ce23667eb3e31a1acf23c9a41598140eed35f5c7
[oota-llvm.git] / docs / CodeGenerator.rst
1 .. _code_generator:
2
3 ==========================================
4 The LLVM Target-Independent Code Generator
5 ==========================================
6
7 .. role:: raw-html(raw)
8    :format: html
9
10 .. raw:: html
11
12   <style>
13     .unknown { background-color: #C0C0C0; text-align: center; }
14     .unknown:before { content: "?" }
15     .no { background-color: #C11B17 }
16     .no:before { content: "N" }
17     .partial { background-color: #F88017 }
18     .yes { background-color: #0F0; }
19     .yes:before { content: "Y" }
20   </style>
21
22 .. contents::
23    :local:
24
25 .. warning::
26   This is a work in progress.
27
28 Introduction
29 ============
30
31 The LLVM target-independent code generator is a framework that provides a suite
32 of reusable components for translating the LLVM internal representation to the
33 machine code for a specified target---either in assembly form (suitable for a
34 static compiler) or in binary machine code format (usable for a JIT
35 compiler). The LLVM target-independent code generator consists of six main
36 components:
37
38 1. `Abstract target description`_ interfaces which capture important properties
39    about various aspects of the machine, independently of how they will be used.
40    These interfaces are defined in ``include/llvm/Target/``.
41
42 2. Classes used to represent the `code being generated`_ for a target.  These
43    classes are intended to be abstract enough to represent the machine code for
44    *any* target machine.  These classes are defined in
45    ``include/llvm/CodeGen/``. At this level, concepts like "constant pool
46    entries" and "jump tables" are explicitly exposed.
47
48 3. Classes and algorithms used to represent code as the object file level, the
49    `MC Layer`_.  These classes represent assembly level constructs like labels,
50    sections, and instructions.  At this level, concepts like "constant pool
51    entries" and "jump tables" don't exist.
52
53 4. `Target-independent algorithms`_ used to implement various phases of native
54    code generation (register allocation, scheduling, stack frame representation,
55    etc).  This code lives in ``lib/CodeGen/``.
56
57 5. `Implementations of the abstract target description interfaces`_ for
58    particular targets.  These machine descriptions make use of the components
59    provided by LLVM, and can optionally provide custom target-specific passes,
60    to build complete code generators for a specific target.  Target descriptions
61    live in ``lib/Target/``.
62
63 6. The target-independent JIT components.  The LLVM JIT is completely target
64    independent (it uses the ``TargetJITInfo`` structure to interface for
65    target-specific issues.  The code for the target-independent JIT lives in
66    ``lib/ExecutionEngine/JIT``.
67
68 Depending on which part of the code generator you are interested in working on,
69 different pieces of this will be useful to you.  In any case, you should be
70 familiar with the `target description`_ and `machine code representation`_
71 classes.  If you want to add a backend for a new target, you will need to
72 `implement the target description`_ classes for your new target and understand
73 the `LLVM code representation <LangRef.html>`_.  If you are interested in
74 implementing a new `code generation algorithm`_, it should only depend on the
75 target-description and machine code representation classes, ensuring that it is
76 portable.
77
78 Required components in the code generator
79 -----------------------------------------
80
81 The two pieces of the LLVM code generator are the high-level interface to the
82 code generator and the set of reusable components that can be used to build
83 target-specific backends.  The two most important interfaces (:raw-html:`<tt>`
84 `TargetMachine`_ :raw-html:`</tt>` and :raw-html:`<tt>` `DataLayout`_
85 :raw-html:`</tt>`) are the only ones that are required to be defined for a
86 backend to fit into the LLVM system, but the others must be defined if the
87 reusable code generator components are going to be used.
88
89 This design has two important implications.  The first is that LLVM can support
90 completely non-traditional code generation targets.  For example, the C backend
91 does not require register allocation, instruction selection, or any of the other
92 standard components provided by the system.  As such, it only implements these
93 two interfaces, and does its own thing. Note that C backend was removed from the
94 trunk since LLVM 3.1 release. Another example of a code generator like this is a
95 (purely hypothetical) backend that converts LLVM to the GCC RTL form and uses
96 GCC to emit machine code for a target.
97
98 This design also implies that it is possible to design and implement radically
99 different code generators in the LLVM system that do not make use of any of the
100 built-in components.  Doing so is not recommended at all, but could be required
101 for radically different targets that do not fit into the LLVM machine
102 description model: FPGAs for example.
103
104 .. _high-level design of the code generator:
105
106 The high-level design of the code generator
107 -------------------------------------------
108
109 The LLVM target-independent code generator is designed to support efficient and
110 quality code generation for standard register-based microprocessors.  Code
111 generation in this model is divided into the following stages:
112
113 1. `Instruction Selection`_ --- This phase determines an efficient way to
114    express the input LLVM code in the target instruction set.  This stage
115    produces the initial code for the program in the target instruction set, then
116    makes use of virtual registers in SSA form and physical registers that
117    represent any required register assignments due to target constraints or
118    calling conventions.  This step turns the LLVM code into a DAG of target
119    instructions.
120
121 2. `Scheduling and Formation`_ --- This phase takes the DAG of target
122    instructions produced by the instruction selection phase, determines an
123    ordering of the instructions, then emits the instructions as :raw-html:`<tt>`
124    `MachineInstr`_\s :raw-html:`</tt>` with that ordering.  Note that we
125    describe this in the `instruction selection section`_ because it operates on
126    a `SelectionDAG`_.
127
128 3. `SSA-based Machine Code Optimizations`_ --- This optional stage consists of a
129    series of machine-code optimizations that operate on the SSA-form produced by
130    the instruction selector.  Optimizations like modulo-scheduling or peephole
131    optimization work here.
132
133 4. `Register Allocation`_ --- The target code is transformed from an infinite
134    virtual register file in SSA form to the concrete register file used by the
135    target.  This phase introduces spill code and eliminates all virtual register
136    references from the program.
137
138 5. `Prolog/Epilog Code Insertion`_ --- Once the machine code has been generated
139    for the function and the amount of stack space required is known (used for
140    LLVM alloca's and spill slots), the prolog and epilog code for the function
141    can be inserted and "abstract stack location references" can be eliminated.
142    This stage is responsible for implementing optimizations like frame-pointer
143    elimination and stack packing.
144
145 6. `Late Machine Code Optimizations`_ --- Optimizations that operate on "final"
146    machine code can go here, such as spill code scheduling and peephole
147    optimizations.
148
149 7. `Code Emission`_ --- The final stage actually puts out the code for the
150    current function, either in the target assembler format or in machine
151    code.
152
153 The code generator is based on the assumption that the instruction selector will
154 use an optimal pattern matching selector to create high-quality sequences of
155 native instructions.  Alternative code generator designs based on pattern
156 expansion and aggressive iterative peephole optimization are much slower.  This
157 design permits efficient compilation (important for JIT environments) and
158 aggressive optimization (used when generating code offline) by allowing
159 components of varying levels of sophistication to be used for any step of
160 compilation.
161
162 In addition to these stages, target implementations can insert arbitrary
163 target-specific passes into the flow.  For example, the X86 target uses a
164 special pass to handle the 80x87 floating point stack architecture.  Other
165 targets with unusual requirements can be supported with custom passes as needed.
166
167 Using TableGen for target description
168 -------------------------------------
169
170 The target description classes require a detailed description of the target
171 architecture.  These target descriptions often have a large amount of common
172 information (e.g., an ``add`` instruction is almost identical to a ``sub``
173 instruction).  In order to allow the maximum amount of commonality to be
174 factored out, the LLVM code generator uses the
175 :doc:`TableGen <TableGenFundamentals>` tool to describe big chunks of the
176 target machine, which allows the use of domain-specific and target-specific
177 abstractions to reduce the amount of repetition.
178
179 As LLVM continues to be developed and refined, we plan to move more and more of
180 the target description to the ``.td`` form.  Doing so gives us a number of
181 advantages.  The most important is that it makes it easier to port LLVM because
182 it reduces the amount of C++ code that has to be written, and the surface area
183 of the code generator that needs to be understood before someone can get
184 something working.  Second, it makes it easier to change things. In particular,
185 if tables and other things are all emitted by ``tblgen``, we only need a change
186 in one place (``tblgen``) to update all of the targets to a new interface.
187
188 .. _Abstract target description:
189 .. _target description:
190
191 Target description classes
192 ==========================
193
194 The LLVM target description classes (located in the ``include/llvm/Target``
195 directory) provide an abstract description of the target machine independent of
196 any particular client.  These classes are designed to capture the *abstract*
197 properties of the target (such as the instructions and registers it has), and do
198 not incorporate any particular pieces of code generation algorithms.
199
200 All of the target description classes (except the :raw-html:`<tt>` `DataLayout`_
201 :raw-html:`</tt>` class) are designed to be subclassed by the concrete target
202 implementation, and have virtual methods implemented.  To get to these
203 implementations, the :raw-html:`<tt>` `TargetMachine`_ :raw-html:`</tt>` class
204 provides accessors that should be implemented by the target.
205
206 .. _TargetMachine:
207
208 The ``TargetMachine`` class
209 ---------------------------
210
211 The ``TargetMachine`` class provides virtual methods that are used to access the
212 target-specific implementations of the various target description classes via
213 the ``get*Info`` methods (``getInstrInfo``, ``getRegisterInfo``,
214 ``getFrameInfo``, etc.).  This class is designed to be specialized by a concrete
215 target implementation (e.g., ``X86TargetMachine``) which implements the various
216 virtual methods.  The only required target description class is the
217 :raw-html:`<tt>` `DataLayout`_ :raw-html:`</tt>` class, but if the code
218 generator components are to be used, the other interfaces should be implemented
219 as well.
220
221 .. _DataLayout:
222
223 The ``DataLayout`` class
224 ------------------------
225
226 The ``DataLayout`` class is the only required target description class, and it
227 is the only class that is not extensible (you cannot derive a new class from
228 it).  ``DataLayout`` specifies information about how the target lays out memory
229 for structures, the alignment requirements for various data types, the size of
230 pointers in the target, and whether the target is little-endian or
231 big-endian.
232
233 .. _TargetLowering:
234
235 The ``TargetLowering`` class
236 ----------------------------
237
238 The ``TargetLowering`` class is used by SelectionDAG based instruction selectors
239 primarily to describe how LLVM code should be lowered to SelectionDAG
240 operations.  Among other things, this class indicates:
241
242 * an initial register class to use for various ``ValueType``\s,
243
244 * which operations are natively supported by the target machine,
245
246 * the return type of ``setcc`` operations,
247
248 * the type to use for shift amounts, and
249
250 * various high-level characteristics, like whether it is profitable to turn
251   division by a constant into a multiplication sequence.
252
253 .. _TargetRegisterInfo:
254
255 The ``TargetRegisterInfo`` class
256 --------------------------------
257
258 The ``TargetRegisterInfo`` class is used to describe the register file of the
259 target and any interactions between the registers.
260
261 Registers are represented in the code generator by unsigned integers.  Physical
262 registers (those that actually exist in the target description) are unique
263 small numbers, and virtual registers are generally large.  Note that
264 register ``#0`` is reserved as a flag value.
265
266 Each register in the processor description has an associated
267 ``TargetRegisterDesc`` entry, which provides a textual name for the register
268 (used for assembly output and debugging dumps) and a set of aliases (used to
269 indicate whether one register overlaps with another).
270
271 In addition to the per-register description, the ``TargetRegisterInfo`` class
272 exposes a set of processor specific register classes (instances of the
273 ``TargetRegisterClass`` class).  Each register class contains sets of registers
274 that have the same properties (for example, they are all 32-bit integer
275 registers).  Each SSA virtual register created by the instruction selector has
276 an associated register class.  When the register allocator runs, it replaces
277 virtual registers with a physical register in the set.
278
279 The target-specific implementations of these classes is auto-generated from a
280 `TableGen <TableGenFundamentals.html>`_ description of the register file.
281
282 .. _TargetInstrInfo:
283
284 The ``TargetInstrInfo`` class
285 -----------------------------
286
287 The ``TargetInstrInfo`` class is used to describe the machine instructions
288 supported by the target. It is essentially an array of ``TargetInstrDescriptor``
289 objects, each of which describes one instruction the target
290 supports. Descriptors define things like the mnemonic for the opcode, the number
291 of operands, the list of implicit register uses and defs, whether the
292 instruction has certain target-independent properties (accesses memory, is
293 commutable, etc), and holds any target-specific flags.
294
295 The ``TargetFrameInfo`` class
296 -----------------------------
297
298 The ``TargetFrameInfo`` class is used to provide information about the stack
299 frame layout of the target. It holds the direction of stack growth, the known
300 stack alignment on entry to each function, and the offset to the local area.
301 The offset to the local area is the offset from the stack pointer on function
302 entry to the first location where function data (local variables, spill
303 locations) can be stored.
304
305 The ``TargetSubtarget`` class
306 -----------------------------
307
308 The ``TargetSubtarget`` class is used to provide information about the specific
309 chip set being targeted.  A sub-target informs code generation of which
310 instructions are supported, instruction latencies and instruction execution
311 itinerary; i.e., which processing units are used, in what order, and for how
312 long.
313
314 The ``TargetJITInfo`` class
315 ---------------------------
316
317 The ``TargetJITInfo`` class exposes an abstract interface used by the
318 Just-In-Time code generator to perform target-specific activities, such as
319 emitting stubs.  If a ``TargetMachine`` supports JIT code generation, it should
320 provide one of these objects through the ``getJITInfo`` method.
321
322 .. _code being generated:
323 .. _machine code representation:
324
325 Machine code description classes
326 ================================
327
328 At the high-level, LLVM code is translated to a machine specific representation
329 formed out of :raw-html:`<tt>` `MachineFunction`_ :raw-html:`</tt>`,
330 :raw-html:`<tt>` `MachineBasicBlock`_ :raw-html:`</tt>`, and :raw-html:`<tt>`
331 `MachineInstr`_ :raw-html:`</tt>` instances (defined in
332 ``include/llvm/CodeGen``).  This representation is completely target agnostic,
333 representing instructions in their most abstract form: an opcode and a series of
334 operands.  This representation is designed to support both an SSA representation
335 for machine code, as well as a register allocated, non-SSA form.
336
337 .. _MachineInstr:
338
339 The ``MachineInstr`` class
340 --------------------------
341
342 Target machine instructions are represented as instances of the ``MachineInstr``
343 class.  This class is an extremely abstract way of representing machine
344 instructions.  In particular, it only keeps track of an opcode number and a set
345 of operands.
346
347 The opcode number is a simple unsigned integer that only has meaning to a
348 specific backend.  All of the instructions for a target should be defined in the
349 ``*InstrInfo.td`` file for the target. The opcode enum values are auto-generated
350 from this description.  The ``MachineInstr`` class does not have any information
351 about how to interpret the instruction (i.e., what the semantics of the
352 instruction are); for that you must refer to the :raw-html:`<tt>`
353 `TargetInstrInfo`_ :raw-html:`</tt>` class.
354
355 The operands of a machine instruction can be of several different types: a
356 register reference, a constant integer, a basic block reference, etc.  In
357 addition, a machine operand should be marked as a def or a use of the value
358 (though only registers are allowed to be defs).
359
360 By convention, the LLVM code generator orders instruction operands so that all
361 register definitions come before the register uses, even on architectures that
362 are normally printed in other orders.  For example, the SPARC add instruction:
363 "``add %i1, %i2, %i3``" adds the "%i1", and "%i2" registers and stores the
364 result into the "%i3" register.  In the LLVM code generator, the operands should
365 be stored as "``%i3, %i1, %i2``": with the destination first.
366
367 Keeping destination (definition) operands at the beginning of the operand list
368 has several advantages.  In particular, the debugging printer will print the
369 instruction like this:
370
371 .. code-block:: llvm
372
373   %r3 = add %i1, %i2
374
375 Also if the first operand is a def, it is easier to `create instructions`_ whose
376 only def is the first operand.
377
378 .. _create instructions:
379
380 Using the ``MachineInstrBuilder.h`` functions
381 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
382
383 Machine instructions are created by using the ``BuildMI`` functions, located in
384 the ``include/llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h`` file.  The ``BuildMI``
385 functions make it easy to build arbitrary machine instructions.  Usage of the
386 ``BuildMI`` functions look like this:
387
388 .. code-block:: c++
389
390   // Create a 'DestReg = mov 42' (rendered in X86 assembly as 'mov DestReg, 42')
391   // instruction.  The '1' specifies how many operands will be added.
392   MachineInstr *MI = BuildMI(X86::MOV32ri, 1, DestReg).addImm(42);
393
394   // Create the same instr, but insert it at the end of a basic block.
395   MachineBasicBlock &MBB = ...
396   BuildMI(MBB, X86::MOV32ri, 1, DestReg).addImm(42);
397
398   // Create the same instr, but insert it before a specified iterator point.
399   MachineBasicBlock::iterator MBBI = ...
400   BuildMI(MBB, MBBI, X86::MOV32ri, 1, DestReg).addImm(42);
401
402   // Create a 'cmp Reg, 0' instruction, no destination reg.
403   MI = BuildMI(X86::CMP32ri, 2).addReg(Reg).addImm(0);
404
405   // Create an 'sahf' instruction which takes no operands and stores nothing.
406   MI = BuildMI(X86::SAHF, 0);
407
408   // Create a self looping branch instruction.
409   BuildMI(MBB, X86::JNE, 1).addMBB(&MBB);
410
411 The key thing to remember with the ``BuildMI`` functions is that you have to
412 specify the number of operands that the machine instruction will take.  This
413 allows for efficient memory allocation.  You also need to specify if operands
414 default to be uses of values, not definitions.  If you need to add a definition
415 operand (other than the optional destination register), you must explicitly mark
416 it as such:
417
418 .. code-block:: c++
419
420   MI.addReg(Reg, RegState::Define);
421
422 Fixed (preassigned) registers
423 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
424
425 One important issue that the code generator needs to be aware of is the presence
426 of fixed registers.  In particular, there are often places in the instruction
427 stream where the register allocator *must* arrange for a particular value to be
428 in a particular register.  This can occur due to limitations of the instruction
429 set (e.g., the X86 can only do a 32-bit divide with the ``EAX``/``EDX``
430 registers), or external factors like calling conventions.  In any case, the
431 instruction selector should emit code that copies a virtual register into or out
432 of a physical register when needed.
433
434 For example, consider this simple LLVM example:
435
436 .. code-block:: llvm
437
438   define i32 @test(i32 %X, i32 %Y) {
439     %Z = udiv i32 %X, %Y
440     ret i32 %Z
441   }
442
443 The X86 instruction selector produces this machine code for the ``div`` and
444 ``ret`` (use "``llc X.bc -march=x86 -print-machineinstrs``" to get this):
445
446 .. code-block:: llvm
447
448   ;; Start of div
449   %EAX = mov %reg1024           ;; Copy X (in reg1024) into EAX
450   %reg1027 = sar %reg1024, 31
451   %EDX = mov %reg1027           ;; Sign extend X into EDX
452   idiv %reg1025                 ;; Divide by Y (in reg1025)
453   %reg1026 = mov %EAX           ;; Read the result (Z) out of EAX
454
455   ;; Start of ret
456   %EAX = mov %reg1026           ;; 32-bit return value goes in EAX
457   ret
458
459 By the end of code generation, the register allocator has coalesced the
460 registers and deleted the resultant identity moves producing the following
461 code:
462
463 .. code-block:: llvm
464
465   ;; X is in EAX, Y is in ECX
466   mov %EAX, %EDX
467   sar %EDX, 31
468   idiv %ECX
469   ret 
470
471 This approach is extremely general (if it can handle the X86 architecture, it
472 can handle anything!) and allows all of the target specific knowledge about the
473 instruction stream to be isolated in the instruction selector.  Note that
474 physical registers should have a short lifetime for good code generation, and
475 all physical registers are assumed dead on entry to and exit from basic blocks
476 (before register allocation).  Thus, if you need a value to be live across basic
477 block boundaries, it *must* live in a virtual register.
478
479 Call-clobbered registers
480 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
481
482 Some machine instructions, like calls, clobber a large number of physical
483 registers.  Rather than adding ``<def,dead>`` operands for all of them, it is
484 possible to use an ``MO_RegisterMask`` operand instead.  The register mask
485 operand holds a bit mask of preserved registers, and everything else is
486 considered to be clobbered by the instruction.
487
488 Machine code in SSA form
489 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
490
491 ``MachineInstr``'s are initially selected in SSA-form, and are maintained in
492 SSA-form until register allocation happens.  For the most part, this is
493 trivially simple since LLVM is already in SSA form; LLVM PHI nodes become
494 machine code PHI nodes, and virtual registers are only allowed to have a single
495 definition.
496
497 After register allocation, machine code is no longer in SSA-form because there
498 are no virtual registers left in the code.
499
500 .. _MachineBasicBlock:
501
502 The ``MachineBasicBlock`` class
503 -------------------------------
504
505 The ``MachineBasicBlock`` class contains a list of machine instructions
506 (:raw-html:`<tt>` `MachineInstr`_ :raw-html:`</tt>` instances).  It roughly
507 corresponds to the LLVM code input to the instruction selector, but there can be
508 a one-to-many mapping (i.e. one LLVM basic block can map to multiple machine
509 basic blocks). The ``MachineBasicBlock`` class has a "``getBasicBlock``" method,
510 which returns the LLVM basic block that it comes from.
511
512 .. _MachineFunction:
513
514 The ``MachineFunction`` class
515 -----------------------------
516
517 The ``MachineFunction`` class contains a list of machine basic blocks
518 (:raw-html:`<tt>` `MachineBasicBlock`_ :raw-html:`</tt>` instances).  It
519 corresponds one-to-one with the LLVM function input to the instruction selector.
520 In addition to a list of basic blocks, the ``MachineFunction`` contains a a
521 ``MachineConstantPool``, a ``MachineFrameInfo``, a ``MachineFunctionInfo``, and
522 a ``MachineRegisterInfo``.  See ``include/llvm/CodeGen/MachineFunction.h`` for
523 more information.
524
525 ``MachineInstr Bundles``
526 ------------------------
527
528 LLVM code generator can model sequences of instructions as MachineInstr
529 bundles. A MI bundle can model a VLIW group / pack which contains an arbitrary
530 number of parallel instructions. It can also be used to model a sequential list
531 of instructions (potentially with data dependencies) that cannot be legally
532 separated (e.g. ARM Thumb2 IT blocks).
533
534 Conceptually a MI bundle is a MI with a number of other MIs nested within:
535
536 ::
537
538   --------------
539   |   Bundle   | ---------
540   --------------          \
541          |           ----------------
542          |           |      MI      |
543          |           ----------------
544          |                   |
545          |           ----------------
546          |           |      MI      |
547          |           ----------------
548          |                   |
549          |           ----------------
550          |           |      MI      |
551          |           ----------------
552          |
553   --------------
554   |   Bundle   | --------
555   --------------         \
556          |           ----------------
557          |           |      MI      |
558          |           ----------------
559          |                   |
560          |           ----------------
561          |           |      MI      |
562          |           ----------------
563          |                   |
564          |                  ...
565          |
566   --------------
567   |   Bundle   | --------
568   --------------         \
569          |
570         ...
571
572 MI bundle support does not change the physical representations of
573 MachineBasicBlock and MachineInstr. All the MIs (including top level and nested
574 ones) are stored as sequential list of MIs. The "bundled" MIs are marked with
575 the 'InsideBundle' flag. A top level MI with the special BUNDLE opcode is used
576 to represent the start of a bundle. It's legal to mix BUNDLE MIs with indiviual
577 MIs that are not inside bundles nor represent bundles.
578
579 MachineInstr passes should operate on a MI bundle as a single unit. Member
580 methods have been taught to correctly handle bundles and MIs inside bundles.
581 The MachineBasicBlock iterator has been modified to skip over bundled MIs to
582 enforce the bundle-as-a-single-unit concept. An alternative iterator
583 instr_iterator has been added to MachineBasicBlock to allow passes to iterate
584 over all of the MIs in a MachineBasicBlock, including those which are nested
585 inside bundles. The top level BUNDLE instruction must have the correct set of
586 register MachineOperand's that represent the cumulative inputs and outputs of
587 the bundled MIs.
588
589 Packing / bundling of MachineInstr's should be done as part of the register
590 allocation super-pass. More specifically, the pass which determines what MIs
591 should be bundled together must be done after code generator exits SSA form
592 (i.e. after two-address pass, PHI elimination, and copy coalescing).  Bundles
593 should only be finalized (i.e. adding BUNDLE MIs and input and output register
594 MachineOperands) after virtual registers have been rewritten into physical
595 registers. This requirement eliminates the need to add virtual register operands
596 to BUNDLE instructions which would effectively double the virtual register def
597 and use lists.
598
599 .. _MC Layer:
600
601 The "MC" Layer
602 ==============
603
604 The MC Layer is used to represent and process code at the raw machine code
605 level, devoid of "high level" information like "constant pools", "jump tables",
606 "global variables" or anything like that.  At this level, LLVM handles things
607 like label names, machine instructions, and sections in the object file.  The
608 code in this layer is used for a number of important purposes: the tail end of
609 the code generator uses it to write a .s or .o file, and it is also used by the
610 llvm-mc tool to implement standalone machine code assemblers and disassemblers.
611
612 This section describes some of the important classes.  There are also a number
613 of important subsystems that interact at this layer, they are described later in
614 this manual.
615
616 .. _MCStreamer:
617
618 The ``MCStreamer`` API
619 ----------------------
620
621 MCStreamer is best thought of as an assembler API.  It is an abstract API which
622 is *implemented* in different ways (e.g. to output a .s file, output an ELF .o
623 file, etc) but whose API correspond directly to what you see in a .s file.
624 MCStreamer has one method per directive, such as EmitLabel, EmitSymbolAttribute,
625 SwitchSection, EmitValue (for .byte, .word), etc, which directly correspond to
626 assembly level directives.  It also has an EmitInstruction method, which is used
627 to output an MCInst to the streamer.
628
629 This API is most important for two clients: the llvm-mc stand-alone assembler is
630 effectively a parser that parses a line, then invokes a method on MCStreamer. In
631 the code generator, the `Code Emission`_ phase of the code generator lowers
632 higher level LLVM IR and Machine* constructs down to the MC layer, emitting
633 directives through MCStreamer.
634
635 On the implementation side of MCStreamer, there are two major implementations:
636 one for writing out a .s file (MCAsmStreamer), and one for writing out a .o
637 file (MCObjectStreamer).  MCAsmStreamer is a straight-forward implementation
638 that prints out a directive for each method (e.g. ``EmitValue -> .byte``), but
639 MCObjectStreamer implements a full assembler.
640
641 The ``MCContext`` class
642 -----------------------
643
644 The MCContext class is the owner of a variety of uniqued data structures at the
645 MC layer, including symbols, sections, etc.  As such, this is the class that you
646 interact with to create symbols and sections.  This class can not be subclassed.
647
648 The ``MCSymbol`` class
649 ----------------------
650
651 The MCSymbol class represents a symbol (aka label) in the assembly file.  There
652 are two interesting kinds of symbols: assembler temporary symbols, and normal
653 symbols.  Assembler temporary symbols are used and processed by the assembler
654 but are discarded when the object file is produced.  The distinction is usually
655 represented by adding a prefix to the label, for example "L" labels are
656 assembler temporary labels in MachO.
657
658 MCSymbols are created by MCContext and uniqued there.  This means that MCSymbols
659 can be compared for pointer equivalence to find out if they are the same symbol.
660 Note that pointer inequality does not guarantee the labels will end up at
661 different addresses though.  It's perfectly legal to output something like this
662 to the .s file:
663
664 ::
665
666   foo:
667   bar:
668     .byte 4
669
670 In this case, both the foo and bar symbols will have the same address.
671
672 The ``MCSection`` class
673 -----------------------
674
675 The ``MCSection`` class represents an object-file specific section. It is
676 subclassed by object file specific implementations (e.g. ``MCSectionMachO``,
677 ``MCSectionCOFF``, ``MCSectionELF``) and these are created and uniqued by
678 MCContext.  The MCStreamer has a notion of the current section, which can be
679 changed with the SwitchToSection method (which corresponds to a ".section"
680 directive in a .s file).
681
682 .. _MCInst:
683
684 The ``MCInst`` class
685 --------------------
686
687 The ``MCInst`` class is a target-independent representation of an instruction.
688 It is a simple class (much more so than `MachineInstr`_) that holds a
689 target-specific opcode and a vector of MCOperands.  MCOperand, in turn, is a
690 simple discriminated union of three cases: 1) a simple immediate, 2) a target
691 register ID, 3) a symbolic expression (e.g. "``Lfoo-Lbar+42``") as an MCExpr.
692
693 MCInst is the common currency used to represent machine instructions at the MC
694 layer.  It is the type used by the instruction encoder, the instruction printer,
695 and the type generated by the assembly parser and disassembler.
696
697 .. _Target-independent algorithms:
698 .. _code generation algorithm:
699
700 Target-independent code generation algorithms
701 =============================================
702
703 This section documents the phases described in the `high-level design of the
704 code generator`_.  It explains how they work and some of the rationale behind
705 their design.
706
707 .. _Instruction Selection:
708 .. _instruction selection section:
709
710 Instruction Selection
711 ---------------------
712
713 Instruction Selection is the process of translating LLVM code presented to the
714 code generator into target-specific machine instructions.  There are several
715 well-known ways to do this in the literature.  LLVM uses a SelectionDAG based
716 instruction selector.
717
718 Portions of the DAG instruction selector are generated from the target
719 description (``*.td``) files.  Our goal is for the entire instruction selector
720 to be generated from these ``.td`` files, though currently there are still
721 things that require custom C++ code.
722
723 .. _SelectionDAG:
724
725 Introduction to SelectionDAGs
726 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
727
728 The SelectionDAG provides an abstraction for code representation in a way that
729 is amenable to instruction selection using automatic techniques
730 (e.g. dynamic-programming based optimal pattern matching selectors). It is also
731 well-suited to other phases of code generation; in particular, instruction
732 scheduling (SelectionDAG's are very close to scheduling DAGs post-selection).
733 Additionally, the SelectionDAG provides a host representation where a large
734 variety of very-low-level (but target-independent) `optimizations`_ may be
735 performed; ones which require extensive information about the instructions
736 efficiently supported by the target.
737
738 The SelectionDAG is a Directed-Acyclic-Graph whose nodes are instances of the
739 ``SDNode`` class.  The primary payload of the ``SDNode`` is its operation code
740 (Opcode) that indicates what operation the node performs and the operands to the
741 operation.  The various operation node types are described at the top of the
742 ``include/llvm/CodeGen/SelectionDAGNodes.h`` file.
743
744 Although most operations define a single value, each node in the graph may
745 define multiple values.  For example, a combined div/rem operation will define
746 both the dividend and the remainder. Many other situations require multiple
747 values as well.  Each node also has some number of operands, which are edges to
748 the node defining the used value.  Because nodes may define multiple values,
749 edges are represented by instances of the ``SDValue`` class, which is a
750 ``<SDNode, unsigned>`` pair, indicating the node and result value being used,
751 respectively.  Each value produced by an ``SDNode`` has an associated ``MVT``
752 (Machine Value Type) indicating what the type of the value is.
753
754 SelectionDAGs contain two different kinds of values: those that represent data
755 flow and those that represent control flow dependencies.  Data values are simple
756 edges with an integer or floating point value type.  Control edges are
757 represented as "chain" edges which are of type ``MVT::Other``.  These edges
758 provide an ordering between nodes that have side effects (such as loads, stores,
759 calls, returns, etc).  All nodes that have side effects should take a token
760 chain as input and produce a new one as output.  By convention, token chain
761 inputs are always operand #0, and chain results are always the last value
762 produced by an operation.
763
764 A SelectionDAG has designated "Entry" and "Root" nodes.  The Entry node is
765 always a marker node with an Opcode of ``ISD::EntryToken``.  The Root node is
766 the final side-effecting node in the token chain. For example, in a single basic
767 block function it would be the return node.
768
769 One important concept for SelectionDAGs is the notion of a "legal" vs.
770 "illegal" DAG.  A legal DAG for a target is one that only uses supported
771 operations and supported types.  On a 32-bit PowerPC, for example, a DAG with a
772 value of type i1, i8, i16, or i64 would be illegal, as would a DAG that uses a
773 SREM or UREM operation.  The `legalize types`_ and `legalize operations`_ phases
774 are responsible for turning an illegal DAG into a legal DAG.
775
776 .. _SelectionDAG-Process:
777
778 SelectionDAG Instruction Selection Process
779 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
780
781 SelectionDAG-based instruction selection consists of the following steps:
782
783 #. `Build initial DAG`_ --- This stage performs a simple translation from the
784    input LLVM code to an illegal SelectionDAG.
785
786 #. `Optimize SelectionDAG`_ --- This stage performs simple optimizations on the
787    SelectionDAG to simplify it, and recognize meta instructions (like rotates
788    and ``div``/``rem`` pairs) for targets that support these meta operations.
789    This makes the resultant code more efficient and the `select instructions
790    from DAG`_ phase (below) simpler.
791
792 #. `Legalize SelectionDAG Types`_ --- This stage transforms SelectionDAG nodes
793    to eliminate any types that are unsupported on the target.
794
795 #. `Optimize SelectionDAG`_ --- The SelectionDAG optimizer is run to clean up
796    redundancies exposed by type legalization.
797
798 #. `Legalize SelectionDAG Ops`_ --- This stage transforms SelectionDAG nodes to
799    eliminate any operations that are unsupported on the target.
800
801 #. `Optimize SelectionDAG`_ --- The SelectionDAG optimizer is run to eliminate
802    inefficiencies introduced by operation legalization.
803
804 #. `Select instructions from DAG`_ --- Finally, the target instruction selector
805    matches the DAG operations to target instructions.  This process translates
806    the target-independent input DAG into another DAG of target instructions.
807
808 #. `SelectionDAG Scheduling and Formation`_ --- The last phase assigns a linear
809    order to the instructions in the target-instruction DAG and emits them into
810    the MachineFunction being compiled.  This step uses traditional prepass
811    scheduling techniques.
812
813 After all of these steps are complete, the SelectionDAG is destroyed and the
814 rest of the code generation passes are run.
815
816 One great way to visualize what is going on here is to take advantage of a few
817 LLC command line options.  The following options pop up a window displaying the
818 SelectionDAG at specific times (if you only get errors printed to the console
819 while using this, you probably `need to configure your
820 system <ProgrammersManual.html#ViewGraph>`_ to add support for it).
821
822 * ``-view-dag-combine1-dags`` displays the DAG after being built, before the
823   first optimization pass.
824
825 * ``-view-legalize-dags`` displays the DAG before Legalization.
826
827 * ``-view-dag-combine2-dags`` displays the DAG before the second optimization
828   pass.
829
830 * ``-view-isel-dags`` displays the DAG before the Select phase.
831
832 * ``-view-sched-dags`` displays the DAG before Scheduling.
833
834 The ``-view-sunit-dags`` displays the Scheduler's dependency graph.  This graph
835 is based on the final SelectionDAG, with nodes that must be scheduled together
836 bundled into a single scheduling-unit node, and with immediate operands and
837 other nodes that aren't relevant for scheduling omitted.
838
839 .. _Build initial DAG:
840
841 Initial SelectionDAG Construction
842 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
843
844 The initial SelectionDAG is na\ :raw-html:`&iuml;`\ vely peephole expanded from
845 the LLVM input by the ``SelectionDAGBuilder`` class.  The intent of this pass
846 is to expose as much low-level, target-specific details to the SelectionDAG as
847 possible.  This pass is mostly hard-coded (e.g. an LLVM ``add`` turns into an
848 ``SDNode add`` while a ``getelementptr`` is expanded into the obvious
849 arithmetic). This pass requires target-specific hooks to lower calls, returns,
850 varargs, etc.  For these features, the :raw-html:`<tt>` `TargetLowering`_
851 :raw-html:`</tt>` interface is used.
852
853 .. _legalize types:
854 .. _Legalize SelectionDAG Types:
855 .. _Legalize SelectionDAG Ops:
856
857 SelectionDAG LegalizeTypes Phase
858 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
859
860 The Legalize phase is in charge of converting a DAG to only use the types that
861 are natively supported by the target.
862
863 There are two main ways of converting values of unsupported scalar types to
864 values of supported types: converting small types to larger types ("promoting"),
865 and breaking up large integer types into smaller ones ("expanding").  For
866 example, a target might require that all f32 values are promoted to f64 and that
867 all i1/i8/i16 values are promoted to i32.  The same target might require that
868 all i64 values be expanded into pairs of i32 values.  These changes can insert
869 sign and zero extensions as needed to make sure that the final code has the same
870 behavior as the input.
871
872 There are two main ways of converting values of unsupported vector types to
873 value of supported types: splitting vector types, multiple times if necessary,
874 until a legal type is found, and extending vector types by adding elements to
875 the end to round them out to legal types ("widening").  If a vector gets split
876 all the way down to single-element parts with no supported vector type being
877 found, the elements are converted to scalars ("scalarizing").
878
879 A target implementation tells the legalizer which types are supported (and which
880 register class to use for them) by calling the ``addRegisterClass`` method in
881 its ``TargetLowering`` constructor.
882
883 .. _legalize operations:
884 .. _Legalizer:
885
886 SelectionDAG Legalize Phase
887 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
888
889 The Legalize phase is in charge of converting a DAG to only use the operations
890 that are natively supported by the target.
891
892 Targets often have weird constraints, such as not supporting every operation on
893 every supported datatype (e.g. X86 does not support byte conditional moves and
894 PowerPC does not support sign-extending loads from a 16-bit memory location).
895 Legalize takes care of this by open-coding another sequence of operations to
896 emulate the operation ("expansion"), by promoting one type to a larger type that
897 supports the operation ("promotion"), or by using a target-specific hook to
898 implement the legalization ("custom").
899
900 A target implementation tells the legalizer which operations are not supported
901 (and which of the above three actions to take) by calling the
902 ``setOperationAction`` method in its ``TargetLowering`` constructor.
903
904 Prior to the existence of the Legalize passes, we required that every target
905 `selector`_ supported and handled every operator and type even if they are not
906 natively supported.  The introduction of the Legalize phases allows all of the
907 canonicalization patterns to be shared across targets, and makes it very easy to
908 optimize the canonicalized code because it is still in the form of a DAG.
909
910 .. _optimizations:
911 .. _Optimize SelectionDAG:
912 .. _selector:
913
914 SelectionDAG Optimization Phase: the DAG Combiner
915 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
916
917 The SelectionDAG optimization phase is run multiple times for code generation,
918 immediately after the DAG is built and once after each legalization.  The first
919 run of the pass allows the initial code to be cleaned up (e.g. performing
920 optimizations that depend on knowing that the operators have restricted type
921 inputs).  Subsequent runs of the pass clean up the messy code generated by the
922 Legalize passes, which allows Legalize to be very simple (it can focus on making
923 code legal instead of focusing on generating *good* and legal code).
924
925 One important class of optimizations performed is optimizing inserted sign and
926 zero extension instructions.  We currently use ad-hoc techniques, but could move
927 to more rigorous techniques in the future.  Here are some good papers on the
928 subject:
929
930 "`Widening integer arithmetic <http://www.eecs.harvard.edu/~nr/pubs/widen-abstract.html>`_" :raw-html:`<br>`
931 Kevin Redwine and Norman Ramsey :raw-html:`<br>`
932 International Conference on Compiler Construction (CC) 2004
933
934 "`Effective sign extension elimination <http://portal.acm.org/citation.cfm?doid=512529.512552>`_"  :raw-html:`<br>`
935 Motohiro Kawahito, Hideaki Komatsu, and Toshio Nakatani :raw-html:`<br>`
936 Proceedings of the ACM SIGPLAN 2002 Conference on Programming Language Design
937 and Implementation.
938
939 .. _Select instructions from DAG:
940
941 SelectionDAG Select Phase
942 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
943
944 The Select phase is the bulk of the target-specific code for instruction
945 selection.  This phase takes a legal SelectionDAG as input, pattern matches the
946 instructions supported by the target to this DAG, and produces a new DAG of
947 target code.  For example, consider the following LLVM fragment:
948
949 .. code-block:: llvm
950
951   %t1 = fadd float %W, %X
952   %t2 = fmul float %t1, %Y
953   %t3 = fadd float %t2, %Z
954
955 This LLVM code corresponds to a SelectionDAG that looks basically like this:
956
957 .. code-block:: llvm
958
959   (fadd:f32 (fmul:f32 (fadd:f32 W, X), Y), Z)
960
961 If a target supports floating point multiply-and-add (FMA) operations, one of
962 the adds can be merged with the multiply.  On the PowerPC, for example, the
963 output of the instruction selector might look like this DAG:
964
965 ::
966
967   (FMADDS (FADDS W, X), Y, Z)
968
969 The ``FMADDS`` instruction is a ternary instruction that multiplies its first
970 two operands and adds the third (as single-precision floating-point numbers).
971 The ``FADDS`` instruction is a simple binary single-precision add instruction.
972 To perform this pattern match, the PowerPC backend includes the following
973 instruction definitions:
974
975 .. code-block:: text
976   :emphasize-lines: 4-5,9
977
978   def FMADDS : AForm_1<59, 29,
979                       (ops F4RC:$FRT, F4RC:$FRA, F4RC:$FRC, F4RC:$FRB),
980                       "fmadds $FRT, $FRA, $FRC, $FRB",
981                       [(set F4RC:$FRT, (fadd (fmul F4RC:$FRA, F4RC:$FRC),
982                                              F4RC:$FRB))]>;
983   def FADDS : AForm_2<59, 21,
984                       (ops F4RC:$FRT, F4RC:$FRA, F4RC:$FRB),
985                       "fadds $FRT, $FRA, $FRB",
986                       [(set F4RC:$FRT, (fadd F4RC:$FRA, F4RC:$FRB))]>;
987
988 The highlighted portion of the instruction definitions indicates the pattern
989 used to match the instructions. The DAG operators (like ``fmul``/``fadd``)
990 are defined in the ``include/llvm/Target/TargetSelectionDAG.td`` file.
991 "``F4RC``" is the register class of the input and result values.
992
993 The TableGen DAG instruction selector generator reads the instruction patterns
994 in the ``.td`` file and automatically builds parts of the pattern matching code
995 for your target.  It has the following strengths:
996
997 * At compiler-compiler time, it analyzes your instruction patterns and tells you
998   if your patterns make sense or not.
999
1000 * It can handle arbitrary constraints on operands for the pattern match.  In
1001   particular, it is straight-forward to say things like "match any immediate
1002   that is a 13-bit sign-extended value".  For examples, see the ``immSExt16``
1003   and related ``tblgen`` classes in the PowerPC backend.
1004
1005 * It knows several important identities for the patterns defined.  For example,
1006   it knows that addition is commutative, so it allows the ``FMADDS`` pattern
1007   above to match "``(fadd X, (fmul Y, Z))``" as well as "``(fadd (fmul X, Y),
1008   Z)``", without the target author having to specially handle this case.
1009
1010 * It has a full-featured type-inferencing system.  In particular, you should
1011   rarely have to explicitly tell the system what type parts of your patterns
1012   are.  In the ``FMADDS`` case above, we didn't have to tell ``tblgen`` that all
1013   of the nodes in the pattern are of type 'f32'.  It was able to infer and
1014   propagate this knowledge from the fact that ``F4RC`` has type 'f32'.
1015
1016 * Targets can define their own (and rely on built-in) "pattern fragments".
1017   Pattern fragments are chunks of reusable patterns that get inlined into your
1018   patterns during compiler-compiler time.  For example, the integer "``(not
1019   x)``" operation is actually defined as a pattern fragment that expands as
1020   "``(xor x, -1)``", since the SelectionDAG does not have a native '``not``'
1021   operation.  Targets can define their own short-hand fragments as they see fit.
1022   See the definition of '``not``' and '``ineg``' for examples.
1023
1024 * In addition to instructions, targets can specify arbitrary patterns that map
1025   to one or more instructions using the 'Pat' class.  For example, the PowerPC
1026   has no way to load an arbitrary integer immediate into a register in one
1027   instruction. To tell tblgen how to do this, it defines:
1028
1029   ::
1030
1031     // Arbitrary immediate support.  Implement in terms of LIS/ORI.
1032     def : Pat<(i32 imm:$imm),
1033               (ORI (LIS (HI16 imm:$imm)), (LO16 imm:$imm))>;
1034
1035   If none of the single-instruction patterns for loading an immediate into a
1036   register match, this will be used.  This rule says "match an arbitrary i32
1037   immediate, turning it into an ``ORI`` ('or a 16-bit immediate') and an ``LIS``
1038   ('load 16-bit immediate, where the immediate is shifted to the left 16 bits')
1039   instruction".  To make this work, the ``LO16``/``HI16`` node transformations
1040   are used to manipulate the input immediate (in this case, take the high or low
1041   16-bits of the immediate).
1042
1043 * While the system does automate a lot, it still allows you to write custom C++
1044   code to match special cases if there is something that is hard to
1045   express.
1046
1047 While it has many strengths, the system currently has some limitations,
1048 primarily because it is a work in progress and is not yet finished:
1049
1050 * Overall, there is no way to define or match SelectionDAG nodes that define
1051   multiple values (e.g. ``SMUL_LOHI``, ``LOAD``, ``CALL``, etc).  This is the
1052   biggest reason that you currently still *have to* write custom C++ code
1053   for your instruction selector.
1054
1055 * There is no great way to support matching complex addressing modes yet.  In
1056   the future, we will extend pattern fragments to allow them to define multiple
1057   values (e.g. the four operands of the `X86 addressing mode`_, which are
1058   currently matched with custom C++ code).  In addition, we'll extend fragments
1059   so that a fragment can match multiple different patterns.
1060
1061 * We don't automatically infer flags like ``isStore``/``isLoad`` yet.
1062
1063 * We don't automatically generate the set of supported registers and operations
1064   for the `Legalizer`_ yet.
1065
1066 * We don't have a way of tying in custom legalized nodes yet.
1067
1068 Despite these limitations, the instruction selector generator is still quite
1069 useful for most of the binary and logical operations in typical instruction
1070 sets.  If you run into any problems or can't figure out how to do something,
1071 please let Chris know!
1072
1073 .. _Scheduling and Formation:
1074 .. _SelectionDAG Scheduling and Formation:
1075
1076 SelectionDAG Scheduling and Formation Phase
1077 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1078
1079 The scheduling phase takes the DAG of target instructions from the selection
1080 phase and assigns an order.  The scheduler can pick an order depending on
1081 various constraints of the machines (i.e. order for minimal register pressure or
1082 try to cover instruction latencies).  Once an order is established, the DAG is
1083 converted to a list of :raw-html:`<tt>` `MachineInstr`_\s :raw-html:`</tt>` and
1084 the SelectionDAG is destroyed.
1085
1086 Note that this phase is logically separate from the instruction selection phase,
1087 but is tied to it closely in the code because it operates on SelectionDAGs.
1088
1089 Future directions for the SelectionDAG
1090 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1091
1092 #. Optional function-at-a-time selection.
1093
1094 #. Auto-generate entire selector from ``.td`` file.
1095
1096 .. _SSA-based Machine Code Optimizations:
1097
1098 SSA-based Machine Code Optimizations
1099 ------------------------------------
1100
1101 To Be Written
1102
1103 Live Intervals
1104 --------------
1105
1106 Live Intervals are the ranges (intervals) where a variable is *live*.  They are
1107 used by some `register allocator`_ passes to determine if two or more virtual
1108 registers which require the same physical register are live at the same point in
1109 the program (i.e., they conflict).  When this situation occurs, one virtual
1110 register must be *spilled*.
1111
1112 Live Variable Analysis
1113 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1114
1115 The first step in determining the live intervals of variables is to calculate
1116 the set of registers that are immediately dead after the instruction (i.e., the
1117 instruction calculates the value, but it is never used) and the set of registers
1118 that are used by the instruction, but are never used after the instruction
1119 (i.e., they are killed). Live variable information is computed for
1120 each *virtual* register and *register allocatable* physical register
1121 in the function.  This is done in a very efficient manner because it uses SSA to
1122 sparsely compute lifetime information for virtual registers (which are in SSA
1123 form) and only has to track physical registers within a block.  Before register
1124 allocation, LLVM can assume that physical registers are only live within a
1125 single basic block.  This allows it to do a single, local analysis to resolve
1126 physical register lifetimes within each basic block. If a physical register is
1127 not register allocatable (e.g., a stack pointer or condition codes), it is not
1128 tracked.
1129
1130 Physical registers may be live in to or out of a function. Live in values are
1131 typically arguments in registers. Live out values are typically return values in
1132 registers. Live in values are marked as such, and are given a dummy "defining"
1133 instruction during live intervals analysis. If the last basic block of a
1134 function is a ``return``, then it's marked as using all live out values in the
1135 function.
1136
1137 ``PHI`` nodes need to be handled specially, because the calculation of the live
1138 variable information from a depth first traversal of the CFG of the function
1139 won't guarantee that a virtual register used by the ``PHI`` node is defined
1140 before it's used. When a ``PHI`` node is encountered, only the definition is
1141 handled, because the uses will be handled in other basic blocks.
1142
1143 For each ``PHI`` node of the current basic block, we simulate an assignment at
1144 the end of the current basic block and traverse the successor basic blocks. If a
1145 successor basic block has a ``PHI`` node and one of the ``PHI`` node's operands
1146 is coming from the current basic block, then the variable is marked as *alive*
1147 within the current basic block and all of its predecessor basic blocks, until
1148 the basic block with the defining instruction is encountered.
1149
1150 Live Intervals Analysis
1151 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1152
1153 We now have the information available to perform the live intervals analysis and
1154 build the live intervals themselves.  We start off by numbering the basic blocks
1155 and machine instructions.  We then handle the "live-in" values.  These are in
1156 physical registers, so the physical register is assumed to be killed by the end
1157 of the basic block.  Live intervals for virtual registers are computed for some
1158 ordering of the machine instructions ``[1, N]``.  A live interval is an interval
1159 ``[i, j)``, where ``1 >= i >= j > N``, for which a variable is live.
1160
1161 .. note::
1162   More to come...
1163
1164 .. _Register Allocation:
1165 .. _register allocator:
1166
1167 Register Allocation
1168 -------------------
1169
1170 The *Register Allocation problem* consists in mapping a program
1171 :raw-html:`<b><tt>` P\ :sub:`v`\ :raw-html:`</tt></b>`, that can use an unbounded
1172 number of virtual registers, to a program :raw-html:`<b><tt>` P\ :sub:`p`\
1173 :raw-html:`</tt></b>` that contains a finite (possibly small) number of physical
1174 registers. Each target architecture has a different number of physical
1175 registers. If the number of physical registers is not enough to accommodate all
1176 the virtual registers, some of them will have to be mapped into memory. These
1177 virtuals are called *spilled virtuals*.
1178
1179 How registers are represented in LLVM
1180 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1181
1182 In LLVM, physical registers are denoted by integer numbers that normally range
1183 from 1 to 1023. To see how this numbering is defined for a particular
1184 architecture, you can read the ``GenRegisterNames.inc`` file for that
1185 architecture. For instance, by inspecting
1186 ``lib/Target/X86/X86GenRegisterInfo.inc`` we see that the 32-bit register
1187 ``EAX`` is denoted by 43, and the MMX register ``MM0`` is mapped to 65.
1188
1189 Some architectures contain registers that share the same physical location. A
1190 notable example is the X86 platform. For instance, in the X86 architecture, the
1191 registers ``EAX``, ``AX`` and ``AL`` share the first eight bits. These physical
1192 registers are marked as *aliased* in LLVM. Given a particular architecture, you
1193 can check which registers are aliased by inspecting its ``RegisterInfo.td``
1194 file. Moreover, the class ``MCRegAliasIterator`` enumerates all the physical
1195 registers aliased to a register.
1196
1197 Physical registers, in LLVM, are grouped in *Register Classes*.  Elements in the
1198 same register class are functionally equivalent, and can be interchangeably
1199 used. Each virtual register can only be mapped to physical registers of a
1200 particular class. For instance, in the X86 architecture, some virtuals can only
1201 be allocated to 8 bit registers.  A register class is described by
1202 ``TargetRegisterClass`` objects.  To discover if a virtual register is
1203 compatible with a given physical, this code can be used:</p>
1204
1205 .. code-block:: c++
1206
1207   bool RegMapping_Fer::compatible_class(MachineFunction &mf,
1208                                         unsigned v_reg,
1209                                         unsigned p_reg) {
1210     assert(TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(p_reg) &&
1211            "Target register must be physical");
1212     const TargetRegisterClass *trc = mf.getRegInfo().getRegClass(v_reg);
1213     return trc->contains(p_reg);
1214   }
1215
1216 Sometimes, mostly for debugging purposes, it is useful to change the number of
1217 physical registers available in the target architecture. This must be done
1218 statically, inside the ``TargetRegsterInfo.td`` file. Just ``grep`` for
1219 ``RegisterClass``, the last parameter of which is a list of registers. Just
1220 commenting some out is one simple way to avoid them being used. A more polite
1221 way is to explicitly exclude some registers from the *allocation order*. See the
1222 definition of the ``GR8`` register class in
1223 ``lib/Target/X86/X86RegisterInfo.td`` for an example of this.
1224
1225 Virtual registers are also denoted by integer numbers. Contrary to physical
1226 registers, different virtual registers never share the same number. Whereas
1227 physical registers are statically defined in a ``TargetRegisterInfo.td`` file
1228 and cannot be created by the application developer, that is not the case with
1229 virtual registers. In order to create new virtual registers, use the method
1230 ``MachineRegisterInfo::createVirtualRegister()``. This method will return a new
1231 virtual register. Use an ``IndexedMap<Foo, VirtReg2IndexFunctor>`` to hold
1232 information per virtual register. If you need to enumerate all virtual
1233 registers, use the function ``TargetRegisterInfo::index2VirtReg()`` to find the
1234 virtual register numbers:
1235
1236 .. code-block:: c++
1237
1238     for (unsigned i = 0, e = MRI->getNumVirtRegs(); i != e; ++i) {
1239       unsigned VirtReg = TargetRegisterInfo::index2VirtReg(i);
1240       stuff(VirtReg);
1241     }
1242
1243 Before register allocation, the operands of an instruction are mostly virtual
1244 registers, although physical registers may also be used. In order to check if a
1245 given machine operand is a register, use the boolean function
1246 ``MachineOperand::isRegister()``. To obtain the integer code of a register, use
1247 ``MachineOperand::getReg()``. An instruction may define or use a register. For
1248 instance, ``ADD reg:1026 := reg:1025 reg:1024`` defines the registers 1024, and
1249 uses registers 1025 and 1026. Given a register operand, the method
1250 ``MachineOperand::isUse()`` informs if that register is being used by the
1251 instruction. The method ``MachineOperand::isDef()`` informs if that registers is
1252 being defined.
1253
1254 We will call physical registers present in the LLVM bitcode before register
1255 allocation *pre-colored registers*. Pre-colored registers are used in many
1256 different situations, for instance, to pass parameters of functions calls, and
1257 to store results of particular instructions. There are two types of pre-colored
1258 registers: the ones *implicitly* defined, and those *explicitly*
1259 defined. Explicitly defined registers are normal operands, and can be accessed
1260 with ``MachineInstr::getOperand(int)::getReg()``.  In order to check which
1261 registers are implicitly defined by an instruction, use the
1262 ``TargetInstrInfo::get(opcode)::ImplicitDefs``, where ``opcode`` is the opcode
1263 of the target instruction. One important difference between explicit and
1264 implicit physical registers is that the latter are defined statically for each
1265 instruction, whereas the former may vary depending on the program being
1266 compiled. For example, an instruction that represents a function call will
1267 always implicitly define or use the same set of physical registers. To read the
1268 registers implicitly used by an instruction, use
1269 ``TargetInstrInfo::get(opcode)::ImplicitUses``. Pre-colored registers impose
1270 constraints on any register allocation algorithm. The register allocator must
1271 make sure that none of them are overwritten by the values of virtual registers
1272 while still alive.
1273
1274 Mapping virtual registers to physical registers
1275 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1276
1277 There are two ways to map virtual registers to physical registers (or to memory
1278 slots). The first way, that we will call *direct mapping*, is based on the use
1279 of methods of the classes ``TargetRegisterInfo``, and ``MachineOperand``. The
1280 second way, that we will call *indirect mapping*, relies on the ``VirtRegMap``
1281 class in order to insert loads and stores sending and getting values to and from
1282 memory.
1283
1284 The direct mapping provides more flexibility to the developer of the register
1285 allocator; however, it is more error prone, and demands more implementation
1286 work.  Basically, the programmer will have to specify where load and store
1287 instructions should be inserted in the target function being compiled in order
1288 to get and store values in memory. To assign a physical register to a virtual
1289 register present in a given operand, use ``MachineOperand::setReg(p_reg)``. To
1290 insert a store instruction, use ``TargetInstrInfo::storeRegToStackSlot(...)``,
1291 and to insert a load instruction, use ``TargetInstrInfo::loadRegFromStackSlot``.
1292
1293 The indirect mapping shields the application developer from the complexities of
1294 inserting load and store instructions. In order to map a virtual register to a
1295 physical one, use ``VirtRegMap::assignVirt2Phys(vreg, preg)``.  In order to map
1296 a certain virtual register to memory, use
1297 ``VirtRegMap::assignVirt2StackSlot(vreg)``. This method will return the stack
1298 slot where ``vreg``'s value will be located.  If it is necessary to map another
1299 virtual register to the same stack slot, use
1300 ``VirtRegMap::assignVirt2StackSlot(vreg, stack_location)``. One important point
1301 to consider when using the indirect mapping, is that even if a virtual register
1302 is mapped to memory, it still needs to be mapped to a physical register. This
1303 physical register is the location where the virtual register is supposed to be
1304 found before being stored or after being reloaded.
1305
1306 If the indirect strategy is used, after all the virtual registers have been
1307 mapped to physical registers or stack slots, it is necessary to use a spiller
1308 object to place load and store instructions in the code. Every virtual that has
1309 been mapped to a stack slot will be stored to memory after been defined and will
1310 be loaded before being used. The implementation of the spiller tries to recycle
1311 load/store instructions, avoiding unnecessary instructions. For an example of
1312 how to invoke the spiller, see ``RegAllocLinearScan::runOnMachineFunction`` in
1313 ``lib/CodeGen/RegAllocLinearScan.cpp``.
1314
1315 Handling two address instructions
1316 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1317
1318 With very rare exceptions (e.g., function calls), the LLVM machine code
1319 instructions are three address instructions. That is, each instruction is
1320 expected to define at most one register, and to use at most two registers.
1321 However, some architectures use two address instructions. In this case, the
1322 defined register is also one of the used register. For instance, an instruction
1323 such as ``ADD %EAX, %EBX``, in X86 is actually equivalent to ``%EAX = %EAX +
1324 %EBX``.
1325
1326 In order to produce correct code, LLVM must convert three address instructions
1327 that represent two address instructions into true two address instructions. LLVM
1328 provides the pass ``TwoAddressInstructionPass`` for this specific purpose. It
1329 must be run before register allocation takes place. After its execution, the
1330 resulting code may no longer be in SSA form. This happens, for instance, in
1331 situations where an instruction such as ``%a = ADD %b %c`` is converted to two
1332 instructions such as:
1333
1334 ::
1335
1336   %a = MOVE %b
1337   %a = ADD %a %c
1338
1339 Notice that, internally, the second instruction is represented as ``ADD
1340 %a[def/use] %c``. I.e., the register operand ``%a`` is both used and defined by
1341 the instruction.
1342
1343 The SSA deconstruction phase
1344 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1345
1346 An important transformation that happens during register allocation is called
1347 the *SSA Deconstruction Phase*. The SSA form simplifies many analyses that are
1348 performed on the control flow graph of programs. However, traditional
1349 instruction sets do not implement PHI instructions. Thus, in order to generate
1350 executable code, compilers must replace PHI instructions with other instructions
1351 that preserve their semantics.
1352
1353 There are many ways in which PHI instructions can safely be removed from the
1354 target code. The most traditional PHI deconstruction algorithm replaces PHI
1355 instructions with copy instructions. That is the strategy adopted by LLVM. The
1356 SSA deconstruction algorithm is implemented in
1357 ``lib/CodeGen/PHIElimination.cpp``. In order to invoke this pass, the identifier
1358 ``PHIEliminationID`` must be marked as required in the code of the register
1359 allocator.
1360
1361 Instruction folding
1362 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1363
1364 *Instruction folding* is an optimization performed during register allocation
1365 that removes unnecessary copy instructions. For instance, a sequence of
1366 instructions such as:
1367
1368 ::
1369
1370   %EBX = LOAD %mem_address
1371   %EAX = COPY %EBX
1372
1373 can be safely substituted by the single instruction:
1374
1375 ::
1376
1377   %EAX = LOAD %mem_address
1378
1379 Instructions can be folded with the
1380 ``TargetRegisterInfo::foldMemoryOperand(...)`` method. Care must be taken when
1381 folding instructions; a folded instruction can be quite different from the
1382 original instruction. See ``LiveIntervals::addIntervalsForSpills`` in
1383 ``lib/CodeGen/LiveIntervalAnalysis.cpp`` for an example of its use.
1384
1385 Built in register allocators
1386 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1387
1388 The LLVM infrastructure provides the application developer with three different
1389 register allocators:
1390
1391 * *Fast* --- This register allocator is the default for debug builds. It
1392   allocates registers on a basic block level, attempting to keep values in
1393   registers and reusing registers as appropriate.
1394
1395 * *Basic* --- This is an incremental approach to register allocation. Live
1396   ranges are assigned to registers one at a time in an order that is driven by
1397   heuristics. Since code can be rewritten on-the-fly during allocation, this
1398   framework allows interesting allocators to be developed as extensions. It is
1399   not itself a production register allocator but is a potentially useful
1400   stand-alone mode for triaging bugs and as a performance baseline.
1401
1402 * *Greedy* --- *The default allocator*. This is a highly tuned implementation of
1403   the *Basic* allocator that incorporates global live range splitting. This
1404   allocator works hard to minimize the cost of spill code.
1405
1406 * *PBQP* --- A Partitioned Boolean Quadratic Programming (PBQP) based register
1407   allocator. This allocator works by constructing a PBQP problem representing
1408   the register allocation problem under consideration, solving this using a PBQP
1409   solver, and mapping the solution back to a register assignment.
1410
1411 The type of register allocator used in ``llc`` can be chosen with the command
1412 line option ``-regalloc=...``:
1413
1414 .. code-block:: bash
1415
1416   $ llc -regalloc=linearscan file.bc -o ln.s
1417   $ llc -regalloc=fast file.bc -o fa.s
1418   $ llc -regalloc=pbqp file.bc -o pbqp.s
1419
1420 .. _Prolog/Epilog Code Insertion:
1421
1422 Prolog/Epilog Code Insertion
1423 ----------------------------
1424
1425 Compact Unwind
1426
1427 Throwing an exception requires *unwinding* out of a function. The information on
1428 how to unwind a given function is traditionally expressed in DWARF unwind
1429 (a.k.a. frame) info. But that format was originally developed for debuggers to
1430 backtrace, and each Frame Description Entry (FDE) requires ~20-30 bytes per
1431 function. There is also the cost of mapping from an address in a function to the
1432 corresponding FDE at runtime. An alternative unwind encoding is called *compact
1433 unwind* and requires just 4-bytes per function.
1434
1435 The compact unwind encoding is a 32-bit value, which is encoded in an
1436 architecture-specific way. It specifies which registers to restore and from
1437 where, and how to unwind out of the function. When the linker creates a final
1438 linked image, it will create a ``__TEXT,__unwind_info`` section. This section is
1439 a small and fast way for the runtime to access unwind info for any given
1440 function. If we emit compact unwind info for the function, that compact unwind
1441 info will be encoded in the ``__TEXT,__unwind_info`` section. If we emit DWARF
1442 unwind info, the ``__TEXT,__unwind_info`` section will contain the offset of the
1443 FDE in the ``__TEXT,__eh_frame`` section in the final linked image.
1444
1445 For X86, there are three modes for the compact unwind encoding:
1446
1447 *Function with a Frame Pointer (``EBP`` or ``RBP``)*
1448   ``EBP/RBP``-based frame, where ``EBP/RBP`` is pushed onto the stack
1449   immediately after the return address, then ``ESP/RSP`` is moved to
1450   ``EBP/RBP``. Thus to unwind, ``ESP/RSP`` is restored with the current
1451   ``EBP/RBP`` value, then ``EBP/RBP`` is restored by popping the stack, and the
1452   return is done by popping the stack once more into the PC. All non-volatile
1453   registers that need to be restored must have been saved in a small range on
1454   the stack that starts ``EBP-4`` to ``EBP-1020`` (``RBP-8`` to
1455   ``RBP-1020``). The offset (divided by 4 in 32-bit mode and 8 in 64-bit mode)
1456   is encoded in bits 16-23 (mask: ``0x00FF0000``).  The registers saved are
1457   encoded in bits 0-14 (mask: ``0x00007FFF``) as five 3-bit entries from the
1458   following table:
1459
1460     ==============  =============  ===============
1461     Compact Number  i386 Register  x86-64 Register
1462     ==============  =============  ===============
1463     1               ``EBX``        ``RBX``
1464     2               ``ECX``        ``R12``
1465     3               ``EDX``        ``R13``
1466     4               ``EDI``        ``R14``
1467     5               ``ESI``        ``R15``
1468     6               ``EBP``        ``RBP``
1469     ==============  =============  ===============
1470
1471 *Frameless with a Small Constant Stack Size (``EBP`` or ``RBP`` is not used as a frame pointer)*
1472   To return, a constant (encoded in the compact unwind encoding) is added to the
1473   ``ESP/RSP``.  Then the return is done by popping the stack into the PC. All
1474   non-volatile registers that need to be restored must have been saved on the
1475   stack immediately after the return address. The stack size (divided by 4 in
1476   32-bit mode and 8 in 64-bit mode) is encoded in bits 16-23 (mask:
1477   ``0x00FF0000``). There is a maximum stack size of 1024 bytes in 32-bit mode
1478   and 2048 in 64-bit mode. The number of registers saved is encoded in bits 9-12
1479   (mask: ``0x00001C00``). Bits 0-9 (mask: ``0x000003FF``) contain which
1480   registers were saved and their order. (See the
1481   ``encodeCompactUnwindRegistersWithoutFrame()`` function in
1482   ``lib/Target/X86FrameLowering.cpp`` for the encoding algorithm.)
1483
1484 *Frameless with a Large Constant Stack Size (``EBP`` or ``RBP`` is not used as a frame pointer)*
1485   This case is like the "Frameless with a Small Constant Stack Size" case, but
1486   the stack size is too large to encode in the compact unwind encoding. Instead
1487   it requires that the function contains "``subl $nnnnnn, %esp``" in its
1488   prolog. The compact encoding contains the offset to the ``$nnnnnn`` value in
1489   the function in bits 9-12 (mask: ``0x00001C00``).
1490
1491 .. _Late Machine Code Optimizations:
1492
1493 Late Machine Code Optimizations
1494 -------------------------------
1495
1496 .. note::
1497
1498   To Be Written
1499
1500 .. _Code Emission:
1501
1502 Code Emission
1503 -------------
1504
1505 The code emission step of code generation is responsible for lowering from the
1506 code generator abstractions (like `MachineFunction`_, `MachineInstr`_, etc) down
1507 to the abstractions used by the MC layer (`MCInst`_, `MCStreamer`_, etc).  This
1508 is done with a combination of several different classes: the (misnamed)
1509 target-independent AsmPrinter class, target-specific subclasses of AsmPrinter
1510 (such as SparcAsmPrinter), and the TargetLoweringObjectFile class.
1511
1512 Since the MC layer works at the level of abstraction of object files, it doesn't
1513 have a notion of functions, global variables etc.  Instead, it thinks about
1514 labels, directives, and instructions.  A key class used at this time is the
1515 MCStreamer class.  This is an abstract API that is implemented in different ways
1516 (e.g. to output a .s file, output an ELF .o file, etc) that is effectively an
1517 "assembler API".  MCStreamer has one method per directive, such as EmitLabel,
1518 EmitSymbolAttribute, SwitchSection, etc, which directly correspond to assembly
1519 level directives.
1520
1521 If you are interested in implementing a code generator for a target, there are
1522 three important things that you have to implement for your target:
1523
1524 #. First, you need a subclass of AsmPrinter for your target.  This class
1525    implements the general lowering process converting MachineFunction's into MC
1526    label constructs.  The AsmPrinter base class provides a number of useful
1527    methods and routines, and also allows you to override the lowering process in
1528    some important ways.  You should get much of the lowering for free if you are
1529    implementing an ELF, COFF, or MachO target, because the
1530    TargetLoweringObjectFile class implements much of the common logic.
1531
1532 #. Second, you need to implement an instruction printer for your target.  The
1533    instruction printer takes an `MCInst`_ and renders it to a raw_ostream as
1534    text.  Most of this is automatically generated from the .td file (when you
1535    specify something like "``add $dst, $src1, $src2``" in the instructions), but
1536    you need to implement routines to print operands.
1537
1538 #. Third, you need to implement code that lowers a `MachineInstr`_ to an MCInst,
1539    usually implemented in "<target>MCInstLower.cpp".  This lowering process is
1540    often target specific, and is responsible for turning jump table entries,
1541    constant pool indices, global variable addresses, etc into MCLabels as
1542    appropriate.  This translation layer is also responsible for expanding pseudo
1543    ops used by the code generator into the actual machine instructions they
1544    correspond to. The MCInsts that are generated by this are fed into the
1545    instruction printer or the encoder.
1546
1547 Finally, at your choosing, you can also implement an subclass of MCCodeEmitter
1548 which lowers MCInst's into machine code bytes and relocations.  This is
1549 important if you want to support direct .o file emission, or would like to
1550 implement an assembler for your target.
1551
1552 VLIW Packetizer
1553 ---------------
1554
1555 In a Very Long Instruction Word (VLIW) architecture, the compiler is responsible
1556 for mapping instructions to functional-units available on the architecture. To
1557 that end, the compiler creates groups of instructions called *packets* or
1558 *bundles*. The VLIW packetizer in LLVM is a target-independent mechanism to
1559 enable the packetization of machine instructions.
1560
1561 Mapping from instructions to functional units
1562 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1563
1564 Instructions in a VLIW target can typically be mapped to multiple functional
1565 units. During the process of packetizing, the compiler must be able to reason
1566 about whether an instruction can be added to a packet. This decision can be
1567 complex since the compiler has to examine all possible mappings of instructions
1568 to functional units. Therefore to alleviate compilation-time complexity, the
1569 VLIW packetizer parses the instruction classes of a target and generates tables
1570 at compiler build time. These tables can then be queried by the provided
1571 machine-independent API to determine if an instruction can be accommodated in a
1572 packet.
1573
1574 How the packetization tables are generated and used
1575 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1576
1577 The packetizer reads instruction classes from a target's itineraries and creates
1578 a deterministic finite automaton (DFA) to represent the state of a packet. A DFA
1579 consists of three major elements: inputs, states, and transitions. The set of
1580 inputs for the generated DFA represents the instruction being added to a
1581 packet. The states represent the possible consumption of functional units by
1582 instructions in a packet. In the DFA, transitions from one state to another
1583 occur on the addition of an instruction to an existing packet. If there is a
1584 legal mapping of functional units to instructions, then the DFA contains a
1585 corresponding transition. The absence of a transition indicates that a legal
1586 mapping does not exist and that the instruction cannot be added to the packet.
1587
1588 To generate tables for a VLIW target, add *Target*\ GenDFAPacketizer.inc as a
1589 target to the Makefile in the target directory. The exported API provides three
1590 functions: ``DFAPacketizer::clearResources()``,
1591 ``DFAPacketizer::reserveResources(MachineInstr *MI)``, and
1592 ``DFAPacketizer::canReserveResources(MachineInstr *MI)``. These functions allow
1593 a target packetizer to add an instruction to an existing packet and to check
1594 whether an instruction can be added to a packet. See
1595 ``llvm/CodeGen/DFAPacketizer.h`` for more information.
1596
1597 Implementing a Native Assembler
1598 ===============================
1599
1600 Though you're probably reading this because you want to write or maintain a
1601 compiler backend, LLVM also fully supports building a native assemblers too.
1602 We've tried hard to automate the generation of the assembler from the .td files
1603 (in particular the instruction syntax and encodings), which means that a large
1604 part of the manual and repetitive data entry can be factored and shared with the
1605 compiler.
1606
1607 Instruction Parsing
1608 -------------------
1609
1610 .. note::
1611
1612   To Be Written
1613
1614
1615 Instruction Alias Processing
1616 ----------------------------
1617
1618 Once the instruction is parsed, it enters the MatchInstructionImpl function.
1619 The MatchInstructionImpl function performs alias processing and then does actual
1620 matching.
1621
1622 Alias processing is the phase that canonicalizes different lexical forms of the
1623 same instructions down to one representation.  There are several different kinds
1624 of alias that are possible to implement and they are listed below in the order
1625 that they are processed (which is in order from simplest/weakest to most
1626 complex/powerful).  Generally you want to use the first alias mechanism that
1627 meets the needs of your instruction, because it will allow a more concise
1628 description.
1629
1630 Mnemonic Aliases
1631 ^^^^^^^^^^^^^^^^
1632
1633 The first phase of alias processing is simple instruction mnemonic remapping for
1634 classes of instructions which are allowed with two different mnemonics.  This
1635 phase is a simple and unconditionally remapping from one input mnemonic to one
1636 output mnemonic.  It isn't possible for this form of alias to look at the
1637 operands at all, so the remapping must apply for all forms of a given mnemonic.
1638 Mnemonic aliases are defined simply, for example X86 has:
1639
1640 ::
1641
1642   def : MnemonicAlias<"cbw",     "cbtw">;
1643   def : MnemonicAlias<"smovq",   "movsq">;
1644   def : MnemonicAlias<"fldcww",  "fldcw">;
1645   def : MnemonicAlias<"fucompi", "fucomip">;
1646   def : MnemonicAlias<"ud2a",    "ud2">;
1647
1648 ... and many others.  With a MnemonicAlias definition, the mnemonic is remapped
1649 simply and directly.  Though MnemonicAlias's can't look at any aspect of the
1650 instruction (such as the operands) they can depend on global modes (the same
1651 ones supported by the matcher), through a Requires clause:
1652
1653 ::
1654
1655   def : MnemonicAlias<"pushf", "pushfq">, Requires<[In64BitMode]>;
1656   def : MnemonicAlias<"pushf", "pushfl">, Requires<[In32BitMode]>;
1657
1658 In this example, the mnemonic gets mapped into different a new one depending on
1659 the current instruction set.
1660
1661 Instruction Aliases
1662 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1663
1664 The most general phase of alias processing occurs while matching is happening:
1665 it provides new forms for the matcher to match along with a specific instruction
1666 to generate.  An instruction alias has two parts: the string to match and the
1667 instruction to generate.  For example:
1668
1669 ::
1670
1671   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX16rr8W GR16:$dst, GR8  :$src)>;
1672   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX16rm8W GR16:$dst, i8mem:$src)>;
1673   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX32rr8  GR32:$dst, GR8  :$src)>;
1674   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX32rr16 GR32:$dst, GR16 :$src)>;
1675   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX64rr8  GR64:$dst, GR8  :$src)>;
1676   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX64rr16 GR64:$dst, GR16 :$src)>;
1677   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX64rr32 GR64:$dst, GR32 :$src)>;
1678
1679 This shows a powerful example of the instruction aliases, matching the same
1680 mnemonic in multiple different ways depending on what operands are present in
1681 the assembly.  The result of instruction aliases can include operands in a
1682 different order than the destination instruction, and can use an input multiple
1683 times, for example:
1684
1685 ::
1686
1687   def : InstAlias<"clrb $reg", (XOR8rr  GR8 :$reg, GR8 :$reg)>;
1688   def : InstAlias<"clrw $reg", (XOR16rr GR16:$reg, GR16:$reg)>;
1689   def : InstAlias<"clrl $reg", (XOR32rr GR32:$reg, GR32:$reg)>;
1690   def : InstAlias<"clrq $reg", (XOR64rr GR64:$reg, GR64:$reg)>;
1691
1692 This example also shows that tied operands are only listed once.  In the X86
1693 backend, XOR8rr has two input GR8's and one output GR8 (where an input is tied
1694 to the output).  InstAliases take a flattened operand list without duplicates
1695 for tied operands.  The result of an instruction alias can also use immediates
1696 and fixed physical registers which are added as simple immediate operands in the
1697 result, for example:
1698
1699 ::
1700
1701   // Fixed Immediate operand.
1702   def : InstAlias<"aad", (AAD8i8 10)>;
1703
1704   // Fixed register operand.
1705   def : InstAlias<"fcomi", (COM_FIr ST1)>;
1706
1707   // Simple alias.
1708   def : InstAlias<"fcomi $reg", (COM_FIr RST:$reg)>;
1709
1710 Instruction aliases can also have a Requires clause to make them subtarget
1711 specific.
1712
1713 If the back-end supports it, the instruction printer can automatically emit the
1714 alias rather than what's being aliased. It typically leads to better, more
1715 readable code. If it's better to print out what's being aliased, then pass a '0'
1716 as the third parameter to the InstAlias definition.
1717
1718 Instruction Matching
1719 --------------------
1720
1721 .. note::
1722
1723   To Be Written
1724
1725 .. _Implementations of the abstract target description interfaces:
1726 .. _implement the target description:
1727
1728 Target-specific Implementation Notes
1729 ====================================
1730
1731 This section of the document explains features or design decisions that are
1732 specific to the code generator for a particular target.  First we start with a
1733 table that summarizes what features are supported by each target.
1734
1735 .. _target-feature-matrix:
1736
1737 Target Feature Matrix
1738 ---------------------
1739
1740 Note that this table does not include the C backend or Cpp backends, since they
1741 do not use the target independent code generator infrastructure.  It also
1742 doesn't list features that are not supported fully by any target yet.  It
1743 considers a feature to be supported if at least one subtarget supports it.  A
1744 feature being supported means that it is useful and works for most cases, it
1745 does not indicate that there are zero known bugs in the implementation.  Here is
1746 the key:
1747
1748 :raw-html:`<table border="1" cellspacing="0">`
1749 :raw-html:`<tr>`
1750 :raw-html:`<th>Unknown</th>`
1751 :raw-html:`<th>No support</th>`
1752 :raw-html:`<th>Partial Support</th>`
1753 :raw-html:`<th>Complete Support</th>`
1754 :raw-html:`</tr>`
1755 :raw-html:`<tr>`
1756 :raw-html:`<td class="unknown"></td>`
1757 :raw-html:`<td class="no"></td>`
1758 :raw-html:`<td class="partial"></td>`
1759 :raw-html:`<td class="yes"></td>`
1760 :raw-html:`</tr>`
1761 :raw-html:`</table>`
1762
1763 Here is the table:
1764
1765 :raw-html:`<table width="689" border="1" cellspacing="0">`
1766 :raw-html:`<tr><td></td>`
1767 :raw-html:`<td colspan="13" align="center" style="background-color:#ffc">Target</td>`
1768 :raw-html:`</tr>`
1769 :raw-html:`<tr>`
1770 :raw-html:`<th>Feature</th>`
1771 :raw-html:`<th>ARM</th>`
1772 :raw-html:`<th>Hexagon</th>`
1773 :raw-html:`<th>MBlaze</th>`
1774 :raw-html:`<th>MSP430</th>`
1775 :raw-html:`<th>Mips</th>`
1776 :raw-html:`<th>PTX</th>`
1777 :raw-html:`<th>PowerPC</th>`
1778 :raw-html:`<th>Sparc</th>`
1779 :raw-html:`<th>X86</th>`
1780 :raw-html:`<th>XCore</th>`
1781 :raw-html:`</tr>`
1782
1783 :raw-html:`<tr>`
1784 :raw-html:`<td><a href="#feat_reliable">is generally reliable</a></td>`
1785 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- ARM -->`
1786 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- Hexagon -->`
1787 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- MBlaze -->`
1788 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- MSP430 -->`
1789 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- Mips -->`
1790 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- PTX -->`
1791 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- PowerPC -->`
1792 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- Sparc -->`
1793 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- X86 -->`
1794 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- XCore -->`
1795 :raw-html:`</tr>`
1796
1797 :raw-html:`<tr>`
1798 :raw-html:`<td><a href="#feat_asmparser">assembly parser</a></td>`
1799 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- ARM -->`
1800 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Hexagon -->`
1801 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- MBlaze -->`
1802 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- MSP430 -->`
1803 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Mips -->`
1804 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- PTX -->`
1805 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- PowerPC -->`
1806 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Sparc -->`
1807 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- X86 -->`
1808 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- XCore -->`
1809 :raw-html:`</tr>`
1810
1811 :raw-html:`<tr>`
1812 :raw-html:`<td><a href="#feat_disassembler">disassembler</a></td>`
1813 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- ARM -->`
1814 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Hexagon -->`
1815 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- MBlaze -->`
1816 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- MSP430 -->`
1817 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Mips -->`
1818 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- PTX -->`
1819 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- PowerPC -->`
1820 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Sparc -->`
1821 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- X86 -->`
1822 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- XCore -->`
1823 :raw-html:`</tr>`
1824
1825 :raw-html:`<tr>`
1826 :raw-html:`<td><a href="#feat_inlineasm">inline asm</a></td>`
1827 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- ARM -->`
1828 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- Hexagon -->`
1829 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- MBlaze -->`
1830 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- MSP430 -->`
1831 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Mips -->`
1832 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- PTX -->`
1833 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- PowerPC -->`
1834 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- Sparc -->`
1835 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- X86 -->`
1836 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- XCore -->`
1837 :raw-html:`</tr>`
1838
1839 :raw-html:`<tr>`
1840 :raw-html:`<td><a href="#feat_jit">jit</a></td>`
1841 :raw-html:`<td class="partial"><a href="#feat_jit_arm">*</a></td> <!-- ARM -->`
1842 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Hexagon -->`
1843 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- MBlaze -->`
1844 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- MSP430 -->`
1845 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- Mips -->`
1846 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- PTX -->`
1847 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- PowerPC -->`
1848 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- Sparc -->`
1849 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- X86 -->`
1850 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- XCore -->`
1851 :raw-html:`</tr>`
1852
1853 :raw-html:`<tr>`
1854 :raw-html:`<td><a href="#feat_objectwrite">.o&nbsp;file writing</a></td>`
1855 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- ARM -->`
1856 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Hexagon -->`
1857 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- MBlaze -->`
1858 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- MSP430 -->`
1859 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Mips -->`
1860 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- PTX -->`
1861 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- PowerPC -->`
1862 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Sparc -->`
1863 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- X86 -->`
1864 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- XCore -->`
1865 :raw-html:`</tr>`
1866
1867 :raw-html:`<tr>`
1868 :raw-html:`<td><a hr:raw-html:`ef="#feat_tailcall">tail calls</a></td>`
1869 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- ARM -->`
1870 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- Hexagon -->`
1871 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- MBlaze -->`
1872 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- MSP430 -->`
1873 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Mips -->`
1874 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- PTX -->`
1875 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- PowerPC -->`
1876 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- Sparc -->`
1877 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- X86 -->`
1878 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- XCore -->`
1879 :raw-html:`</tr>`
1880
1881 :raw-html:`<tr>`
1882 :raw-html:`<td><a href="#feat_segstacks">segmented stacks</a></td>`
1883 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- ARM -->`
1884 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Hexagon -->`
1885 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- MBlaze -->`
1886 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- MSP430 -->`
1887 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Mips -->`
1888 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- PTX -->`
1889 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- PowerPC -->`
1890 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Sparc -->`
1891 :raw-html:`<td class="partial"><a href="#feat_segstacks_x86">*</a></td> <!-- X86 -->`
1892 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- XCore -->`
1893 :raw-html:`</tr>`
1894
1895 :raw-html:`</table>`
1896
1897 .. _feat_reliable:
1898
1899 Is Generally Reliable
1900 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1901
1902 This box indicates whether the target is considered to be production quality.
1903 This indicates that the target has been used as a static compiler to compile
1904 large amounts of code by a variety of different people and is in continuous use.
1905
1906 .. _feat_asmparser:
1907
1908 Assembly Parser
1909 ^^^^^^^^^^^^^^^
1910
1911 This box indicates whether the target supports parsing target specific .s files
1912 by implementing the MCAsmParser interface.  This is required for llvm-mc to be
1913 able to act as a native assembler and is required for inline assembly support in
1914 the native .o file writer.
1915
1916 .. _feat_disassembler:
1917
1918 Disassembler
1919 ^^^^^^^^^^^^
1920
1921 This box indicates whether the target supports the MCDisassembler API for
1922 disassembling machine opcode bytes into MCInst's.
1923
1924 .. _feat_inlineasm:
1925
1926 Inline Asm
1927 ^^^^^^^^^^
1928
1929 This box indicates whether the target supports most popular inline assembly
1930 constraints and modifiers.
1931
1932 .. _feat_jit:
1933
1934 JIT Support
1935 ^^^^^^^^^^^
1936
1937 This box indicates whether the target supports the JIT compiler through the
1938 ExecutionEngine interface.
1939
1940 .. _feat_jit_arm:
1941
1942 The ARM backend has basic support for integer code in ARM codegen mode, but
1943 lacks NEON and full Thumb support.
1944
1945 .. _feat_objectwrite:
1946
1947 .o File Writing
1948 ^^^^^^^^^^^^^^^
1949
1950 This box indicates whether the target supports writing .o files (e.g. MachO,
1951 ELF, and/or COFF) files directly from the target.  Note that the target also
1952 must include an assembly parser and general inline assembly support for full
1953 inline assembly support in the .o writer.
1954
1955 Targets that don't support this feature can obviously still write out .o files,
1956 they just rely on having an external assembler to translate from a .s file to a
1957 .o file (as is the case for many C compilers).
1958
1959 .. _feat_tailcall:
1960
1961 Tail Calls
1962 ^^^^^^^^^^
1963
1964 This box indicates whether the target supports guaranteed tail calls.  These are
1965 calls marked "`tail <LangRef.html#i_call>`_" and use the fastcc calling
1966 convention.  Please see the `tail call section more more details`_.
1967
1968 .. _feat_segstacks:
1969
1970 Segmented Stacks
1971 ^^^^^^^^^^^^^^^^
1972
1973 This box indicates whether the target supports segmented stacks. This replaces
1974 the traditional large C stack with many linked segments. It is compatible with
1975 the `gcc implementation <http://gcc.gnu.org/wiki/SplitStacks>`_ used by the Go
1976 front end.
1977
1978 .. _feat_segstacks_x86:
1979
1980 Basic support exists on the X86 backend. Currently vararg doesn't work and the
1981 object files are not marked the way the gold linker expects, but simple Go
1982 programs can be built by dragonegg.
1983
1984 .. _tail call section more more details:
1985
1986 Tail call optimization
1987 ----------------------
1988
1989 Tail call optimization, callee reusing the stack of the caller, is currently
1990 supported on x86/x86-64 and PowerPC. It is performed if:
1991
1992 * Caller and callee have the calling convention ``fastcc``, ``cc 10`` (GHC
1993   calling convention) or ``cc 11`` (HiPE calling convention).
1994
1995 * The call is a tail call - in tail position (ret immediately follows call and
1996   ret uses value of call or is void).
1997
1998 * Option ``-tailcallopt`` is enabled.
1999
2000 * Platform specific constraints are met.
2001
2002 x86/x86-64 constraints:
2003
2004 * No variable argument lists are used.
2005
2006 * On x86-64 when generating GOT/PIC code only module-local calls (visibility =
2007   hidden or protected) are supported.
2008
2009 PowerPC constraints:
2010
2011 * No variable argument lists are used.
2012
2013 * No byval parameters are used.
2014
2015 * On ppc32/64 GOT/PIC only module-local calls (visibility = hidden or protected)
2016   are supported.
2017
2018 Example:
2019
2020 Call as ``llc -tailcallopt test.ll``.
2021
2022 .. code-block:: llvm
2023
2024   declare fastcc i32 @tailcallee(i32 inreg %a1, i32 inreg %a2, i32 %a3, i32 %a4)
2025
2026   define fastcc i32 @tailcaller(i32 %in1, i32 %in2) {
2027     %l1 = add i32 %in1, %in2
2028     %tmp = tail call fastcc i32 @tailcallee(i32 %in1 inreg, i32 %in2 inreg, i32 %in1, i32 %l1)
2029     ret i32 %tmp
2030   }
2031
2032 Implications of ``-tailcallopt``:
2033
2034 To support tail call optimization in situations where the callee has more
2035 arguments than the caller a 'callee pops arguments' convention is used. This
2036 currently causes each ``fastcc`` call that is not tail call optimized (because
2037 one or more of above constraints are not met) to be followed by a readjustment
2038 of the stack. So performance might be worse in such cases.
2039
2040 Sibling call optimization
2041 -------------------------
2042
2043 Sibling call optimization is a restricted form of tail call optimization.
2044 Unlike tail call optimization described in the previous section, it can be
2045 performed automatically on any tail calls when ``-tailcallopt`` option is not
2046 specified.
2047
2048 Sibling call optimization is currently performed on x86/x86-64 when the
2049 following constraints are met:
2050
2051 * Caller and callee have the same calling convention. It can be either ``c`` or
2052   ``fastcc``.
2053
2054 * The call is a tail call - in tail position (ret immediately follows call and
2055   ret uses value of call or is void).
2056
2057 * Caller and callee have matching return type or the callee result is not used.
2058
2059 * If any of the callee arguments are being passed in stack, they must be
2060   available in caller's own incoming argument stack and the frame offsets must
2061   be the same.
2062
2063 Example:
2064
2065 .. code-block:: llvm
2066
2067   declare i32 @bar(i32, i32)
2068
2069   define i32 @foo(i32 %a, i32 %b, i32 %c) {
2070   entry:
2071     %0 = tail call i32 @bar(i32 %a, i32 %b)
2072     ret i32 %0
2073   }
2074
2075 The X86 backend
2076 ---------------
2077
2078 The X86 code generator lives in the ``lib/Target/X86`` directory.  This code
2079 generator is capable of targeting a variety of x86-32 and x86-64 processors, and
2080 includes support for ISA extensions such as MMX and SSE.
2081
2082 X86 Target Triples supported
2083 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2084
2085 The following are the known target triples that are supported by the X86
2086 backend.  This is not an exhaustive list, and it would be useful to add those
2087 that people test.
2088
2089 * **i686-pc-linux-gnu** --- Linux
2090
2091 * **i386-unknown-freebsd5.3** --- FreeBSD 5.3
2092
2093 * **i686-pc-cygwin** --- Cygwin on Win32
2094
2095 * **i686-pc-mingw32** --- MingW on Win32
2096
2097 * **i386-pc-mingw32msvc** --- MingW crosscompiler on Linux
2098
2099 * **i686-apple-darwin*** --- Apple Darwin on X86
2100
2101 * **x86_64-unknown-linux-gnu** --- Linux
2102
2103 X86 Calling Conventions supported
2104 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2105
2106 The following target-specific calling conventions are known to backend:
2107
2108 * **x86_StdCall** --- stdcall calling convention seen on Microsoft Windows
2109   platform (CC ID = 64).
2110
2111 * **x86_FastCall** --- fastcall calling convention seen on Microsoft Windows
2112   platform (CC ID = 65).
2113
2114 * **x86_ThisCall** --- Similar to X86_StdCall. Passes first argument in ECX,
2115   others via stack. Callee is responsible for stack cleaning. This convention is
2116   used by MSVC by default for methods in its ABI (CC ID = 70).
2117
2118 .. _X86 addressing mode:
2119
2120 Representing X86 addressing modes in MachineInstrs
2121 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2122
2123 The x86 has a very flexible way of accessing memory.  It is capable of forming
2124 memory addresses of the following expression directly in integer instructions
2125 (which use ModR/M addressing):
2126
2127 ::
2128
2129   SegmentReg: Base + [1,2,4,8] * IndexReg + Disp32
2130
2131 In order to represent this, LLVM tracks no less than 5 operands for each memory
2132 operand of this form.  This means that the "load" form of '``mov``' has the
2133 following ``MachineOperand``\s in this order:
2134
2135 ::
2136
2137   Index:        0     |    1        2       3           4          5
2138   Meaning:   DestReg, | BaseReg,  Scale, IndexReg, Displacement Segment
2139   OperandTy: VirtReg, | VirtReg, UnsImm, VirtReg,   SignExtImm  PhysReg
2140
2141 Stores, and all other instructions, treat the four memory operands in the same
2142 way and in the same order.  If the segment register is unspecified (regno = 0),
2143 then no segment override is generated.  "Lea" operations do not have a segment
2144 register specified, so they only have 4 operands for their memory reference.
2145
2146 X86 address spaces supported
2147 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2148
2149 x86 has a feature which provides the ability to perform loads and stores to
2150 different address spaces via the x86 segment registers.  A segment override
2151 prefix byte on an instruction causes the instruction's memory access to go to
2152 the specified segment.  LLVM address space 0 is the default address space, which
2153 includes the stack, and any unqualified memory accesses in a program.  Address
2154 spaces 1-255 are currently reserved for user-defined code.  The GS-segment is
2155 represented by address space 256, while the FS-segment is represented by address
2156 space 257. Other x86 segments have yet to be allocated address space
2157 numbers.
2158
2159 While these address spaces may seem similar to TLS via the ``thread_local``
2160 keyword, and often use the same underlying hardware, there are some fundamental
2161 differences.
2162
2163 The ``thread_local`` keyword applies to global variables and specifies that they
2164 are to be allocated in thread-local memory. There are no type qualifiers
2165 involved, and these variables can be pointed to with normal pointers and
2166 accessed with normal loads and stores.  The ``thread_local`` keyword is
2167 target-independent at the LLVM IR level (though LLVM doesn't yet have
2168 implementations of it for some configurations)
2169
2170 Special address spaces, in contrast, apply to static types. Every load and store
2171 has a particular address space in its address operand type, and this is what
2172 determines which address space is accessed.  LLVM ignores these special address
2173 space qualifiers on global variables, and does not provide a way to directly
2174 allocate storage in them.  At the LLVM IR level, the behavior of these special
2175 address spaces depends in part on the underlying OS or runtime environment, and
2176 they are specific to x86 (and LLVM doesn't yet handle them correctly in some
2177 cases).
2178
2179 Some operating systems and runtime environments use (or may in the future use)
2180 the FS/GS-segment registers for various low-level purposes, so care should be
2181 taken when considering them.
2182
2183 Instruction naming
2184 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2185
2186 An instruction name consists of the base name, a default operand size, and a a
2187 character per operand with an optional special size. For example:
2188
2189 ::
2190
2191   ADD8rr      -> add, 8-bit register, 8-bit register
2192   IMUL16rmi   -> imul, 16-bit register, 16-bit memory, 16-bit immediate
2193   IMUL16rmi8  -> imul, 16-bit register, 16-bit memory, 8-bit immediate
2194   MOVSX32rm16 -> movsx, 32-bit register, 16-bit memory
2195
2196 The PowerPC backend
2197 -------------------
2198
2199 The PowerPC code generator lives in the lib/Target/PowerPC directory.  The code
2200 generation is retargetable to several variations or *subtargets* of the PowerPC
2201 ISA; including ppc32, ppc64 and altivec.
2202
2203 LLVM PowerPC ABI
2204 ^^^^^^^^^^^^^^^^
2205
2206 LLVM follows the AIX PowerPC ABI, with two deviations. LLVM uses a PC relative
2207 (PIC) or static addressing for accessing global values, so no TOC (r2) is
2208 used. Second, r31 is used as a frame pointer to allow dynamic growth of a stack
2209 frame.  LLVM takes advantage of having no TOC to provide space to save the frame
2210 pointer in the PowerPC linkage area of the caller frame.  Other details of
2211 PowerPC ABI can be found at `PowerPC ABI
2212 <http://developer.apple.com/documentation/DeveloperTools/Conceptual/LowLevelABI/Articles/32bitPowerPC.html>`_\
2213 . Note: This link describes the 32 bit ABI.  The 64 bit ABI is similar except
2214 space for GPRs are 8 bytes wide (not 4) and r13 is reserved for system use.
2215
2216 Frame Layout
2217 ^^^^^^^^^^^^
2218
2219 The size of a PowerPC frame is usually fixed for the duration of a function's
2220 invocation.  Since the frame is fixed size, all references into the frame can be
2221 accessed via fixed offsets from the stack pointer.  The exception to this is
2222 when dynamic alloca or variable sized arrays are present, then a base pointer
2223 (r31) is used as a proxy for the stack pointer and stack pointer is free to grow
2224 or shrink.  A base pointer is also used if llvm-gcc is not passed the
2225 -fomit-frame-pointer flag. The stack pointer is always aligned to 16 bytes, so
2226 that space allocated for altivec vectors will be properly aligned.
2227
2228 An invocation frame is laid out as follows (low memory at top):
2229
2230 :raw-html:`<table border="1" cellspacing="0">`
2231 :raw-html:`<tr>`
2232 :raw-html:`<td>Linkage<br><br></td>`
2233 :raw-html:`</tr>`
2234 :raw-html:`<tr>`
2235 :raw-html:`<td>Parameter area<br><br></td>`
2236 :raw-html:`</tr>`
2237 :raw-html:`<tr>`
2238 :raw-html:`<td>Dynamic area<br><br></td>`
2239 :raw-html:`</tr>`
2240 :raw-html:`<tr>`
2241 :raw-html:`<td>Locals area<br><br></td>`
2242 :raw-html:`</tr>`
2243 :raw-html:`<tr>`
2244 :raw-html:`<td>Saved registers area<br><br></td>`
2245 :raw-html:`</tr>`
2246 :raw-html:`<tr style="border-style: none hidden none hidden;">`
2247 :raw-html:`<td><br></td>`
2248 :raw-html:`</tr>`
2249 :raw-html:`<tr>`
2250 :raw-html:`<td>Previous Frame<br><br></td>`
2251 :raw-html:`</tr>`
2252 :raw-html:`</table>`
2253
2254 The *linkage* area is used by a callee to save special registers prior to
2255 allocating its own frame.  Only three entries are relevant to LLVM. The first
2256 entry is the previous stack pointer (sp), aka link.  This allows probing tools
2257 like gdb or exception handlers to quickly scan the frames in the stack.  A
2258 function epilog can also use the link to pop the frame from the stack.  The
2259 third entry in the linkage area is used to save the return address from the lr
2260 register. Finally, as mentioned above, the last entry is used to save the
2261 previous frame pointer (r31.)  The entries in the linkage area are the size of a
2262 GPR, thus the linkage area is 24 bytes long in 32 bit mode and 48 bytes in 64
2263 bit mode.
2264
2265 32 bit linkage area:
2266
2267 :raw-html:`<table  border="1" cellspacing="0">`
2268 :raw-html:`<tr>`
2269 :raw-html:`<td>0</td>`
2270 :raw-html:`<td>Saved SP (r1)</td>`
2271 :raw-html:`</tr>`
2272 :raw-html:`<tr>`
2273 :raw-html:`<td>4</td>`
2274 :raw-html:`<td>Saved CR</td>`
2275 :raw-html:`</tr>`
2276 :raw-html:`<tr>`
2277 :raw-html:`<td>8</td>`
2278 :raw-html:`<td>Saved LR</td>`
2279 :raw-html:`</tr>`
2280 :raw-html:`<tr>`
2281 :raw-html:`<td>12</td>`
2282 :raw-html:`<td>Reserved</td>`
2283 :raw-html:`</tr>`
2284 :raw-html:`<tr>`
2285 :raw-html:`<td>16</td>`
2286 :raw-html:`<td>Reserved</td>`
2287 :raw-html:`</tr>`
2288 :raw-html:`<tr>`
2289 :raw-html:`<td>20</td>`
2290 :raw-html:`<td>Saved FP (r31)</td>`
2291 :raw-html:`</tr>`
2292 :raw-html:`</table>`
2293
2294 64 bit linkage area:
2295
2296 :raw-html:`<table border="1" cellspacing="0">`
2297 :raw-html:`<tr>`
2298 :raw-html:`<td>0</td>`
2299 :raw-html:`<td>Saved SP (r1)</td>`
2300 :raw-html:`</tr>`
2301 :raw-html:`<tr>`
2302 :raw-html:`<td>8</td>`
2303 :raw-html:`<td>Saved CR</td>`
2304 :raw-html:`</tr>`
2305 :raw-html:`<tr>`
2306 :raw-html:`<td>16</td>`
2307 :raw-html:`<td>Saved LR</td>`
2308 :raw-html:`</tr>`
2309 :raw-html:`<tr>`
2310 :raw-html:`<td>24</td>`
2311 :raw-html:`<td>Reserved</td>`
2312 :raw-html:`</tr>`
2313 :raw-html:`<tr>`
2314 :raw-html:`<td>32</td>`
2315 :raw-html:`<td>Reserved</td>`
2316 :raw-html:`</tr>`
2317 :raw-html:`<tr>`
2318 :raw-html:`<td>40</td>`
2319 :raw-html:`<td>Saved FP (r31)</td>`
2320 :raw-html:`</tr>`
2321 :raw-html:`</table>`
2322
2323 The *parameter area* is used to store arguments being passed to a callee
2324 function.  Following the PowerPC ABI, the first few arguments are actually
2325 passed in registers, with the space in the parameter area unused.  However, if
2326 there are not enough registers or the callee is a thunk or vararg function,
2327 these register arguments can be spilled into the parameter area.  Thus, the
2328 parameter area must be large enough to store all the parameters for the largest
2329 call sequence made by the caller.  The size must also be minimally large enough
2330 to spill registers r3-r10.  This allows callees blind to the call signature,
2331 such as thunks and vararg functions, enough space to cache the argument
2332 registers.  Therefore, the parameter area is minimally 32 bytes (64 bytes in 64
2333 bit mode.)  Also note that since the parameter area is a fixed offset from the
2334 top of the frame, that a callee can access its spilt arguments using fixed
2335 offsets from the stack pointer (or base pointer.)
2336
2337 Combining the information about the linkage, parameter areas and alignment. A
2338 stack frame is minimally 64 bytes in 32 bit mode and 128 bytes in 64 bit mode.
2339
2340 The *dynamic area* starts out as size zero.  If a function uses dynamic alloca
2341 then space is added to the stack, the linkage and parameter areas are shifted to
2342 top of stack, and the new space is available immediately below the linkage and
2343 parameter areas.  The cost of shifting the linkage and parameter areas is minor
2344 since only the link value needs to be copied.  The link value can be easily
2345 fetched by adding the original frame size to the base pointer.  Note that
2346 allocations in the dynamic space need to observe 16 byte alignment.
2347
2348 The *locals area* is where the llvm compiler reserves space for local variables.
2349
2350 The *saved registers area* is where the llvm compiler spills callee saved
2351 registers on entry to the callee.
2352
2353 Prolog/Epilog
2354 ^^^^^^^^^^^^^
2355
2356 The llvm prolog and epilog are the same as described in the PowerPC ABI, with
2357 the following exceptions.  Callee saved registers are spilled after the frame is
2358 created.  This allows the llvm epilog/prolog support to be common with other
2359 targets.  The base pointer callee saved register r31 is saved in the TOC slot of
2360 linkage area.  This simplifies allocation of space for the base pointer and
2361 makes it convenient to locate programatically and during debugging.
2362
2363 Dynamic Allocation
2364 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2365
2366 .. note::
2367
2368   TODO - More to come.
2369
2370 The PTX backend
2371 ---------------
2372
2373 The PTX code generator lives in the lib/Target/PTX directory. It is currently a
2374 work-in-progress, but already supports most of the code generation functionality
2375 needed to generate correct PTX kernels for CUDA devices.
2376
2377 The code generator can target PTX 2.0+, and shader model 1.0+.  The PTX ISA
2378 Reference Manual is used as the primary source of ISA information, though an
2379 effort is made to make the output of the code generator match the output of the
2380 NVidia nvcc compiler, whenever possible.
2381
2382 Code Generator Options:
2383
2384 :raw-html:`<table border="1" cellspacing="0">`
2385 :raw-html:`<tr>`
2386 :raw-html:`<th>Option</th>`
2387 :raw-html:`<th>Description</th>`
2388 :raw-html:`</tr>`
2389 :raw-html:`<tr>`
2390 :raw-html:`<td>``double``</td>`
2391 :raw-html:`<td align="left">If enabled, the map_f64_to_f32 directive is disabled in the PTX output, allowing native double-precision arithmetic</td>`
2392 :raw-html:`</tr>`
2393 :raw-html:`<tr>`
2394 :raw-html:`<td>``no-fma``</td>`
2395 :raw-html:`<td align="left">Disable generation of Fused-Multiply Add instructions, which may be beneficial for some devices</td>`
2396 :raw-html:`</tr>`
2397 :raw-html:`<tr>`
2398 :raw-html:`<td>``smxy / computexy``</td>`
2399 :raw-html:`<td align="left">Set shader model/compute capability to x.y, e.g. sm20 or compute13</td>`
2400 :raw-html:`</tr>`
2401 :raw-html:`</table>`
2402
2403 Working:
2404
2405 * Arithmetic instruction selection (including combo FMA)
2406
2407 * Bitwise instruction selection
2408
2409 * Control-flow instruction selection
2410
2411 * Function calls (only on SM 2.0+ and no return arguments)
2412
2413 * Addresses spaces (0 = global, 1 = constant, 2 = local, 4 = shared)
2414
2415 * Thread synchronization (bar.sync)
2416
2417 * Special register reads ([N]TID, [N]CTAID, PMx, CLOCK, etc.)
2418
2419 In Progress:
2420
2421 * Robust call instruction selection
2422
2423 * Stack frame allocation
2424
2425 * Device-specific instruction scheduling optimizations