. X86 does not support byte
 922        conditional moves and PowerPC does not support sign-extending loads from
 923        a 16-bit memory location).  Legalize takes care of this by open-coding
 924        another sequence of operations to emulate the operation ("expansion"), by
 925        promoting one type to a larger type that supports the operation
 926        ("promotion"), or by using a target-specific hook to implement the
 927        legalization ("custom").</p>
 928     <p>A target implementation tells the legalizer which operations are not
 929        supported (and which of the above three actions to take) by calling the
 930        <tt>setOperationAction</tt> method in its <tt>TargetLowering</tt>
 931        constructor.</p>
 932 </li>
 933 </ol>
 934
 935 <p>Prior to the existance of the Legalize pass, we required that every target
 936 <a href="#selectiondag_optimize">selector</a> supported and handled every
 937 operator and type even if they are not natively supported.  The introduction of
 938 the Legalize phase allows all of the cannonicalization patterns to be shared
 939 across targets, and makes it very easy to optimize the cannonicalized code
 940 because it is still in the form of a DAG.</p>
 941
 942 </div>
 943
 944 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 945 <div class="doc_subsubsection">
 946   <a name="selectiondag_optimize">SelectionDAG Optimization Phase: the DAG
 947   Combiner</a>
 948 </div>
 949
 950 <div class="doc_text">
 951
 952 <p>The SelectionDAG optimization phase is run twice for code generation: once
 953 immediately after the DAG is built and once after legalization.  The first run
 954 of the pass allows the initial code to be cleaned up (e.g. performing
 955 optimizations that depend on knowing that the operators have restricted type
 956 inputs).  The second run of the pass cleans up the messy code generated by the
 957 Legalize pass, which allows Legalize to be very simple (it can focus on making
 958 code legal instead of focusing on generating <em>good</em> and legal code).</p>
 959
 960 <p>One important class of optimizations performed is optimizing inserted sign
 961 and zero extension instructions.  We currently use ad-hoc techniques, but could
 962 move to more rigorous techniques in the future.  Here are some good papers on
 963 the subject:</p>
 964
 965 <p>
 966  "<a href="http://www.eecs.harvard.edu/~nr/pubs/widen-abstract.html">Widening
 967  integer arithmetic</a>"<br>
 968  Kevin Redwine and Norman Ramsey<br>
 969  International Conference on Compiler Construction (CC) 2004
 970 </p>
 971
 972
 973 <p>
 974  "<a href="http://portal.acm.org/citation.cfm?doid=512529.512552">Effective
 975  sign extension elimination</a>"<br>
 976  Motohiro Kawahito, Hideaki Komatsu, and Toshio Nakatani<br>
 977  Proceedings of the ACM SIGPLAN 2002 Conference on Programming Language Design
 978  and Implementation.
 979 </p>
 980
 981 </div>
 982
 983 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 984 <div class="doc_subsubsection">
 985   <a name="selectiondag_select">SelectionDAG Select Phase</a>
 986 </div>
 987
 988 <div class="doc_text">
 989
 990 <p>The Select phase is the bulk of the target-specific code for instruction
 991 selection.  This phase takes a legal SelectionDAG as input, pattern matches the
 992 instructions supported by the target to this DAG, and produces a new DAG of
 993 target code.  For example, consider the following LLVM fragment:</p>
 994
 995 <div class="doc_code">
 996 <pre>
 997 %t1 = add float %W, %X
 998 %t2 = mul float %t1, %Y
 999 %t3 = add float %t2, %Z
1000 </pre>
1001 </div>
1002
1003 <p>This LLVM code corresponds to a SelectionDAG that looks basically like
1004 this:</p>
1005
1006 <div class="doc_code">
1007 <pre>
1008 (fadd:f32 (fmul:f32 (fadd:f32 W, X), Y), Z)
1009 </pre>
1010 </div>
1011
1012 <p>If a target supports floating point multiply-and-add (FMA) operations, one
1013 of the adds can be merged with the multiply.  On the PowerPC, for example, the
1014 output of the instruction selector might look like this DAG:</p>
1015
1016 <div class="doc_code">
1017 <pre>
1018 (FMADDS (FADDS W, X), Y, Z)
1019 </pre>
1020 </div>
1021
1022 <p>The <tt>FMADDS</tt> instruction is a ternary instruction that multiplies its
1023 first two operands and adds the third (as single-precision floating-point
1024 numbers).  The <tt>FADDS</tt> instruction is a simple binary single-precision
1025 add instruction.  To perform this pattern match, the PowerPC backend includes
1026 the following instruction definitions:</p>
1027
1028 <div class="doc_code">
1029 <pre>
1030 def FMADDS : AForm_1&lt;59, 29,
1031                     (ops F4RC:$FRT, F4RC:$FRA, F4RC:$FRC, F4RC:$FRB),
1032                     "fmadds $FRT, $FRA, $FRC, $FRB",
1033                     [<b>(set F4RC:$FRT, (fadd (fmul F4RC:$FRA, F4RC:$FRC),
1034                                            F4RC:$FRB))</b>]&gt;;
1035 def FADDS : AForm_2&lt;59, 21,
1036                     (ops F4RC:$FRT, F4RC:$FRA, F4RC:$FRB),
1037                     "fadds $FRT, $FRA, $FRB",
1038                     [<b>(set F4RC:$FRT, (fadd F4RC:$FRA, F4RC:$FRB))</b>]&gt;;
1039 </pre>
1040 </div>
1041
1042 <p>The portion of the instruction definition in bold indicates the pattern used
1043 to match the instruction.  The DAG operators (like <tt>fmul</tt>/<tt>fadd</tt>)
1044 are defined in the <tt>lib/Target/TargetSelectionDAG.td</tt> file.
1045 "<tt>F4RC</tt>" is the register class of the input and result values.<p>
1046
1047 <p>The TableGen DAG instruction selector generator reads the instruction
1048 patterns in the <tt>.td</tt> file and automatically builds parts of the pattern
1049 matching code for your target.  It has the following strengths:</p>
1050
1051 <ul>
1052 <li>At compiler-compiler time, it analyzes your instruction patterns and tells
1053     you if your patterns make sense or not.</li>
1054 <li>It can handle arbitrary constraints on operands for the pattern match.  In
1055     particular, it is straight-forward to say things like "match any immediate
1056     that is a 13-bit sign-extended value".  For examples, see the
1057     <tt>immSExt16</tt> and related <tt>tblgen</tt> classes in the PowerPC
1058     backend.</li>
1059 <li>It knows several important identities for the patterns defined.  For
1060     example, it knows that addition is commutative, so it allows the
1061     <tt>FMADDS</tt> pattern above to match "<tt>(fadd X, (fmul Y, Z))</tt>" as
1062     well as "<tt>(fadd (fmul X, Y), Z)</tt>", without the target author having
1063     to specially handle this case.</li>
1064 <li>It has a full-featured type-inferencing system.  In particular, you should
1065     rarely have to explicitly tell the system what type parts of your patterns
1066     are.  In the <tt>FMADDS</tt> case above, we didn't have to tell
1067     <tt>tblgen</tt> that all of the nodes in the pattern are of type 'f32'.  It
1068     was able to infer and propagate this knowledge from the fact that
1069     <tt>F4RC</tt> has type 'f32'.</li>
1070 <li>Targets can define their own (and rely on built-in) "pattern fragments".
1071     Pattern fragments are chunks of reusable patterns that get inlined into your
1072     patterns during compiler-compiler time.  For example, the integer
1073     "<tt>(not x)</tt>" operation is actually defined as a pattern fragment that
1074     expands as "<tt>(xor x, -1)</tt>", since the SelectionDAG does not have a
1075     native '<tt>not</tt>' operation.  Targets can define their own short-hand
1076     fragments as they see fit.  See the definition of '<tt>not</tt>' and
1077     '<tt>ineg</tt>' for examples.</li>
1078 <li>In addition to instructions, targets can specify arbitrary patterns that
1079     map to one or more instructions using the 'Pat' class.  For example,
1080     the PowerPC has no way to load an arbitrary integer immediate into a
1081     register in one instruction. To tell tblgen how to do this, it defines:
1082     <br>
1083     <br>
1084     <div class="doc_code">
1085     <pre>
1086 // Arbitrary immediate support.  Implement in terms of LIS/ORI.
1087 def : Pat&lt;(i32 imm:$imm),
1088           (ORI (LIS (HI16 imm:$imm)), (LO16 imm:$imm))&gt;;
1089     </pre>
1090     </div>
1091     <br>
1092     If none of the single-instruction patterns for loading an immediate into a
1093     register match, this will be used.  This rule says "match an arbitrary i32
1094     immediate, turning it into an <tt>ORI</tt> ('or a 16-bit immediate') and an
1095     <tt>LIS</tt> ('load 16-bit immediate, where the immediate is shifted to the
1096     left 16 bits') instruction".  To make this work, the
1097     <tt>LO16</tt>/<tt>HI16</tt> node transformations are used to manipulate the
1098     input immediate (in this case, take the high or low 16-bits of the
1099     immediate).</li>
1100 <li>While the system does automate a lot, it still allows you to write custom
1101     C++ code to match special cases if there is something that is hard to
1102     express.</li>
1103 </ul>
1104
1105 <p>While it has many strengths, the system currently has some limitations,
1106 primarily because it is a work in progress and is not yet finished:</p>
1107
1108 <ul>
1109 <li>Overall, there is no way to define or match SelectionDAG nodes that define
1110     multiple values (e.g. <tt>ADD_PARTS</tt>, <tt>LOAD</tt>, <tt>CALL</tt>,
1111     etc).  This is the biggest reason that you currently still <em>have to</em>
1112     write custom C++ code for your instruction selector.</li>
1113 <li>There is no great way to support matching complex addressing modes yet.  In
1114     the future, we will extend pattern fragments to allow them to define
1115     multiple values (e.g. the four operands of the <a href="#x86_memory">X86
1116     addressing mode</a>, which are currently matched with custom C++ code).
1117     In addition, we'll extend fragments so that a
1118     fragment can match multiple different patterns.</li>
1119 <li>We don't automatically infer flags like isStore/isLoad yet.</li>
1120 <li>We don't automatically generate the set of supported registers and
1121     operations for the <a href="#selectiondag_legalize">Legalizer</a> yet.</li>
1122 <li>We don't have a way of tying in custom legalized nodes yet.</li>
1123 </ul>
1124
1125 <p>Despite these limitations, the instruction selector generator is still quite
1126 useful for most of the binary and logical operations in typical instruction
1127 sets.  If you run into any problems or can't figure out how to do something,
1128 please let Chris know!</p>
1129
1130 </div>
1131
1132 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1133 <div class="doc_subsubsection">
1134   <a name="selectiondag_sched">SelectionDAG Scheduling and Formation Phase</a>
1135 </div>
1136
1137 <div class="doc_text">
1138
1139 <p>The scheduling phase takes the DAG of target instructions from the selection
1140 phase and assigns an order.  The scheduler can pick an order depending on
1141 various constraints of the machines (i.e. order for minimal register pressure or
1142 try to cover instruction latencies).  Once an order is established, the DAG is
1143 converted to a list of <tt><a href="#machineinstr">MachineInstr</a></tt>s and
1144 the SelectionDAG is destroyed.</p>
1145
1146 <p>Note that this phase is logically separate from the instruction selection
1147 phase, but is tied to it closely in the code because it operates on
1148 SelectionDAGs.</p>
1149
1150 </div>
1151
1152 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1153 <div class="doc_subsubsection">
1154   <a name="selectiondag_future">Future directions for the SelectionDAG</a>
1155 </div>
1156
1157 <div class="doc_text">
1158
1159 <ol>
1160 <li>Optional function-at-a-time selection.</li>
1161 <li>Auto-generate entire selector from <tt>.td</tt> file.</li>
1162 </ol>
1163
1164 </div>
1165
1166 <!-- ======================================================================= -->
1167 <div class="doc_subsection">
1168   <a name="ssamco">SSA-based Machine Code Optimizations</a>
1169 </div>
1170 <div class="doc_text"><p>To Be Written</p></div>
1171
1172 <!-- ======================================================================= -->
1173 <div class="doc_subsection">
1174   <a name="liveintervals">Live Intervals</a>
1175 </div>
1176
1177 <div class="doc_text">
1178
1179 <p>Live Intervals are the ranges (intervals) where a variable is <i>live</i>.
1180 They are used by some <a href="#regalloc">register allocator</a> passes to
1181 determine if two or more virtual registers which require the same physical
1182 register are live at the same point in the program (i.e., they conflict).  When
1183 this situation occurs, one virtual register must be <i>spilled</i>.</p>
1184
1185 </div>
1186
1187 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1188 <div class="doc_subsubsection">
1189   <a name="livevariable_analysis">Live Variable Analysis</a>
1190 </div>
1191
1192 <div class="doc_text">
1193
1194 <p>The first step in determining the live intervals of variables is to
1195 calculate the set of registers that are immediately dead after the
1196 instruction (i.e., the instruction calculates the value, but it is
1197 never used) and the set of registers that are used by the instruction,
1198 but are never used after the instruction (i.e., they are killed). Live
1199 variable information is computed for each <i>virtual</i> register and
1200 <i>register allocatable</i> physical register in the function.  This
1201 is done in a very efficient manner because it uses SSA to sparsely
1202 compute lifetime information for virtual registers (which are in SSA
1203 form) and only has to track physical registers within a block.  Before
1204 register allocation, LLVM can assume that physical registers are only
1205 live within a single basic block.  This allows it to do a single,
1206 local analysis to resolve physical register lifetimes within each
1207 basic block. If a physical register is not register allocatable (e.g.,
1208 a stack pointer or condition codes), it is not tracked.</p>
1209
1210 <p>Physical registers may be live in to or out of a function. Live in values
1211 are typically arguments in registers. Live out values are typically return
1212 values in registers. Live in values are marked as such, and are given a dummy
1213 "defining" instruction during live intervals analysis. If the last basic block
1214 of a function is a <tt>return</tt>, then it's marked as using all live out
1215 values in the function.</p>
1216
1217 <p><tt>PHI</tt> nodes need to be handled specially, because the calculation
1218 of the live variable information from a depth first traversal of the CFG of
1219 the function won't guarantee that a virtual register used by the <tt>PHI</tt>
1220 node is defined before it's used. When a <tt>PHI</tt> node is encounted, only
1221 the definition is handled, because the uses will be handled in other basic
1222 blocks.</p>
1223
1224 <p>For each <tt>PHI</tt> node of the current basic block, we simulate an
1225 assignment at the end of the current basic block and traverse the successor
1226 basic blocks. If a successor basic block has a <tt>PHI</tt> node and one of
1227 the <tt>PHI</tt> node's operands is coming from the current basic block,
1228 then the variable is marked as <i>alive</i> within the current basic block
1229 and all of its predecessor basic blocks, until the basic block with the
1230 defining instruction is encountered.</p>
1231
1232 </div>
1233
1234 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1235 <div class="doc_subsubsection">
1236   <a name="liveintervals_analysis">Live Intervals Analysis</a>
1237 </div>
1238
1239 <div class="doc_text">
1240
1241 <p>We now have the information available to perform the live intervals analysis
1242 and build the live intervals themselves.  We start off by numbering the basic
1243 blocks and machine instructions.  We then handle the "live-in" values.  These
1244 are in physical registers, so the physical register is assumed to be killed by
1245 the end of the basic block.  Live intervals for virtual registers are computed
1246 for some ordering of the machine instructions <tt>[1, N]</tt>.  A live interval
1247 is an interval <tt>[i, j)</tt>, where <tt>1 <= i <= j < N</tt>, for which a
1248 variable is live.</p>
1249
1250 <p><i><b>More to come...</b></i></p>
1251
1252 </div>
1253
1254 <!-- ======================================================================= -->
1255 <div class="doc_subsection">
1256   <a name="regalloc">Register Allocation</a>
1257 </div>
1258
1259 <div class="doc_text">
1260
1261 <p>The <i>Register Allocation problem</i> consists in mapping a program
1262 <i>P<sub>v</sub></i>, that can use an unbounded number of virtual
1263 registers, to a program <i>P<sub>p</sub></i> that contains a finite
1264 (possibly small) number of physical registers. Each target architecture has
1265 a different number of physical registers. If the number of physical
1266 registers is not enough to accommodate all the virtual registers, some of
1267 them will have to be mapped into memory. These virtuals are called
1268 <i>spilled virtuals</i>.</p>
1269
1270 </div>
1271
1272 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1273
1274 <div class="doc_subsubsection">
1275   <a name="regAlloc_represent">How registers are represented in LLVM</a>
1276 </div>
1277
1278 <div class="doc_text">
1279
1280 <p>In LLVM, physical registers are denoted by integer numbers that
1281 normally range from 1 to 1023. To see how this numbering is defined
1282 for a particular architecture, you can read the
1283 <tt>GenRegisterNames.inc</tt> file for that architecture. For
1284 instance, by inspecting
1285 <tt>lib/Target/X86/X86GenRegisterNames.inc</tt> we see that the 32-bit
1286 register <tt>EAX</tt> is denoted by 15, and the MMX register
1287 <tt>MM0</tt> is mapped to 48.</p>
1288
1289 <p>Some architectures contain registers that share the same physical
1290 location. A notable example is the X86 platform. For instance, in the
1291 X86 architecture, the registers <tt>EAX</tt>, <tt>AX</tt> and
1292 <tt>AL</tt> share the first eight bits. These physical registers are
1293 marked as <i>aliased</i> in LLVM. Given a particular architecture, you
1294 can check which registers are aliased by inspecting its
1295 <tt>RegisterInfo.td</tt> file. Moreover, the method
1296 <tt>MRegisterInfo::getAliasSet(p_reg)</tt> returns an array containing
1297 all the physical registers aliased to the register <tt>p_reg</tt>.</p>
1298
1299 <p>Physical registers, in LLVM, are grouped in <i>Register Classes</i>.
1300 Elements in the same register class are functionally equivalent, and can
1301 be interchangeably used. Each virtual register can only be mapped to
1302 physical registers of a particular class. For instance, in the X86
1303 architecture, some virtuals can only be allocated to 8 bit registers.
1304 A register class is described by <tt>TargetRegisterClass</tt> objects.
1305 To discover if a virtual register is compatible with a given physical,
1306 this code can be used:
1307 </p>
1308
1309 <div class="doc_code">
1310 <pre>
1311 bool RegMapping_Fer::compatible_class(MachineFunction &amp;mf,
1312                                       unsigned v_reg,
1313                                       unsigned p_reg) {
1314   assert(MRegisterInfo::isPhysicalRegister(p_reg) &amp;&amp;
1315          "Target register must be physical");
1316   const TargetRegisterClass *trc = mf.getSSARegMap()->getRegClass(v_reg);
1317   return trc->contains(p_reg);
1318 }
1319 </pre>
1320 </div>
1321
1322 <p>Sometimes, mostly for debugging purposes, it is useful to change
1323 the number of physical registers available in the target
1324 architecture. This must be done statically, inside the
1325 <tt>TargetRegsterInfo.td</tt> file. Just <tt>grep</tt> for
1326 <tt>RegisterClass</tt>, the last parameter of which is a list of
1327 registers. Just commenting some out is one simple way to avoid them
1328 being used. A more polite way is to explicitly exclude some registers
1329 from the <i>allocation order</i>. See the definition of the
1330 <tt>GR</tt> register class in
1331 <tt>lib/Target/IA64/IA64RegisterInfo.td</tt> for an example of this
1332 (e.g., <tt>numReservedRegs</tt> registers are hidden.)</p>
1333
1334 <p>Virtual registers are also denoted by integer numbers. Contrary to
1335 physical registers, different virtual registers never share the same
1336 number. The smallest virtual register is normally assigned the number
1337 1024. This may change, so, in order to know which is the first virtual
1338 register, you should access
1339 <tt>MRegisterInfo::FirstVirtualRegister</tt>. Any register whose
1340 number is greater than or equal to
1341 <tt>MRegisterInfo::FirstVirtualRegister</tt> is considered a virtual
1342 register. Whereas physical registers are statically defined in a
1343 <tt>TargetRegisterInfo.td</tt> file and cannot be created by the
1344 application developer, that is not the case with virtual registers.
1345 In order to create new virtual registers, use the method
1346 <tt>SSARegMap::createVirtualRegister()</tt>. This method will return a
1347 virtual register with the highest code.
1348 </p>
1349
1350 <p>Before register allocation, the operands of an instruction are
1351 mostly virtual registers, although physical registers may also be
1352 used. In order to check if a given machine operand is a register, use
1353 the boolean function <tt>MachineOperand::isRegister()</tt>. To obtain
1354 the integer code of a register, use
1355 <tt>MachineOperand::getReg()</tt>. An instruction may define or use a
1356 register. For instance, <tt>ADD reg:1026 := reg:1025 reg:1024</tt>
1357 defines the registers 1024, and uses registers 1025 and 1026. Given a
1358 register operand, the method <tt>MachineOperand::isUse()</tt> informs
1359 if that register is being used by the instruction. The method
1360 <tt>MachineOperand::isDef()</tt> informs if that registers is being
1361 defined.</p>
1362
1363 <p>We will call physical registers present in the LLVM bitcode before
1364 register allocation <i>pre-colored registers</i>. Pre-colored
1365 registers are used in many different situations, for instance, to pass
1366 parameters of functions calls, and to store results of particular
1367 instructions. There are two types of pre-colored registers: the ones
1368 <i>implicitly</i> defined, and those <i>explicitly</i>
1369 defined. Explicitly defined registers are normal operands, and can be
1370 accessed with <tt>MachineInstr::getOperand(int)::getReg()</tt>.  In
1371 order to check which registers are implicitly defined by an
1372 instruction, use the
1373 <tt>TargetInstrInfo::get(opcode)::ImplicitDefs</tt>, where
1374 <tt>opcode</tt> is the opcode of the target instruction. One important
1375 difference between explicit and implicit physical registers is that
1376 the latter are defined statically for each instruction, whereas the
1377 former may vary depending on the program being compiled. For example,
1378 an instruction that represents a function call will always implicitly
1379 define or use the same set of physical registers. To read the
1380 registers implicitly used by an instruction, use
1381 <tt>TargetInstrInfo::get(opcode)::ImplicitUses</tt>. Pre-colored
1382 registers impose constraints on any register allocation algorithm. The
1383 register allocator must make sure that none of them is been
1384 overwritten by the values of virtual registers while still alive.</p>
1385
1386 </div>
1387
1388 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1389
1390 <div class="doc_subsubsection">
1391   <a name="regAlloc_howTo">Mapping virtual registers to physical registers</a>
1392 </div>
1393
1394 <div class="doc_text">
1395
1396 <p>There are two ways to map virtual registers to physical registers (or to
1397 memory slots). The first way, that we will call <i>direct mapping</i>,
1398 is based on the use of methods of the classes <tt>MRegisterInfo</tt>,
1399 and <tt>MachineOperand</tt>. The second way, that we will call
1400 <i>indirect mapping</i>, relies on the <tt>VirtRegMap</tt> class in
1401 order to insert loads and stores sending and getting values to and from
1402 memory.</p>
1403
1404 <p>The direct mapping provides more flexibility to the developer of
1405 the register allocator; however, it is more error prone, and demands
1406 more implementation work.  Basically, the programmer will have to
1407 specify where load and store instructions should be inserted in the
1408 target function being compiled in order to get and store values in
1409 memory. To assign a physical register to a virtual register present in
1410 a given operand, use <tt>MachineOperand::setReg(p_reg)</tt>. To insert
1411 a store instruction, use
1412 <tt>MRegisterInfo::storeRegToStackSlot(...)</tt>, and to insert a load
1413 instruction, use <tt>MRegisterInfo::loadRegFromStackSlot</tt>.</p>
1414
1415 <p>The indirect mapping shields the application developer from the
1416 complexities of inserting load and store instructions. In order to map
1417 a virtual register to a physical one, use
1418 <tt>VirtRegMap::assignVirt2Phys(vreg, preg)</tt>.  In order to map a
1419 certain virtual register to memory, use
1420 <tt>VirtRegMap::assignVirt2StackSlot(vreg)</tt>. This method will
1421 return the stack slot where <tt>vreg</tt>'s value will be located.  If
1422 it is necessary to map another virtual register to the same stack
1423 slot, use <tt>VirtRegMap::assignVirt2StackSlot(vreg,
1424 stack_location)</tt>. One important point to consider when using the
1425 indirect mapping, is that even if a virtual register is mapped to
1426 memory, it still needs to be mapped to a physical register. This
1427 physical register is the location where the virtual register is
1428 supposed to be found before being stored or after being reloaded.</p>
1429
1430 <p>If the indirect strategy is used, after all the virtual registers
1431 have been mapped to physical registers or stack slots, it is necessary
1432 to use a spiller object to place load and store instructions in the
1433 code. Every virtual that has been mapped to a stack slot will be
1434 stored to memory after been defined and will be loaded before being
1435 used. The implementation of the spiller tries to recycle load/store
1436 instructions, avoiding unnecessary instructions. For an example of how
1437 to invoke the spiller, see
1438 <tt>RegAllocLinearScan::runOnMachineFunction</tt> in
1439 <tt>lib/CodeGen/RegAllocLinearScan.cpp</tt>.</p>
1440
1441 </div>
1442
1443 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1444 <div class="doc_subsubsection">
1445   <a name="regAlloc_twoAddr">Handling two address instructions</a>
1446 </div>
1447
1448 <div class="doc_text">
1449
1450 <p>With very rare exceptions (e.g., function calls), the LLVM machine
1451 code instructions are three address instructions. That is, each
1452 instruction is expected to define at most one register, and to use at
1453 most two registers.  However, some architectures use two address
1454 instructions. In this case, the defined register is also one of the
1455 used register. For instance, an instruction such as <tt>ADD %EAX,
1456 %EBX</tt>, in X86 is actually equivalent to <tt>%EAX = %EAX +
1457 %EBX</tt>.</p>
1458
1459 <p>In order to produce correct code, LLVM must convert three address
1460 instructions that represent two address instructions into true two
1461 address instructions. LLVM provides the pass
1462 <tt>TwoAddressInstructionPass</tt> for this specific purpose. It must
1463 be run before register allocation takes place. After its execution,
1464 the resulting code may no longer be in SSA form. This happens, for
1465 instance, in situations where an instruction such as <tt>%a = ADD %b
1466 %c</tt> is converted to two instructions such as:</p>
1467
1468 <div class="doc_code">
1469 <pre>
1470 %a = MOVE %b
1471 %a = ADD %a %b
1472 </pre>
1473 </div>
1474
1475 <p>Notice that, internally, the second instruction is represented as
1476 <tt>ADD %a[def/use] %b</tt>. I.e., the register operand <tt>%a</tt> is
1477 both used and defined by the instruction.</p>
1478
1479 </div>
1480
1481 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1482 <div class="doc_subsubsection">
1483   <a name="regAlloc_ssaDecon">The SSA deconstruction phase</a>
1484 </div>
1485
1486 <div class="doc_text">
1487
1488 <p>An important transformation that happens during register allocation is called
1489 the <i>SSA Deconstruction Phase</i>. The SSA form simplifies many
1490 analyses that are performed on the control flow graph of
1491 programs. However, traditional instruction sets do not implement
1492 PHI instructions. Thus, in order to generate executable code, compilers
1493 must replace PHI instructions with other instructions that preserve their
1494 semantics.</p>
1495
1496 <p>There are many ways in which PHI instructions can safely be removed
1497 from the target code. The most traditional PHI deconstruction
1498 algorithm replaces PHI instructions with copy instructions. That is
1499 the strategy adopted by LLVM. The SSA deconstruction algorithm is
1500 implemented in n<tt>lib/CodeGen/>PHIElimination.cpp</tt>. In order to
1501 invoke this pass, the identifier <tt>PHIEliminationID</tt> must be
1502 marked as required in the code of the register allocator.</p>
1503
1504 </div>
1505
1506 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1507 <div class="doc_subsubsection">
1508   <a name="regAlloc_fold">Instruction folding</a>
1509 </div>
1510
1511 <div class="doc_text">
1512
1513 <p><i>Instruction folding</i> is an optimization performed during
1514 register allocation that removes unnecessary copy instructions. For
1515 instance, a sequence of instructions such as:</p>
1516
1517 <div class="doc_code">
1518 <pre>
1519 %EBX = LOAD %mem_address
1520 %EAX = COPY %EBX
1521 </pre>
1522 </div>
1523
1524 <p>can be safely substituted by the single instruction:
1525
1526 <div class="doc_code">
1527 <pre>
1528 %EAX = LOAD %mem_address
1529 </pre>
1530 </div>
1531
1532 <p>Instructions can be folded with the
1533 <tt>MRegisterInfo::foldMemoryOperand(...)</tt> method. Care must be
1534 taken when folding instructions; a folded instruction can be quite
1535 different from the original instruction. See
1536 <tt>LiveIntervals::addIntervalsForSpills</tt> in
1537 <tt>lib/CodeGen/LiveIntervalAnalysis.cpp</tt> for an example of its use.</p>
1538
1539 </div>
1540
1541 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1542
1543 <div class="doc_subsubsection">
1544   <a name="regAlloc_builtIn">Built in register allocators</a>
1545 </div>
1546
1547 <div class="doc_text">
1548
1549 <p>The LLVM infrastructure provides the application developer with
1550 three different register allocators:</p>
1551
1552 <ul>
1553   <li><i>Simple</i> - This is a very simple implementation that does
1554       not keep values in registers across instructions. This register
1555       allocator immediately spills every value right after it is
1556       computed, and reloads all used operands from memory to temporary
1557       registers before each instruction.</li>
1558   <li><i>Local</i> - This register allocator is an improvement on the
1559       <i>Simple</i> implementation. It allocates registers on a basic
1560       block level, attempting to keep values in registers and reusing
1561       registers as appropriate.</li>
1562   <li><i>Linear Scan</i> - <i>The default allocator</i>. This is the
1563       well-know linear scan register allocator. Whereas the
1564       <i>Simple</i> and <i>Local</i> algorithms use a direct mapping
1565       implementation technique, the <i>Linear Scan</i> implementation
1566       uses a spiller in order to place load and stores.</li>
1567 </ul>
1568
1569 <p>The type of register allocator used in <tt>llc</tt> can be chosen with the
1570 command line option <tt>-regalloc=...</tt>:</p>
1571
1572 <div class="doc_code">
1573 <pre>
1574 $ llc -f -regalloc=simple file.bc -o sp.s;
1575 $ llc -f -regalloc=local file.bc -o lc.s;
1576 $ llc -f -regalloc=linearscan file.bc -o ln.s;
1577 </pre>
1578 </div>
1579
1580 </div>
1581
1582 <!-- ======================================================================= -->
1583 <div class="doc_subsection">
1584   <a name="proepicode">Prolog/Epilog Code Insertion</a>
1585 </div>
1586 <div class="doc_text"><p>To Be Written</p></div>
1587 <!-- ======================================================================= -->
1588 <div class="doc_subsection">
1589   <a name="latemco">Late Machine Code Optimizations</a>
1590 </div>
1591 <div class="doc_text"><p>To Be Written</p></div>
1592 <!-- ======================================================================= -->
1593 <div class="doc_subsection">
1594   <a name="codeemit">Code Emission</a>
1595 </div>
1596 <div class="doc_text"><p>To Be Written</p></div>
1597 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1598 <div class="doc_subsubsection">
1599   <a name="codeemit_asm">Generating Assembly Code</a>
1600 </div>
1601 <div class="doc_text"><p>To Be Written</p></div>
1602 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1603 <div class="doc_subsubsection">
1604   <a name="codeemit_bin">Generating Binary Machine Code</a>
1605 </div>
1606
1607 <div class="doc_text">
1608    <p>For the JIT or <tt>.o</tt> file writer</p>
1609 </div>
1610
1611
1612 <!-- *********************************************************************** -->
1613 <div class="doc_section">
1614   <a name="targetimpls">Target-specific Implementation Notes</a>
1615 </div>
1616 <!-- *********************************************************************** -->
1617
1618 <div class="doc_text">
1619
1620 <p>This section of the document explains features or design decisions that
1621 are specific to the code generator for a particular target.</p>
1622
1623 </div>
1624
1625
1626 <!-- ======================================================================= -->
1627 <div class="doc_subsection">
1628   <a name="x86">The X86 backend</a>
1629 </div>
1630
1631 <div class="doc_text">
1632
1633 <p>The X86 code generator lives in the <tt>lib/Target/X86</tt> directory.  This
1634 code generator is capable of targeting a variety of x86-32 and x86-64
1635 processors, and includes support for ISA extensions such as MMX and SSE.
1636 </p>
1637
1638 </div>
1639
1640 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1641 <div class="doc_subsubsection">
1642   <a name="x86_tt">X86 Target Triples Supported</a>
1643 </div>
1644
1645 <div class="doc_text">
1646
1647 <p>The following are the known target triples that are supported by the X86
1648 backend.  This is not an exhaustive list, and it would be useful to add those
1649 that people test.</p>
1650
1651 <ul>
1652 <li><b>i686-pc-linux-gnu</b> - Linux</li>
1653 <li><b>i386-unknown-freebsd5.3</b> - FreeBSD 5.3</li>
1654 <li><b>i686-pc-cygwin</b> - Cygwin on Win32</li>
1655 <li><b>i686-pc-mingw32</b> - MingW on Win32</li>
1656 <li><b>i386-pc-mingw32msvc</b> - MingW crosscompiler on Linux</li>
1657 <li><b>i686-apple-darwin*</b> - Apple Darwin on X86</li>
1658 </ul>
1659
1660 </div>
1661
1662 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1663 <div class="doc_subsubsection">
1664   <a name="x86_cc">X86 Calling Conventions supported</a>
1665 </div>
1666
1667
1668 <div class="doc_text">
1669
1670 <p>The folowing target-specific calling conventions are known to backend:</p>
1671
1672 <ul>
1673 <li><b>x86_StdCall</b> - stdcall calling convention seen on Microsoft Windows
1674 platform (CC ID = 64).</li>
1675 <li><b>x86_FastCall</b> - fastcall calling convention seen on Microsoft Windows
1676 platform (CC ID = 65).</li>
1677 </ul>
1678
1679 </div>
1680
1681 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1682 <div class="doc_subsubsection">
1683   <a name="x86_memory">Representing X86 addressing modes in MachineInstrs</a>
1684 </div>
1685
1686 <div class="doc_text">
1687
1688 <p>The x86 has a very flexible way of accessing memory.  It is capable of
1689 forming memory addresses of the following expression directly in integer
1690 instructions (which use ModR/M addressing):</p>
1691
1692 <div class="doc_code">
1693 <pre>
1694 Base + [1,2,4,8] * IndexReg + Disp32
1695 </pre>
1696 </div>
1697
1698 <p>In order to represent this, LLVM tracks no less than 4 operands for each
1699 memory operand of this form.  This means that the "load" form of '<tt>mov</tt>'
1700 has the following <tt>MachineOperand</tt>s in this order:</p>
1701
1702 <pre>
1703 Index:        0     |    1        2       3           4
1704 Meaning:   DestReg, | BaseReg,  Scale, IndexReg, Displacement
1705 OperandTy: VirtReg, | VirtReg, UnsImm, VirtReg,   SignExtImm
1706 </pre>
1707
1708 <p>Stores, and all other instructions, treat the four memory operands in the
1709 same way and in the same order.</p>
1710
1711 </div>
1712
1713 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1714 <div class="doc_subsubsection">
1715   <a name="x86_names">Instruction naming</a>
1716 </div>
1717
1718 <div class="doc_text">
1719
1720 <p>An instruction name consists of the base name, a default operand size, and a
1721 a character per operand with an optional special size. For example:</p>
1722
1723 <p>
1724 <tt>ADD8rr</tt> -&gt; add, 8-bit register, 8-bit register<br>
1725 <tt>IMUL16rmi</tt> -&gt; imul, 16-bit register, 16-bit memory, 16-bit immediate<br>
1726 <tt>IMUL16rmi8</tt> -&gt; imul, 16-bit register, 16-bit memory, 8-bit immediate<br>
1727 <tt>MOVSX32rm16</tt> -&gt; movsx, 32-bit register, 16-bit memory
1728 </p>
1729
1730 </div>
1731
1732 <!-- ======================================================================= -->
1733 <div class="doc_subsection">
1734   <a name="ppc">The PowerPC backend</a>
1735 </div>
1736
1737 <div class="doc_text">
1738 <p>The PowerPC code generator lives in the lib/Target/PowerPC directory.  The
1739 code generation is retargetable to several variations or <i>subtargets</i> of
1740 the PowerPC ISA; including ppc32, ppc64 and altivec.
1741 </p>
1742 </div>
1743
1744 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1745 <div class="doc_subsubsection">
1746   <a name="ppc_abi">LLVM PowerPC ABI</a>
1747 </div>
1748
1749 <div class="doc_text">
1750 <p>LLVM follows the AIX PowerPC ABI, with two deviations. LLVM uses a PC
1751 relative (PIC) or static addressing for accessing global values, so no TOC (r2)
1752 is used. Second, r31 is used as a frame pointer to allow dynamic growth of a
1753 stack frame.  LLVM takes advantage of having no TOC to provide space to save
1754 the frame pointer in the PowerPC linkage area of the caller frame.  Other
1755 details of PowerPC ABI can be found at <a href=
1756 "http://developer.apple.com/documentation/DeveloperTools/Conceptual/LowLevelABI/Articles/32bitPowerPC.html"
1757 >PowerPC ABI.</a> Note: This link describes the 32 bit ABI.  The
1758 64 bit ABI is similar except space for GPRs are 8 bytes wide (not 4) and r13 is
1759 reserved for system use.</p>
1760 </div>
1761
1762 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1763 <div class="doc_subsubsection">
1764   <a name="ppc_frame">Frame Layout</a>
1765 </div>
1766
1767 <div class="doc_text">
1768 <p>The size of a PowerPC frame is usually fixed for the duration of a
1769 function&rsquo;s invocation.  Since the frame is fixed size, all references into
1770 the frame can be accessed via fixed offsets from the stack pointer.  The
1771 exception to this is when dynamic alloca or variable sized arrays are present,
1772 then a base pointer (r31) is used as a proxy for the stack pointer and stack
1773 pointer is free to grow or shrink.  A base pointer is also used if llvm-gcc is
1774 not passed the -fomit-frame-pointer flag. The stack pointer is always aligned to
1775 16 bytes, so that space allocated for altivec vectors will be properly
1776 aligned.</p>
1777 <p>An invocation frame is layed out as follows (low memory at top);</p>
1778 </div>
1779
1780 <div class="doc_text">
1781 <table class="layout">
1782         <tr>
1783                 <td>Linkage<br><br></td>
1784         </tr>
1785         <tr>
1786                 <td>Parameter area<br><br></td>
1787         </tr>
1788         <tr>
1789                 <td>Dynamic area<br><br></td>
1790         </tr>
1791         <tr>
1792                 <td>Locals area<br><br></td>
1793         </tr>
1794         <tr>
1795                 <td>Saved registers area<br><br></td>
1796         </tr>
1797         <tr style="border-style: none hidden none hidden;">
1798                 <td><br></td>
1799         </tr>
1800         <tr>
1801                 <td>Previous Frame<br><br></td>
1802         </tr>
1803 </table>
1804 </div>
1805
1806 <div class="doc_text">
1807 <p>The <i>linkage</i> area is used by a callee to save special registers prior
1808 to allocating its own frame.  Only three entries are relevant to LLVM. The
1809 first entry is the previous stack pointer (sp), aka link.  This allows probing
1810 tools like gdb or exception handlers to quickly scan the frames in the stack.  A
1811 function epilog can also use the link to pop the frame from the stack.  The
1812 third entry in the linkage area is used to save the return address from the lr
1813 register. Finally, as mentioned above, the last entry is used to save the
1814 previous frame pointer (r31.)  The entries in the linkage area are the size of a
1815 GPR, thus the linkage area is 24 bytes long in 32 bit mode and 48 bytes in 64
1816 bit mode.</p>
1817 </div>
1818
1819 <div class="doc_text">
1820 <p>32 bit linkage area</p>
1821 <table class="layout">
1822         <tr>
1823                 <td>0</td>
1824                 <td>Saved SP (r1)</td>
1825         </tr>
1826         <tr>
1827                 <td>4</td>
1828                 <td>Saved CR</td>
1829         </tr>
1830         <tr>
1831                 <td>8</td>
1832                 <td>Saved LR</td>
1833         </tr>
1834         <tr>
1835                 <td>12</td>
1836                 <td>Reserved</td>
1837         </tr>
1838         <tr>
1839                 <td>16</td>
1840                 <td>Reserved</td>
1841         </tr>
1842         <tr>
1843                 <td>20</td>
1844                 <td>Saved FP (r31)</td>
1845         </tr>
1846 </table>
1847 </div>
1848
1849 <div class="doc_text">
1850 <p>64 bit linkage area</p>
1851 <table class="layout">
1852         <tr>
1853                 <td>0</td>
1854                 <td>Saved SP (r1)</td>
1855         </tr>
1856         <tr>
1857                 <td>8</td>
1858                 <td>Saved CR</td>
1859         </tr>
1860         <tr>
1861                 <td>16</td>
1862                 <td>Saved LR</td>
1863         </tr>
1864         <tr>
1865                 <td>24</td>
1866                 <td>Reserved</td>
1867         </tr>
1868         <tr>
1869                 <td>32</td>
1870                 <td>Reserved</td>
1871         </tr>
1872         <tr>
1873                 <td>40</td>
1874                 <td>Saved FP (r31)</td>
1875         </tr>
1876 </table>
1877 </div>
1878
1879 <div class="doc_text">
1880 <p>The <i>parameter area</i> is used to store arguments being passed to a callee
1881 function.  Following the PowerPC ABI, the first few arguments are actually
1882 passed in registers, with the space in the parameter area unused.  However, if
1883 there are not enough registers or the callee is a thunk or vararg function,
1884 these register arguments can be spilled into the parameter area.  Thus, the
1885 parameter area must be large enough to store all the parameters for the largest
1886 call sequence made by the caller.  The size must also be mimimally large enough
1887 to spill registers r3-r10.  This allows callees blind to the call signature,
1888 such as thunks and vararg functions, enough space to cache the argument
1889 registers.  Therefore, the parameter area is minimally 32 bytes (64 bytes in 64
1890 bit mode.)  Also note that since the parameter area is a fixed offset from the
1891 top of the frame, that a callee can access its spilt arguments using fixed
1892 offsets from the stack pointer (or base pointer.)</p>
1893 </div>
1894
1895 <div class="doc_text">
1896 <p>Combining the information about the linkage, parameter areas and alignment. A
1897 stack frame is minimally 64 bytes in 32 bit mode and 128 bytes in 64 bit
1898 mode.</p>
1899 </div>
1900
1901 <div class="doc_text">
1902 <p>The <i>dynamic area</i> starts out as size zero.  If a function uses dynamic
1903 alloca then space is added to the stack, the linkage and parameter areas are
1904 shifted to top of stack, and the new space is available immediately below the
1905 linkage and parameter areas.  The cost of shifting the linkage and parameter
1906 areas is minor since only the link value needs to be copied.  The link value can
1907 be easily fetched by adding the original frame size to the base pointer.  Note
1908 that allocations in the dynamic space need to observe 16 byte aligment.</p>
1909 </div>
1910
1911 <div class="doc_text">
1912 <p>The <i>locals area</i> is where the llvm compiler reserves space for local
1913 variables.</p>
1914 </div>
1915
1916 <div class="doc_text">
1917 <p>The <i>saved registers area</i> is where the llvm compiler spills callee saved
1918 registers on entry to the callee.</p>
1919 </div>
1920
1921 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1922 <div class="doc_subsubsection">
1923   <a name="ppc_prolog">Prolog/Epilog</a>
1924 </div>
1925
1926 <div class="doc_text">
1927 <p>The llvm prolog and epilog are the same as described in the PowerPC ABI, with
1928 the following exceptions.  Callee saved registers are spilled after the frame is
1929 created.  This allows the llvm epilog/prolog support to be common with other
1930 targets.  The base pointer callee saved register r31 is saved in the TOC slot of
1931 linkage area.  This simplifies allocation of space for the base pointer and
1932 makes it convenient to locate programatically and during debugging.</p>
1933 </div>
1934
1935 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1936 <div class="doc_subsubsection">
1937   <a name="ppc_dynamic">Dynamic Allocation</a>
1938 </div>
1939
1940 <div class="doc_text">
1941 <p></p>
1942 </div>
1943
1944 <div class="doc_text">
1945 <p><i>TODO - More to come.</i></p>
1946 </div>
1947
1948
1949 <!-- *********************************************************************** -->
1950 <hr>
1951 <address>
1952   <a href="http://jigsaw.w3.org/css-validator/check/referer"><img
1953   src="http://jigsaw.w3.org/css-validator/images/vcss" alt="Valid CSS!"></a>
1954   <a href="http://validator.w3.org/check/referer"><img
1955   src="http://www.w3.org/Icons/valid-html401" alt="Valid HTML 4.01!" /></a>
1956
1957   <a href="mailto:sabre@nondot.org">Chris Lattner</a><br>
1958   <a href="http://llvm.org">The LLVM Compiler Infrastructure</a><br>
1959   Last modified: $Date$
1960 </address>
1961
1962 </body>
1963 </html>