Add LDC compiler to list of external OS projects using LLVM 3.8
[oota-llvm.git] / docs / CodeGenerator.rst
1 ==========================================
2 The LLVM Target-Independent Code Generator
3 ==========================================
4
5 .. role:: raw-html(raw)
6    :format: html
7
8 .. raw:: html
9
10   <style>
11     .unknown { background-color: #C0C0C0; text-align: center; }
12     .unknown:before { content: "?" }
13     .no { background-color: #C11B17 }
14     .no:before { content: "N" }
15     .partial { background-color: #F88017 }
16     .yes { background-color: #0F0; }
17     .yes:before { content: "Y" }
18     .na { background-color: #6666FF; }
19     .na:before { content: "N/A" }
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 :doc:`LLVM code representation <LangRef>`.  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/index` 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 :doc:`TableGen/index` 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.  Descriptions define things like the mnemonic for
289 the opcode, the number of operands, the list of implicit register uses and defs,
290 whether the instruction has certain target-independent properties (accesses
291 memory, is commutable, etc), and holds any target-specific flags.
292
293 The ``TargetFrameLowering`` class
294 ---------------------------------
295
296 The ``TargetFrameLowering`` class is used to provide information about the stack
297 frame layout of the target. It holds the direction of stack growth, the known
298 stack alignment on entry to each function, and the offset to the local area.
299 The offset to the local area is the offset from the stack pointer on function
300 entry to the first location where function data (local variables, spill
301 locations) can be stored.
302
303 The ``TargetSubtarget`` class
304 -----------------------------
305
306 The ``TargetSubtarget`` class is used to provide information about the specific
307 chip set being targeted.  A sub-target informs code generation of which
308 instructions are supported, instruction latencies and instruction execution
309 itinerary; i.e., which processing units are used, in what order, and for how
310 long.
311
312 The ``TargetJITInfo`` class
313 ---------------------------
314
315 The ``TargetJITInfo`` class exposes an abstract interface used by the
316 Just-In-Time code generator to perform target-specific activities, such as
317 emitting stubs.  If a ``TargetMachine`` supports JIT code generation, it should
318 provide one of these objects through the ``getJITInfo`` method.
319
320 .. _code being generated:
321 .. _machine code representation:
322
323 Machine code description classes
324 ================================
325
326 At the high-level, LLVM code is translated to a machine specific representation
327 formed out of :raw-html:`<tt>` `MachineFunction`_ :raw-html:`</tt>`,
328 :raw-html:`<tt>` `MachineBasicBlock`_ :raw-html:`</tt>`, and :raw-html:`<tt>`
329 `MachineInstr`_ :raw-html:`</tt>` instances (defined in
330 ``include/llvm/CodeGen``).  This representation is completely target agnostic,
331 representing instructions in their most abstract form: an opcode and a series of
332 operands.  This representation is designed to support both an SSA representation
333 for machine code, as well as a register allocated, non-SSA form.
334
335 .. _MachineInstr:
336
337 The ``MachineInstr`` class
338 --------------------------
339
340 Target machine instructions are represented as instances of the ``MachineInstr``
341 class.  This class is an extremely abstract way of representing machine
342 instructions.  In particular, it only keeps track of an opcode number and a set
343 of operands.
344
345 The opcode number is a simple unsigned integer that only has meaning to a
346 specific backend.  All of the instructions for a target should be defined in the
347 ``*InstrInfo.td`` file for the target. The opcode enum values are auto-generated
348 from this description.  The ``MachineInstr`` class does not have any information
349 about how to interpret the instruction (i.e., what the semantics of the
350 instruction are); for that you must refer to the :raw-html:`<tt>`
351 `TargetInstrInfo`_ :raw-html:`</tt>` class.
352
353 The operands of a machine instruction can be of several different types: a
354 register reference, a constant integer, a basic block reference, etc.  In
355 addition, a machine operand should be marked as a def or a use of the value
356 (though only registers are allowed to be defs).
357
358 By convention, the LLVM code generator orders instruction operands so that all
359 register definitions come before the register uses, even on architectures that
360 are normally printed in other orders.  For example, the SPARC add instruction:
361 "``add %i1, %i2, %i3``" adds the "%i1", and "%i2" registers and stores the
362 result into the "%i3" register.  In the LLVM code generator, the operands should
363 be stored as "``%i3, %i1, %i2``": with the destination first.
364
365 Keeping destination (definition) operands at the beginning of the operand list
366 has several advantages.  In particular, the debugging printer will print the
367 instruction like this:
368
369 .. code-block:: llvm
370
371   %r3 = add %i1, %i2
372
373 Also if the first operand is a def, it is easier to `create instructions`_ whose
374 only def is the first operand.
375
376 .. _create instructions:
377
378 Using the ``MachineInstrBuilder.h`` functions
379 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
380
381 Machine instructions are created by using the ``BuildMI`` functions, located in
382 the ``include/llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h`` file.  The ``BuildMI``
383 functions make it easy to build arbitrary machine instructions.  Usage of the
384 ``BuildMI`` functions look like this:
385
386 .. code-block:: c++
387
388   // Create a 'DestReg = mov 42' (rendered in X86 assembly as 'mov DestReg, 42')
389   // instruction.  The '1' specifies how many operands will be added.
390   MachineInstr *MI = BuildMI(X86::MOV32ri, 1, DestReg).addImm(42);
391
392   // Create the same instr, but insert it at the end of a basic block.
393   MachineBasicBlock &MBB = ...
394   BuildMI(MBB, X86::MOV32ri, 1, DestReg).addImm(42);
395
396   // Create the same instr, but insert it before a specified iterator point.
397   MachineBasicBlock::iterator MBBI = ...
398   BuildMI(MBB, MBBI, X86::MOV32ri, 1, DestReg).addImm(42);
399
400   // Create a 'cmp Reg, 0' instruction, no destination reg.
401   MI = BuildMI(X86::CMP32ri, 2).addReg(Reg).addImm(0);
402
403   // Create an 'sahf' instruction which takes no operands and stores nothing.
404   MI = BuildMI(X86::SAHF, 0);
405
406   // Create a self looping branch instruction.
407   BuildMI(MBB, X86::JNE, 1).addMBB(&MBB);
408
409 The key thing to remember with the ``BuildMI`` functions is that you have to
410 specify the number of operands that the machine instruction will take.  This
411 allows for efficient memory allocation.  You also need to specify if operands
412 default to be uses of values, not definitions.  If you need to add a definition
413 operand (other than the optional destination register), you must explicitly mark
414 it as such:
415
416 .. code-block:: c++
417
418   MI.addReg(Reg, RegState::Define);
419
420 Fixed (preassigned) registers
421 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
422
423 One important issue that the code generator needs to be aware of is the presence
424 of fixed registers.  In particular, there are often places in the instruction
425 stream where the register allocator *must* arrange for a particular value to be
426 in a particular register.  This can occur due to limitations of the instruction
427 set (e.g., the X86 can only do a 32-bit divide with the ``EAX``/``EDX``
428 registers), or external factors like calling conventions.  In any case, the
429 instruction selector should emit code that copies a virtual register into or out
430 of a physical register when needed.
431
432 For example, consider this simple LLVM example:
433
434 .. code-block:: llvm
435
436   define i32 @test(i32 %X, i32 %Y) {
437     %Z = sdiv i32 %X, %Y
438     ret i32 %Z
439   }
440
441 The X86 instruction selector might produce this machine code for the ``div`` and
442 ``ret``:
443
444 .. code-block:: llvm
445
446   ;; Start of div
447   %EAX = mov %reg1024           ;; Copy X (in reg1024) into EAX
448   %reg1027 = sar %reg1024, 31
449   %EDX = mov %reg1027           ;; Sign extend X into EDX
450   idiv %reg1025                 ;; Divide by Y (in reg1025)
451   %reg1026 = mov %EAX           ;; Read the result (Z) out of EAX
452
453   ;; Start of ret
454   %EAX = mov %reg1026           ;; 32-bit return value goes in EAX
455   ret
456
457 By the end of code generation, the register allocator would coalesce the
458 registers and delete the resultant identity moves producing the following
459 code:
460
461 .. code-block:: llvm
462
463   ;; X is in EAX, Y is in ECX
464   mov %EAX, %EDX
465   sar %EDX, 31
466   idiv %ECX
467   ret
468
469 This approach is extremely general (if it can handle the X86 architecture, it
470 can handle anything!) and allows all of the target specific knowledge about the
471 instruction stream to be isolated in the instruction selector.  Note that
472 physical registers should have a short lifetime for good code generation, and
473 all physical registers are assumed dead on entry to and exit from basic blocks
474 (before register allocation).  Thus, if you need a value to be live across basic
475 block boundaries, it *must* live in a virtual register.
476
477 Call-clobbered registers
478 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
479
480 Some machine instructions, like calls, clobber a large number of physical
481 registers.  Rather than adding ``<def,dead>`` operands for all of them, it is
482 possible to use an ``MO_RegisterMask`` operand instead.  The register mask
483 operand holds a bit mask of preserved registers, and everything else is
484 considered to be clobbered by the instruction.
485
486 Machine code in SSA form
487 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
488
489 ``MachineInstr``'s are initially selected in SSA-form, and are maintained in
490 SSA-form until register allocation happens.  For the most part, this is
491 trivially simple since LLVM is already in SSA form; LLVM PHI nodes become
492 machine code PHI nodes, and virtual registers are only allowed to have a single
493 definition.
494
495 After register allocation, machine code is no longer in SSA-form because there
496 are no virtual registers left in the code.
497
498 .. _MachineBasicBlock:
499
500 The ``MachineBasicBlock`` class
501 -------------------------------
502
503 The ``MachineBasicBlock`` class contains a list of machine instructions
504 (:raw-html:`<tt>` `MachineInstr`_ :raw-html:`</tt>` instances).  It roughly
505 corresponds to the LLVM code input to the instruction selector, but there can be
506 a one-to-many mapping (i.e. one LLVM basic block can map to multiple machine
507 basic blocks). The ``MachineBasicBlock`` class has a "``getBasicBlock``" method,
508 which returns the LLVM basic block that it comes from.
509
510 .. _MachineFunction:
511
512 The ``MachineFunction`` class
513 -----------------------------
514
515 The ``MachineFunction`` class contains a list of machine basic blocks
516 (:raw-html:`<tt>` `MachineBasicBlock`_ :raw-html:`</tt>` instances).  It
517 corresponds one-to-one with the LLVM function input to the instruction selector.
518 In addition to a list of basic blocks, the ``MachineFunction`` contains a a
519 ``MachineConstantPool``, a ``MachineFrameInfo``, a ``MachineFunctionInfo``, and
520 a ``MachineRegisterInfo``.  See ``include/llvm/CodeGen/MachineFunction.h`` for
521 more information.
522
523 ``MachineInstr Bundles``
524 ------------------------
525
526 LLVM code generator can model sequences of instructions as MachineInstr
527 bundles. A MI bundle can model a VLIW group / pack which contains an arbitrary
528 number of parallel instructions. It can also be used to model a sequential list
529 of instructions (potentially with data dependencies) that cannot be legally
530 separated (e.g. ARM Thumb2 IT blocks).
531
532 Conceptually a MI bundle is a MI with a number of other MIs nested within:
533
534 ::
535
536   --------------
537   |   Bundle   | ---------
538   --------------          \
539          |           ----------------
540          |           |      MI      |
541          |           ----------------
542          |                   |
543          |           ----------------
544          |           |      MI      |
545          |           ----------------
546          |                   |
547          |           ----------------
548          |           |      MI      |
549          |           ----------------
550          |
551   --------------
552   |   Bundle   | --------
553   --------------         \
554          |           ----------------
555          |           |      MI      |
556          |           ----------------
557          |                   |
558          |           ----------------
559          |           |      MI      |
560          |           ----------------
561          |                   |
562          |                  ...
563          |
564   --------------
565   |   Bundle   | --------
566   --------------         \
567          |
568         ...
569
570 MI bundle support does not change the physical representations of
571 MachineBasicBlock and MachineInstr. All the MIs (including top level and nested
572 ones) are stored as sequential list of MIs. The "bundled" MIs are marked with
573 the 'InsideBundle' flag. A top level MI with the special BUNDLE opcode is used
574 to represent the start of a bundle. It's legal to mix BUNDLE MIs with indiviual
575 MIs that are not inside bundles nor represent bundles.
576
577 MachineInstr passes should operate on a MI bundle as a single unit. Member
578 methods have been taught to correctly handle bundles and MIs inside bundles.
579 The MachineBasicBlock iterator has been modified to skip over bundled MIs to
580 enforce the bundle-as-a-single-unit concept. An alternative iterator
581 instr_iterator has been added to MachineBasicBlock to allow passes to iterate
582 over all of the MIs in a MachineBasicBlock, including those which are nested
583 inside bundles. The top level BUNDLE instruction must have the correct set of
584 register MachineOperand's that represent the cumulative inputs and outputs of
585 the bundled MIs.
586
587 Packing / bundling of MachineInstr's should be done as part of the register
588 allocation super-pass. More specifically, the pass which determines what MIs
589 should be bundled together must be done after code generator exits SSA form
590 (i.e. after two-address pass, PHI elimination, and copy coalescing).  Bundles
591 should only be finalized (i.e. adding BUNDLE MIs and input and output register
592 MachineOperands) after virtual registers have been rewritten into physical
593 registers. This requirement eliminates the need to add virtual register operands
594 to BUNDLE instructions which would effectively double the virtual register def
595 and use lists.
596
597 .. _MC Layer:
598
599 The "MC" Layer
600 ==============
601
602 The MC Layer is used to represent and process code at the raw machine code
603 level, devoid of "high level" information like "constant pools", "jump tables",
604 "global variables" or anything like that.  At this level, LLVM handles things
605 like label names, machine instructions, and sections in the object file.  The
606 code in this layer is used for a number of important purposes: the tail end of
607 the code generator uses it to write a .s or .o file, and it is also used by the
608 llvm-mc tool to implement standalone machine code assemblers and disassemblers.
609
610 This section describes some of the important classes.  There are also a number
611 of important subsystems that interact at this layer, they are described later in
612 this manual.
613
614 .. _MCStreamer:
615
616 The ``MCStreamer`` API
617 ----------------------
618
619 MCStreamer is best thought of as an assembler API.  It is an abstract API which
620 is *implemented* in different ways (e.g. to output a .s file, output an ELF .o
621 file, etc) but whose API correspond directly to what you see in a .s file.
622 MCStreamer has one method per directive, such as EmitLabel, EmitSymbolAttribute,
623 SwitchSection, EmitValue (for .byte, .word), etc, which directly correspond to
624 assembly level directives.  It also has an EmitInstruction method, which is used
625 to output an MCInst to the streamer.
626
627 This API is most important for two clients: the llvm-mc stand-alone assembler is
628 effectively a parser that parses a line, then invokes a method on MCStreamer. In
629 the code generator, the `Code Emission`_ phase of the code generator lowers
630 higher level LLVM IR and Machine* constructs down to the MC layer, emitting
631 directives through MCStreamer.
632
633 On the implementation side of MCStreamer, there are two major implementations:
634 one for writing out a .s file (MCAsmStreamer), and one for writing out a .o
635 file (MCObjectStreamer).  MCAsmStreamer is a straight-forward implementation
636 that prints out a directive for each method (e.g. ``EmitValue -> .byte``), but
637 MCObjectStreamer implements a full assembler.
638
639 For target specific directives, the MCStreamer has a MCTargetStreamer instance.
640 Each target that needs it defines a class that inherits from it and is a lot
641 like MCStreamer itself: It has one method per directive and two classes that
642 inherit from it, a target object streamer and a target asm streamer. The target
643 asm streamer just prints it (``emitFnStart -> .fnstart``), and the object
644 streamer implement the assembler logic for it.
645
646 To make llvm use these classes, the target initialization must call
647 TargetRegistry::RegisterAsmStreamer and TargetRegistry::RegisterMCObjectStreamer
648 passing callbacks that allocate the corresponding target streamer and pass it
649 to createAsmStreamer or to the appropriate object streamer constructor.
650
651 The ``MCContext`` class
652 -----------------------
653
654 The MCContext class is the owner of a variety of uniqued data structures at the
655 MC layer, including symbols, sections, etc.  As such, this is the class that you
656 interact with to create symbols and sections.  This class can not be subclassed.
657
658 The ``MCSymbol`` class
659 ----------------------
660
661 The MCSymbol class represents a symbol (aka label) in the assembly file.  There
662 are two interesting kinds of symbols: assembler temporary symbols, and normal
663 symbols.  Assembler temporary symbols are used and processed by the assembler
664 but are discarded when the object file is produced.  The distinction is usually
665 represented by adding a prefix to the label, for example "L" labels are
666 assembler temporary labels in MachO.
667
668 MCSymbols are created by MCContext and uniqued there.  This means that MCSymbols
669 can be compared for pointer equivalence to find out if they are the same symbol.
670 Note that pointer inequality does not guarantee the labels will end up at
671 different addresses though.  It's perfectly legal to output something like this
672 to the .s file:
673
674 ::
675
676   foo:
677   bar:
678     .byte 4
679
680 In this case, both the foo and bar symbols will have the same address.
681
682 The ``MCSection`` class
683 -----------------------
684
685 The ``MCSection`` class represents an object-file specific section. It is
686 subclassed by object file specific implementations (e.g. ``MCSectionMachO``,
687 ``MCSectionCOFF``, ``MCSectionELF``) and these are created and uniqued by
688 MCContext.  The MCStreamer has a notion of the current section, which can be
689 changed with the SwitchToSection method (which corresponds to a ".section"
690 directive in a .s file).
691
692 .. _MCInst:
693
694 The ``MCInst`` class
695 --------------------
696
697 The ``MCInst`` class is a target-independent representation of an instruction.
698 It is a simple class (much more so than `MachineInstr`_) that holds a
699 target-specific opcode and a vector of MCOperands.  MCOperand, in turn, is a
700 simple discriminated union of three cases: 1) a simple immediate, 2) a target
701 register ID, 3) a symbolic expression (e.g. "``Lfoo-Lbar+42``") as an MCExpr.
702
703 MCInst is the common currency used to represent machine instructions at the MC
704 layer.  It is the type used by the instruction encoder, the instruction printer,
705 and the type generated by the assembly parser and disassembler.
706
707 .. _Target-independent algorithms:
708 .. _code generation algorithm:
709
710 Target-independent code generation algorithms
711 =============================================
712
713 This section documents the phases described in the `high-level design of the
714 code generator`_.  It explains how they work and some of the rationale behind
715 their design.
716
717 .. _Instruction Selection:
718 .. _instruction selection section:
719
720 Instruction Selection
721 ---------------------
722
723 Instruction Selection is the process of translating LLVM code presented to the
724 code generator into target-specific machine instructions.  There are several
725 well-known ways to do this in the literature.  LLVM uses a SelectionDAG based
726 instruction selector.
727
728 Portions of the DAG instruction selector are generated from the target
729 description (``*.td``) files.  Our goal is for the entire instruction selector
730 to be generated from these ``.td`` files, though currently there are still
731 things that require custom C++ code.
732
733 .. _SelectionDAG:
734
735 Introduction to SelectionDAGs
736 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
737
738 The SelectionDAG provides an abstraction for code representation in a way that
739 is amenable to instruction selection using automatic techniques
740 (e.g. dynamic-programming based optimal pattern matching selectors). It is also
741 well-suited to other phases of code generation; in particular, instruction
742 scheduling (SelectionDAG's are very close to scheduling DAGs post-selection).
743 Additionally, the SelectionDAG provides a host representation where a large
744 variety of very-low-level (but target-independent) `optimizations`_ may be
745 performed; ones which require extensive information about the instructions
746 efficiently supported by the target.
747
748 The SelectionDAG is a Directed-Acyclic-Graph whose nodes are instances of the
749 ``SDNode`` class.  The primary payload of the ``SDNode`` is its operation code
750 (Opcode) that indicates what operation the node performs and the operands to the
751 operation.  The various operation node types are described at the top of the
752 ``include/llvm/CodeGen/ISDOpcodes.h`` file.
753
754 Although most operations define a single value, each node in the graph may
755 define multiple values.  For example, a combined div/rem operation will define
756 both the dividend and the remainder. Many other situations require multiple
757 values as well.  Each node also has some number of operands, which are edges to
758 the node defining the used value.  Because nodes may define multiple values,
759 edges are represented by instances of the ``SDValue`` class, which is a
760 ``<SDNode, unsigned>`` pair, indicating the node and result value being used,
761 respectively.  Each value produced by an ``SDNode`` has an associated ``MVT``
762 (Machine Value Type) indicating what the type of the value is.
763
764 SelectionDAGs contain two different kinds of values: those that represent data
765 flow and those that represent control flow dependencies.  Data values are simple
766 edges with an integer or floating point value type.  Control edges are
767 represented as "chain" edges which are of type ``MVT::Other``.  These edges
768 provide an ordering between nodes that have side effects (such as loads, stores,
769 calls, returns, etc).  All nodes that have side effects should take a token
770 chain as input and produce a new one as output.  By convention, token chain
771 inputs are always operand #0, and chain results are always the last value
772 produced by an operation. However, after instruction selection, the
773 machine nodes have their chain after the instruction's operands, and
774 may be followed by glue nodes.
775
776 A SelectionDAG has designated "Entry" and "Root" nodes.  The Entry node is
777 always a marker node with an Opcode of ``ISD::EntryToken``.  The Root node is
778 the final side-effecting node in the token chain. For example, in a single basic
779 block function it would be the return node.
780
781 One important concept for SelectionDAGs is the notion of a "legal" vs.
782 "illegal" DAG.  A legal DAG for a target is one that only uses supported
783 operations and supported types.  On a 32-bit PowerPC, for example, a DAG with a
784 value of type i1, i8, i16, or i64 would be illegal, as would a DAG that uses a
785 SREM or UREM operation.  The `legalize types`_ and `legalize operations`_ phases
786 are responsible for turning an illegal DAG into a legal DAG.
787
788 .. _SelectionDAG-Process:
789
790 SelectionDAG Instruction Selection Process
791 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
792
793 SelectionDAG-based instruction selection consists of the following steps:
794
795 #. `Build initial DAG`_ --- This stage performs a simple translation from the
796    input LLVM code to an illegal SelectionDAG.
797
798 #. `Optimize SelectionDAG`_ --- This stage performs simple optimizations on the
799    SelectionDAG to simplify it, and recognize meta instructions (like rotates
800    and ``div``/``rem`` pairs) for targets that support these meta operations.
801    This makes the resultant code more efficient and the `select instructions
802    from DAG`_ phase (below) simpler.
803
804 #. `Legalize SelectionDAG Types`_ --- This stage transforms SelectionDAG nodes
805    to eliminate any types that are unsupported on the target.
806
807 #. `Optimize SelectionDAG`_ --- The SelectionDAG optimizer is run to clean up
808    redundancies exposed by type legalization.
809
810 #. `Legalize SelectionDAG Ops`_ --- This stage transforms SelectionDAG nodes to
811    eliminate any operations that are unsupported on the target.
812
813 #. `Optimize SelectionDAG`_ --- The SelectionDAG optimizer is run to eliminate
814    inefficiencies introduced by operation legalization.
815
816 #. `Select instructions from DAG`_ --- Finally, the target instruction selector
817    matches the DAG operations to target instructions.  This process translates
818    the target-independent input DAG into another DAG of target instructions.
819
820 #. `SelectionDAG Scheduling and Formation`_ --- The last phase assigns a linear
821    order to the instructions in the target-instruction DAG and emits them into
822    the MachineFunction being compiled.  This step uses traditional prepass
823    scheduling techniques.
824
825 After all of these steps are complete, the SelectionDAG is destroyed and the
826 rest of the code generation passes are run.
827
828 One great way to visualize what is going on here is to take advantage of a few
829 LLC command line options.  The following options pop up a window displaying the
830 SelectionDAG at specific times (if you only get errors printed to the console
831 while using this, you probably `need to configure your
832 system <ProgrammersManual.html#viewing-graphs-while-debugging-code>`_ to add support for it).
833
834 * ``-view-dag-combine1-dags`` displays the DAG after being built, before the
835   first optimization pass.
836
837 * ``-view-legalize-dags`` displays the DAG before Legalization.
838
839 * ``-view-dag-combine2-dags`` displays the DAG before the second optimization
840   pass.
841
842 * ``-view-isel-dags`` displays the DAG before the Select phase.
843
844 * ``-view-sched-dags`` displays the DAG before Scheduling.
845
846 The ``-view-sunit-dags`` displays the Scheduler's dependency graph.  This graph
847 is based on the final SelectionDAG, with nodes that must be scheduled together
848 bundled into a single scheduling-unit node, and with immediate operands and
849 other nodes that aren't relevant for scheduling omitted.
850
851 The option ``-filter-view-dags`` allows to select the name of the basic block
852 that you are interested to visualize and filters all the previous
853 ``view-*-dags`` options.
854
855 .. _Build initial DAG:
856
857 Initial SelectionDAG Construction
858 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
859
860 The initial SelectionDAG is na\ :raw-html:`&iuml;`\ vely peephole expanded from
861 the LLVM input by the ``SelectionDAGBuilder`` class.  The intent of this pass
862 is to expose as much low-level, target-specific details to the SelectionDAG as
863 possible.  This pass is mostly hard-coded (e.g. an LLVM ``add`` turns into an
864 ``SDNode add`` while a ``getelementptr`` is expanded into the obvious
865 arithmetic). This pass requires target-specific hooks to lower calls, returns,
866 varargs, etc.  For these features, the :raw-html:`<tt>` `TargetLowering`_
867 :raw-html:`</tt>` interface is used.
868
869 .. _legalize types:
870 .. _Legalize SelectionDAG Types:
871 .. _Legalize SelectionDAG Ops:
872
873 SelectionDAG LegalizeTypes Phase
874 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
875
876 The Legalize phase is in charge of converting a DAG to only use the types that
877 are natively supported by the target.
878
879 There are two main ways of converting values of unsupported scalar types to
880 values of supported types: converting small types to larger types ("promoting"),
881 and breaking up large integer types into smaller ones ("expanding").  For
882 example, a target might require that all f32 values are promoted to f64 and that
883 all i1/i8/i16 values are promoted to i32.  The same target might require that
884 all i64 values be expanded into pairs of i32 values.  These changes can insert
885 sign and zero extensions as needed to make sure that the final code has the same
886 behavior as the input.
887
888 There are two main ways of converting values of unsupported vector types to
889 value of supported types: splitting vector types, multiple times if necessary,
890 until a legal type is found, and extending vector types by adding elements to
891 the end to round them out to legal types ("widening").  If a vector gets split
892 all the way down to single-element parts with no supported vector type being
893 found, the elements are converted to scalars ("scalarizing").
894
895 A target implementation tells the legalizer which types are supported (and which
896 register class to use for them) by calling the ``addRegisterClass`` method in
897 its ``TargetLowering`` constructor.
898
899 .. _legalize operations:
900 .. _Legalizer:
901
902 SelectionDAG Legalize Phase
903 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
904
905 The Legalize phase is in charge of converting a DAG to only use the operations
906 that are natively supported by the target.
907
908 Targets often have weird constraints, such as not supporting every operation on
909 every supported datatype (e.g. X86 does not support byte conditional moves and
910 PowerPC does not support sign-extending loads from a 16-bit memory location).
911 Legalize takes care of this by open-coding another sequence of operations to
912 emulate the operation ("expansion"), by promoting one type to a larger type that
913 supports the operation ("promotion"), or by using a target-specific hook to
914 implement the legalization ("custom").
915
916 A target implementation tells the legalizer which operations are not supported
917 (and which of the above three actions to take) by calling the
918 ``setOperationAction`` method in its ``TargetLowering`` constructor.
919
920 Prior to the existence of the Legalize passes, we required that every target
921 `selector`_ supported and handled every operator and type even if they are not
922 natively supported.  The introduction of the Legalize phases allows all of the
923 canonicalization patterns to be shared across targets, and makes it very easy to
924 optimize the canonicalized code because it is still in the form of a DAG.
925
926 .. _optimizations:
927 .. _Optimize SelectionDAG:
928 .. _selector:
929
930 SelectionDAG Optimization Phase: the DAG Combiner
931 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
932
933 The SelectionDAG optimization phase is run multiple times for code generation,
934 immediately after the DAG is built and once after each legalization.  The first
935 run of the pass allows the initial code to be cleaned up (e.g. performing
936 optimizations that depend on knowing that the operators have restricted type
937 inputs).  Subsequent runs of the pass clean up the messy code generated by the
938 Legalize passes, which allows Legalize to be very simple (it can focus on making
939 code legal instead of focusing on generating *good* and legal code).
940
941 One important class of optimizations performed is optimizing inserted sign and
942 zero extension instructions.  We currently use ad-hoc techniques, but could move
943 to more rigorous techniques in the future.  Here are some good papers on the
944 subject:
945
946 "`Widening integer arithmetic <http://www.eecs.harvard.edu/~nr/pubs/widen-abstract.html>`_" :raw-html:`<br>`
947 Kevin Redwine and Norman Ramsey :raw-html:`<br>`
948 International Conference on Compiler Construction (CC) 2004
949
950 "`Effective sign extension elimination <http://portal.acm.org/citation.cfm?doid=512529.512552>`_"  :raw-html:`<br>`
951 Motohiro Kawahito, Hideaki Komatsu, and Toshio Nakatani :raw-html:`<br>`
952 Proceedings of the ACM SIGPLAN 2002 Conference on Programming Language Design
953 and Implementation.
954
955 .. _Select instructions from DAG:
956
957 SelectionDAG Select Phase
958 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
959
960 The Select phase is the bulk of the target-specific code for instruction
961 selection.  This phase takes a legal SelectionDAG as input, pattern matches the
962 instructions supported by the target to this DAG, and produces a new DAG of
963 target code.  For example, consider the following LLVM fragment:
964
965 .. code-block:: llvm
966
967   %t1 = fadd float %W, %X
968   %t2 = fmul float %t1, %Y
969   %t3 = fadd float %t2, %Z
970
971 This LLVM code corresponds to a SelectionDAG that looks basically like this:
972
973 .. code-block:: llvm
974
975   (fadd:f32 (fmul:f32 (fadd:f32 W, X), Y), Z)
976
977 If a target supports floating point multiply-and-add (FMA) operations, one of
978 the adds can be merged with the multiply.  On the PowerPC, for example, the
979 output of the instruction selector might look like this DAG:
980
981 ::
982
983   (FMADDS (FADDS W, X), Y, Z)
984
985 The ``FMADDS`` instruction is a ternary instruction that multiplies its first
986 two operands and adds the third (as single-precision floating-point numbers).
987 The ``FADDS`` instruction is a simple binary single-precision add instruction.
988 To perform this pattern match, the PowerPC backend includes the following
989 instruction definitions:
990
991 .. code-block:: text
992   :emphasize-lines: 4-5,9
993
994   def FMADDS : AForm_1<59, 29,
995                       (ops F4RC:$FRT, F4RC:$FRA, F4RC:$FRC, F4RC:$FRB),
996                       "fmadds $FRT, $FRA, $FRC, $FRB",
997                       [(set F4RC:$FRT, (fadd (fmul F4RC:$FRA, F4RC:$FRC),
998                                              F4RC:$FRB))]>;
999   def FADDS : AForm_2<59, 21,
1000                       (ops F4RC:$FRT, F4RC:$FRA, F4RC:$FRB),
1001                       "fadds $FRT, $FRA, $FRB",
1002                       [(set F4RC:$FRT, (fadd F4RC:$FRA, F4RC:$FRB))]>;
1003
1004 The highlighted portion of the instruction definitions indicates the pattern
1005 used to match the instructions. The DAG operators (like ``fmul``/``fadd``)
1006 are defined in the ``include/llvm/Target/TargetSelectionDAG.td`` file.
1007 "``F4RC``" is the register class of the input and result values.
1008
1009 The TableGen DAG instruction selector generator reads the instruction patterns
1010 in the ``.td`` file and automatically builds parts of the pattern matching code
1011 for your target.  It has the following strengths:
1012
1013 * At compiler-compiler time, it analyzes your instruction patterns and tells you
1014   if your patterns make sense or not.
1015
1016 * It can handle arbitrary constraints on operands for the pattern match.  In
1017   particular, it is straight-forward to say things like "match any immediate
1018   that is a 13-bit sign-extended value".  For examples, see the ``immSExt16``
1019   and related ``tblgen`` classes in the PowerPC backend.
1020
1021 * It knows several important identities for the patterns defined.  For example,
1022   it knows that addition is commutative, so it allows the ``FMADDS`` pattern
1023   above to match "``(fadd X, (fmul Y, Z))``" as well as "``(fadd (fmul X, Y),
1024   Z)``", without the target author having to specially handle this case.
1025
1026 * It has a full-featured type-inferencing system.  In particular, you should
1027   rarely have to explicitly tell the system what type parts of your patterns
1028   are.  In the ``FMADDS`` case above, we didn't have to tell ``tblgen`` that all
1029   of the nodes in the pattern are of type 'f32'.  It was able to infer and
1030   propagate this knowledge from the fact that ``F4RC`` has type 'f32'.
1031
1032 * Targets can define their own (and rely on built-in) "pattern fragments".
1033   Pattern fragments are chunks of reusable patterns that get inlined into your
1034   patterns during compiler-compiler time.  For example, the integer "``(not
1035   x)``" operation is actually defined as a pattern fragment that expands as
1036   "``(xor x, -1)``", since the SelectionDAG does not have a native '``not``'
1037   operation.  Targets can define their own short-hand fragments as they see fit.
1038   See the definition of '``not``' and '``ineg``' for examples.
1039
1040 * In addition to instructions, targets can specify arbitrary patterns that map
1041   to one or more instructions using the 'Pat' class.  For example, the PowerPC
1042   has no way to load an arbitrary integer immediate into a register in one
1043   instruction. To tell tblgen how to do this, it defines:
1044
1045   ::
1046
1047     // Arbitrary immediate support.  Implement in terms of LIS/ORI.
1048     def : Pat<(i32 imm:$imm),
1049               (ORI (LIS (HI16 imm:$imm)), (LO16 imm:$imm))>;
1050
1051   If none of the single-instruction patterns for loading an immediate into a
1052   register match, this will be used.  This rule says "match an arbitrary i32
1053   immediate, turning it into an ``ORI`` ('or a 16-bit immediate') and an ``LIS``
1054   ('load 16-bit immediate, where the immediate is shifted to the left 16 bits')
1055   instruction".  To make this work, the ``LO16``/``HI16`` node transformations
1056   are used to manipulate the input immediate (in this case, take the high or low
1057   16-bits of the immediate).
1058
1059 * When using the 'Pat' class to map a pattern to an instruction that has one
1060   or more complex operands (like e.g. `X86 addressing mode`_), the pattern may
1061   either specify the operand as a whole using a ``ComplexPattern``, or else it
1062   may specify the components of the complex operand separately.  The latter is
1063   done e.g. for pre-increment instructions by the PowerPC back end:
1064
1065   ::
1066
1067     def STWU  : DForm_1<37, (outs ptr_rc:$ea_res), (ins GPRC:$rS, memri:$dst),
1068                     "stwu $rS, $dst", LdStStoreUpd, []>,
1069                     RegConstraint<"$dst.reg = $ea_res">, NoEncode<"$ea_res">;
1070
1071     def : Pat<(pre_store GPRC:$rS, ptr_rc:$ptrreg, iaddroff:$ptroff),
1072               (STWU GPRC:$rS, iaddroff:$ptroff, ptr_rc:$ptrreg)>;
1073
1074   Here, the pair of ``ptroff`` and ``ptrreg`` operands is matched onto the
1075   complex operand ``dst`` of class ``memri`` in the ``STWU`` instruction.
1076
1077 * While the system does automate a lot, it still allows you to write custom C++
1078   code to match special cases if there is something that is hard to
1079   express.
1080
1081 While it has many strengths, the system currently has some limitations,
1082 primarily because it is a work in progress and is not yet finished:
1083
1084 * Overall, there is no way to define or match SelectionDAG nodes that define
1085   multiple values (e.g. ``SMUL_LOHI``, ``LOAD``, ``CALL``, etc).  This is the
1086   biggest reason that you currently still *have to* write custom C++ code
1087   for your instruction selector.
1088
1089 * There is no great way to support matching complex addressing modes yet.  In
1090   the future, we will extend pattern fragments to allow them to define multiple
1091   values (e.g. the four operands of the `X86 addressing mode`_, which are
1092   currently matched with custom C++ code).  In addition, we'll extend fragments
1093   so that a fragment can match multiple different patterns.
1094
1095 * We don't automatically infer flags like ``isStore``/``isLoad`` yet.
1096
1097 * We don't automatically generate the set of supported registers and operations
1098   for the `Legalizer`_ yet.
1099
1100 * We don't have a way of tying in custom legalized nodes yet.
1101
1102 Despite these limitations, the instruction selector generator is still quite
1103 useful for most of the binary and logical operations in typical instruction
1104 sets.  If you run into any problems or can't figure out how to do something,
1105 please let Chris know!
1106
1107 .. _Scheduling and Formation:
1108 .. _SelectionDAG Scheduling and Formation:
1109
1110 SelectionDAG Scheduling and Formation Phase
1111 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1112
1113 The scheduling phase takes the DAG of target instructions from the selection
1114 phase and assigns an order.  The scheduler can pick an order depending on
1115 various constraints of the machines (i.e. order for minimal register pressure or
1116 try to cover instruction latencies).  Once an order is established, the DAG is
1117 converted to a list of :raw-html:`<tt>` `MachineInstr`_\s :raw-html:`</tt>` and
1118 the SelectionDAG is destroyed.
1119
1120 Note that this phase is logically separate from the instruction selection phase,
1121 but is tied to it closely in the code because it operates on SelectionDAGs.
1122
1123 Future directions for the SelectionDAG
1124 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1125
1126 #. Optional function-at-a-time selection.
1127
1128 #. Auto-generate entire selector from ``.td`` file.
1129
1130 .. _SSA-based Machine Code Optimizations:
1131
1132 SSA-based Machine Code Optimizations
1133 ------------------------------------
1134
1135 To Be Written
1136
1137 Live Intervals
1138 --------------
1139
1140 Live Intervals are the ranges (intervals) where a variable is *live*.  They are
1141 used by some `register allocator`_ passes to determine if two or more virtual
1142 registers which require the same physical register are live at the same point in
1143 the program (i.e., they conflict).  When this situation occurs, one virtual
1144 register must be *spilled*.
1145
1146 Live Variable Analysis
1147 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1148
1149 The first step in determining the live intervals of variables is to calculate
1150 the set of registers that are immediately dead after the instruction (i.e., the
1151 instruction calculates the value, but it is never used) and the set of registers
1152 that are used by the instruction, but are never used after the instruction
1153 (i.e., they are killed). Live variable information is computed for
1154 each *virtual* register and *register allocatable* physical register
1155 in the function.  This is done in a very efficient manner because it uses SSA to
1156 sparsely compute lifetime information for virtual registers (which are in SSA
1157 form) and only has to track physical registers within a block.  Before register
1158 allocation, LLVM can assume that physical registers are only live within a
1159 single basic block.  This allows it to do a single, local analysis to resolve
1160 physical register lifetimes within each basic block. If a physical register is
1161 not register allocatable (e.g., a stack pointer or condition codes), it is not
1162 tracked.
1163
1164 Physical registers may be live in to or out of a function. Live in values are
1165 typically arguments in registers. Live out values are typically return values in
1166 registers. Live in values are marked as such, and are given a dummy "defining"
1167 instruction during live intervals analysis. If the last basic block of a
1168 function is a ``return``, then it's marked as using all live out values in the
1169 function.
1170
1171 ``PHI`` nodes need to be handled specially, because the calculation of the live
1172 variable information from a depth first traversal of the CFG of the function
1173 won't guarantee that a virtual register used by the ``PHI`` node is defined
1174 before it's used. When a ``PHI`` node is encountered, only the definition is
1175 handled, because the uses will be handled in other basic blocks.
1176
1177 For each ``PHI`` node of the current basic block, we simulate an assignment at
1178 the end of the current basic block and traverse the successor basic blocks. If a
1179 successor basic block has a ``PHI`` node and one of the ``PHI`` node's operands
1180 is coming from the current basic block, then the variable is marked as *alive*
1181 within the current basic block and all of its predecessor basic blocks, until
1182 the basic block with the defining instruction is encountered.
1183
1184 Live Intervals Analysis
1185 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1186
1187 We now have the information available to perform the live intervals analysis and
1188 build the live intervals themselves.  We start off by numbering the basic blocks
1189 and machine instructions.  We then handle the "live-in" values.  These are in
1190 physical registers, so the physical register is assumed to be killed by the end
1191 of the basic block.  Live intervals for virtual registers are computed for some
1192 ordering of the machine instructions ``[1, N]``.  A live interval is an interval
1193 ``[i, j)``, where ``1 >= i >= j > N``, for which a variable is live.
1194
1195 .. note::
1196   More to come...
1197
1198 .. _Register Allocation:
1199 .. _register allocator:
1200
1201 Register Allocation
1202 -------------------
1203
1204 The *Register Allocation problem* consists in mapping a program
1205 :raw-html:`<b><tt>` P\ :sub:`v`\ :raw-html:`</tt></b>`, that can use an unbounded
1206 number of virtual registers, to a program :raw-html:`<b><tt>` P\ :sub:`p`\
1207 :raw-html:`</tt></b>` that contains a finite (possibly small) number of physical
1208 registers. Each target architecture has a different number of physical
1209 registers. If the number of physical registers is not enough to accommodate all
1210 the virtual registers, some of them will have to be mapped into memory. These
1211 virtuals are called *spilled virtuals*.
1212
1213 How registers are represented in LLVM
1214 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1215
1216 In LLVM, physical registers are denoted by integer numbers that normally range
1217 from 1 to 1023. To see how this numbering is defined for a particular
1218 architecture, you can read the ``GenRegisterNames.inc`` file for that
1219 architecture. For instance, by inspecting
1220 ``lib/Target/X86/X86GenRegisterInfo.inc`` we see that the 32-bit register
1221 ``EAX`` is denoted by 43, and the MMX register ``MM0`` is mapped to 65.
1222
1223 Some architectures contain registers that share the same physical location. A
1224 notable example is the X86 platform. For instance, in the X86 architecture, the
1225 registers ``EAX``, ``AX`` and ``AL`` share the first eight bits. These physical
1226 registers are marked as *aliased* in LLVM. Given a particular architecture, you
1227 can check which registers are aliased by inspecting its ``RegisterInfo.td``
1228 file. Moreover, the class ``MCRegAliasIterator`` enumerates all the physical
1229 registers aliased to a register.
1230
1231 Physical registers, in LLVM, are grouped in *Register Classes*.  Elements in the
1232 same register class are functionally equivalent, and can be interchangeably
1233 used. Each virtual register can only be mapped to physical registers of a
1234 particular class. For instance, in the X86 architecture, some virtuals can only
1235 be allocated to 8 bit registers.  A register class is described by
1236 ``TargetRegisterClass`` objects.  To discover if a virtual register is
1237 compatible with a given physical, this code can be used:
1238
1239 .. code-block:: c++
1240
1241   bool RegMapping_Fer::compatible_class(MachineFunction &mf,
1242                                         unsigned v_reg,
1243                                         unsigned p_reg) {
1244     assert(TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(p_reg) &&
1245            "Target register must be physical");
1246     const TargetRegisterClass *trc = mf.getRegInfo().getRegClass(v_reg);
1247     return trc->contains(p_reg);
1248   }
1249
1250 Sometimes, mostly for debugging purposes, it is useful to change the number of
1251 physical registers available in the target architecture. This must be done
1252 statically, inside the ``TargetRegsterInfo.td`` file. Just ``grep`` for
1253 ``RegisterClass``, the last parameter of which is a list of registers. Just
1254 commenting some out is one simple way to avoid them being used. A more polite
1255 way is to explicitly exclude some registers from the *allocation order*. See the
1256 definition of the ``GR8`` register class in
1257 ``lib/Target/X86/X86RegisterInfo.td`` for an example of this.
1258
1259 Virtual registers are also denoted by integer numbers. Contrary to physical
1260 registers, different virtual registers never share the same number. Whereas
1261 physical registers are statically defined in a ``TargetRegisterInfo.td`` file
1262 and cannot be created by the application developer, that is not the case with
1263 virtual registers. In order to create new virtual registers, use the method
1264 ``MachineRegisterInfo::createVirtualRegister()``. This method will return a new
1265 virtual register. Use an ``IndexedMap<Foo, VirtReg2IndexFunctor>`` to hold
1266 information per virtual register. If you need to enumerate all virtual
1267 registers, use the function ``TargetRegisterInfo::index2VirtReg()`` to find the
1268 virtual register numbers:
1269
1270 .. code-block:: c++
1271
1272     for (unsigned i = 0, e = MRI->getNumVirtRegs(); i != e; ++i) {
1273       unsigned VirtReg = TargetRegisterInfo::index2VirtReg(i);
1274       stuff(VirtReg);
1275     }
1276
1277 Before register allocation, the operands of an instruction are mostly virtual
1278 registers, although physical registers may also be used. In order to check if a
1279 given machine operand is a register, use the boolean function
1280 ``MachineOperand::isRegister()``. To obtain the integer code of a register, use
1281 ``MachineOperand::getReg()``. An instruction may define or use a register. For
1282 instance, ``ADD reg:1026 := reg:1025 reg:1024`` defines the registers 1024, and
1283 uses registers 1025 and 1026. Given a register operand, the method
1284 ``MachineOperand::isUse()`` informs if that register is being used by the
1285 instruction. The method ``MachineOperand::isDef()`` informs if that registers is
1286 being defined.
1287
1288 We will call physical registers present in the LLVM bitcode before register
1289 allocation *pre-colored registers*. Pre-colored registers are used in many
1290 different situations, for instance, to pass parameters of functions calls, and
1291 to store results of particular instructions. There are two types of pre-colored
1292 registers: the ones *implicitly* defined, and those *explicitly*
1293 defined. Explicitly defined registers are normal operands, and can be accessed
1294 with ``MachineInstr::getOperand(int)::getReg()``.  In order to check which
1295 registers are implicitly defined by an instruction, use the
1296 ``TargetInstrInfo::get(opcode)::ImplicitDefs``, where ``opcode`` is the opcode
1297 of the target instruction. One important difference between explicit and
1298 implicit physical registers is that the latter are defined statically for each
1299 instruction, whereas the former may vary depending on the program being
1300 compiled. For example, an instruction that represents a function call will
1301 always implicitly define or use the same set of physical registers. To read the
1302 registers implicitly used by an instruction, use
1303 ``TargetInstrInfo::get(opcode)::ImplicitUses``. Pre-colored registers impose
1304 constraints on any register allocation algorithm. The register allocator must
1305 make sure that none of them are overwritten by the values of virtual registers
1306 while still alive.
1307
1308 Mapping virtual registers to physical registers
1309 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1310
1311 There are two ways to map virtual registers to physical registers (or to memory
1312 slots). The first way, that we will call *direct mapping*, is based on the use
1313 of methods of the classes ``TargetRegisterInfo``, and ``MachineOperand``. The
1314 second way, that we will call *indirect mapping*, relies on the ``VirtRegMap``
1315 class in order to insert loads and stores sending and getting values to and from
1316 memory.
1317
1318 The direct mapping provides more flexibility to the developer of the register
1319 allocator; however, it is more error prone, and demands more implementation
1320 work.  Basically, the programmer will have to specify where load and store
1321 instructions should be inserted in the target function being compiled in order
1322 to get and store values in memory. To assign a physical register to a virtual
1323 register present in a given operand, use ``MachineOperand::setReg(p_reg)``. To
1324 insert a store instruction, use ``TargetInstrInfo::storeRegToStackSlot(...)``,
1325 and to insert a load instruction, use ``TargetInstrInfo::loadRegFromStackSlot``.
1326
1327 The indirect mapping shields the application developer from the complexities of
1328 inserting load and store instructions. In order to map a virtual register to a
1329 physical one, use ``VirtRegMap::assignVirt2Phys(vreg, preg)``.  In order to map
1330 a certain virtual register to memory, use
1331 ``VirtRegMap::assignVirt2StackSlot(vreg)``. This method will return the stack
1332 slot where ``vreg``'s value will be located.  If it is necessary to map another
1333 virtual register to the same stack slot, use
1334 ``VirtRegMap::assignVirt2StackSlot(vreg, stack_location)``. One important point
1335 to consider when using the indirect mapping, is that even if a virtual register
1336 is mapped to memory, it still needs to be mapped to a physical register. This
1337 physical register is the location where the virtual register is supposed to be
1338 found before being stored or after being reloaded.
1339
1340 If the indirect strategy is used, after all the virtual registers have been
1341 mapped to physical registers or stack slots, it is necessary to use a spiller
1342 object to place load and store instructions in the code. Every virtual that has
1343 been mapped to a stack slot will be stored to memory after being defined and will
1344 be loaded before being used. The implementation of the spiller tries to recycle
1345 load/store instructions, avoiding unnecessary instructions. For an example of
1346 how to invoke the spiller, see ``RegAllocLinearScan::runOnMachineFunction`` in
1347 ``lib/CodeGen/RegAllocLinearScan.cpp``.
1348
1349 Handling two address instructions
1350 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1351
1352 With very rare exceptions (e.g., function calls), the LLVM machine code
1353 instructions are three address instructions. That is, each instruction is
1354 expected to define at most one register, and to use at most two registers.
1355 However, some architectures use two address instructions. In this case, the
1356 defined register is also one of the used registers. For instance, an instruction
1357 such as ``ADD %EAX, %EBX``, in X86 is actually equivalent to ``%EAX = %EAX +
1358 %EBX``.
1359
1360 In order to produce correct code, LLVM must convert three address instructions
1361 that represent two address instructions into true two address instructions. LLVM
1362 provides the pass ``TwoAddressInstructionPass`` for this specific purpose. It
1363 must be run before register allocation takes place. After its execution, the
1364 resulting code may no longer be in SSA form. This happens, for instance, in
1365 situations where an instruction such as ``%a = ADD %b %c`` is converted to two
1366 instructions such as:
1367
1368 ::
1369
1370   %a = MOVE %b
1371   %a = ADD %a %c
1372
1373 Notice that, internally, the second instruction is represented as ``ADD
1374 %a[def/use] %c``. I.e., the register operand ``%a`` is both used and defined by
1375 the instruction.
1376
1377 The SSA deconstruction phase
1378 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1379
1380 An important transformation that happens during register allocation is called
1381 the *SSA Deconstruction Phase*. The SSA form simplifies many analyses that are
1382 performed on the control flow graph of programs. However, traditional
1383 instruction sets do not implement PHI instructions. Thus, in order to generate
1384 executable code, compilers must replace PHI instructions with other instructions
1385 that preserve their semantics.
1386
1387 There are many ways in which PHI instructions can safely be removed from the
1388 target code. The most traditional PHI deconstruction algorithm replaces PHI
1389 instructions with copy instructions. That is the strategy adopted by LLVM. The
1390 SSA deconstruction algorithm is implemented in
1391 ``lib/CodeGen/PHIElimination.cpp``. In order to invoke this pass, the identifier
1392 ``PHIEliminationID`` must be marked as required in the code of the register
1393 allocator.
1394
1395 Instruction folding
1396 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1397
1398 *Instruction folding* is an optimization performed during register allocation
1399 that removes unnecessary copy instructions. For instance, a sequence of
1400 instructions such as:
1401
1402 ::
1403
1404   %EBX = LOAD %mem_address
1405   %EAX = COPY %EBX
1406
1407 can be safely substituted by the single instruction:
1408
1409 ::
1410
1411   %EAX = LOAD %mem_address
1412
1413 Instructions can be folded with the
1414 ``TargetRegisterInfo::foldMemoryOperand(...)`` method. Care must be taken when
1415 folding instructions; a folded instruction can be quite different from the
1416 original instruction. See ``LiveIntervals::addIntervalsForSpills`` in
1417 ``lib/CodeGen/LiveIntervalAnalysis.cpp`` for an example of its use.
1418
1419 Built in register allocators
1420 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1421
1422 The LLVM infrastructure provides the application developer with three different
1423 register allocators:
1424
1425 * *Fast* --- This register allocator is the default for debug builds. It
1426   allocates registers on a basic block level, attempting to keep values in
1427   registers and reusing registers as appropriate.
1428
1429 * *Basic* --- This is an incremental approach to register allocation. Live
1430   ranges are assigned to registers one at a time in an order that is driven by
1431   heuristics. Since code can be rewritten on-the-fly during allocation, this
1432   framework allows interesting allocators to be developed as extensions. It is
1433   not itself a production register allocator but is a potentially useful
1434   stand-alone mode for triaging bugs and as a performance baseline.
1435
1436 * *Greedy* --- *The default allocator*. This is a highly tuned implementation of
1437   the *Basic* allocator that incorporates global live range splitting. This
1438   allocator works hard to minimize the cost of spill code.
1439
1440 * *PBQP* --- A Partitioned Boolean Quadratic Programming (PBQP) based register
1441   allocator. This allocator works by constructing a PBQP problem representing
1442   the register allocation problem under consideration, solving this using a PBQP
1443   solver, and mapping the solution back to a register assignment.
1444
1445 The type of register allocator used in ``llc`` can be chosen with the command
1446 line option ``-regalloc=...``:
1447
1448 .. code-block:: bash
1449
1450   $ llc -regalloc=linearscan file.bc -o ln.s
1451   $ llc -regalloc=fast file.bc -o fa.s
1452   $ llc -regalloc=pbqp file.bc -o pbqp.s
1453
1454 .. _Prolog/Epilog Code Insertion:
1455
1456 Prolog/Epilog Code Insertion
1457 ----------------------------
1458
1459 Compact Unwind
1460
1461 Throwing an exception requires *unwinding* out of a function. The information on
1462 how to unwind a given function is traditionally expressed in DWARF unwind
1463 (a.k.a. frame) info. But that format was originally developed for debuggers to
1464 backtrace, and each Frame Description Entry (FDE) requires ~20-30 bytes per
1465 function. There is also the cost of mapping from an address in a function to the
1466 corresponding FDE at runtime. An alternative unwind encoding is called *compact
1467 unwind* and requires just 4-bytes per function.
1468
1469 The compact unwind encoding is a 32-bit value, which is encoded in an
1470 architecture-specific way. It specifies which registers to restore and from
1471 where, and how to unwind out of the function. When the linker creates a final
1472 linked image, it will create a ``__TEXT,__unwind_info`` section. This section is
1473 a small and fast way for the runtime to access unwind info for any given
1474 function. If we emit compact unwind info for the function, that compact unwind
1475 info will be encoded in the ``__TEXT,__unwind_info`` section. If we emit DWARF
1476 unwind info, the ``__TEXT,__unwind_info`` section will contain the offset of the
1477 FDE in the ``__TEXT,__eh_frame`` section in the final linked image.
1478
1479 For X86, there are three modes for the compact unwind encoding:
1480
1481 *Function with a Frame Pointer (``EBP`` or ``RBP``)*
1482   ``EBP/RBP``-based frame, where ``EBP/RBP`` is pushed onto the stack
1483   immediately after the return address, then ``ESP/RSP`` is moved to
1484   ``EBP/RBP``. Thus to unwind, ``ESP/RSP`` is restored with the current
1485   ``EBP/RBP`` value, then ``EBP/RBP`` is restored by popping the stack, and the
1486   return is done by popping the stack once more into the PC. All non-volatile
1487   registers that need to be restored must have been saved in a small range on
1488   the stack that starts ``EBP-4`` to ``EBP-1020`` (``RBP-8`` to
1489   ``RBP-1020``). The offset (divided by 4 in 32-bit mode and 8 in 64-bit mode)
1490   is encoded in bits 16-23 (mask: ``0x00FF0000``).  The registers saved are
1491   encoded in bits 0-14 (mask: ``0x00007FFF``) as five 3-bit entries from the
1492   following table:
1493
1494     ==============  =============  ===============
1495     Compact Number  i386 Register  x86-64 Register
1496     ==============  =============  ===============
1497     1               ``EBX``        ``RBX``
1498     2               ``ECX``        ``R12``
1499     3               ``EDX``        ``R13``
1500     4               ``EDI``        ``R14``
1501     5               ``ESI``        ``R15``
1502     6               ``EBP``        ``RBP``
1503     ==============  =============  ===============
1504
1505 *Frameless with a Small Constant Stack Size (``EBP`` or ``RBP`` is not used as a frame pointer)*
1506   To return, a constant (encoded in the compact unwind encoding) is added to the
1507   ``ESP/RSP``.  Then the return is done by popping the stack into the PC. All
1508   non-volatile registers that need to be restored must have been saved on the
1509   stack immediately after the return address. The stack size (divided by 4 in
1510   32-bit mode and 8 in 64-bit mode) is encoded in bits 16-23 (mask:
1511   ``0x00FF0000``). There is a maximum stack size of 1024 bytes in 32-bit mode
1512   and 2048 in 64-bit mode. The number of registers saved is encoded in bits 9-12
1513   (mask: ``0x00001C00``). Bits 0-9 (mask: ``0x000003FF``) contain which
1514   registers were saved and their order. (See the
1515   ``encodeCompactUnwindRegistersWithoutFrame()`` function in
1516   ``lib/Target/X86FrameLowering.cpp`` for the encoding algorithm.)
1517
1518 *Frameless with a Large Constant Stack Size (``EBP`` or ``RBP`` is not used as a frame pointer)*
1519   This case is like the "Frameless with a Small Constant Stack Size" case, but
1520   the stack size is too large to encode in the compact unwind encoding. Instead
1521   it requires that the function contains "``subl $nnnnnn, %esp``" in its
1522   prolog. The compact encoding contains the offset to the ``$nnnnnn`` value in
1523   the function in bits 9-12 (mask: ``0x00001C00``).
1524
1525 .. _Late Machine Code Optimizations:
1526
1527 Late Machine Code Optimizations
1528 -------------------------------
1529
1530 .. note::
1531
1532   To Be Written
1533
1534 .. _Code Emission:
1535
1536 Code Emission
1537 -------------
1538
1539 The code emission step of code generation is responsible for lowering from the
1540 code generator abstractions (like `MachineFunction`_, `MachineInstr`_, etc) down
1541 to the abstractions used by the MC layer (`MCInst`_, `MCStreamer`_, etc).  This
1542 is done with a combination of several different classes: the (misnamed)
1543 target-independent AsmPrinter class, target-specific subclasses of AsmPrinter
1544 (such as SparcAsmPrinter), and the TargetLoweringObjectFile class.
1545
1546 Since the MC layer works at the level of abstraction of object files, it doesn't
1547 have a notion of functions, global variables etc.  Instead, it thinks about
1548 labels, directives, and instructions.  A key class used at this time is the
1549 MCStreamer class.  This is an abstract API that is implemented in different ways
1550 (e.g. to output a .s file, output an ELF .o file, etc) that is effectively an
1551 "assembler API".  MCStreamer has one method per directive, such as EmitLabel,
1552 EmitSymbolAttribute, SwitchSection, etc, which directly correspond to assembly
1553 level directives.
1554
1555 If you are interested in implementing a code generator for a target, there are
1556 three important things that you have to implement for your target:
1557
1558 #. First, you need a subclass of AsmPrinter for your target.  This class
1559    implements the general lowering process converting MachineFunction's into MC
1560    label constructs.  The AsmPrinter base class provides a number of useful
1561    methods and routines, and also allows you to override the lowering process in
1562    some important ways.  You should get much of the lowering for free if you are
1563    implementing an ELF, COFF, or MachO target, because the
1564    TargetLoweringObjectFile class implements much of the common logic.
1565
1566 #. Second, you need to implement an instruction printer for your target.  The
1567    instruction printer takes an `MCInst`_ and renders it to a raw_ostream as
1568    text.  Most of this is automatically generated from the .td file (when you
1569    specify something like "``add $dst, $src1, $src2``" in the instructions), but
1570    you need to implement routines to print operands.
1571
1572 #. Third, you need to implement code that lowers a `MachineInstr`_ to an MCInst,
1573    usually implemented in "<target>MCInstLower.cpp".  This lowering process is
1574    often target specific, and is responsible for turning jump table entries,
1575    constant pool indices, global variable addresses, etc into MCLabels as
1576    appropriate.  This translation layer is also responsible for expanding pseudo
1577    ops used by the code generator into the actual machine instructions they
1578    correspond to. The MCInsts that are generated by this are fed into the
1579    instruction printer or the encoder.
1580
1581 Finally, at your choosing, you can also implement a subclass of MCCodeEmitter
1582 which lowers MCInst's into machine code bytes and relocations.  This is
1583 important if you want to support direct .o file emission, or would like to
1584 implement an assembler for your target.
1585
1586 VLIW Packetizer
1587 ---------------
1588
1589 In a Very Long Instruction Word (VLIW) architecture, the compiler is responsible
1590 for mapping instructions to functional-units available on the architecture. To
1591 that end, the compiler creates groups of instructions called *packets* or
1592 *bundles*. The VLIW packetizer in LLVM is a target-independent mechanism to
1593 enable the packetization of machine instructions.
1594
1595 Mapping from instructions to functional units
1596 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1597
1598 Instructions in a VLIW target can typically be mapped to multiple functional
1599 units. During the process of packetizing, the compiler must be able to reason
1600 about whether an instruction can be added to a packet. This decision can be
1601 complex since the compiler has to examine all possible mappings of instructions
1602 to functional units. Therefore to alleviate compilation-time complexity, the
1603 VLIW packetizer parses the instruction classes of a target and generates tables
1604 at compiler build time. These tables can then be queried by the provided
1605 machine-independent API to determine if an instruction can be accommodated in a
1606 packet.
1607
1608 How the packetization tables are generated and used
1609 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1610
1611 The packetizer reads instruction classes from a target's itineraries and creates
1612 a deterministic finite automaton (DFA) to represent the state of a packet. A DFA
1613 consists of three major elements: inputs, states, and transitions. The set of
1614 inputs for the generated DFA represents the instruction being added to a
1615 packet. The states represent the possible consumption of functional units by
1616 instructions in a packet. In the DFA, transitions from one state to another
1617 occur on the addition of an instruction to an existing packet. If there is a
1618 legal mapping of functional units to instructions, then the DFA contains a
1619 corresponding transition. The absence of a transition indicates that a legal
1620 mapping does not exist and that the instruction cannot be added to the packet.
1621
1622 To generate tables for a VLIW target, add *Target*\ GenDFAPacketizer.inc as a
1623 target to the Makefile in the target directory. The exported API provides three
1624 functions: ``DFAPacketizer::clearResources()``,
1625 ``DFAPacketizer::reserveResources(MachineInstr *MI)``, and
1626 ``DFAPacketizer::canReserveResources(MachineInstr *MI)``. These functions allow
1627 a target packetizer to add an instruction to an existing packet and to check
1628 whether an instruction can be added to a packet. See
1629 ``llvm/CodeGen/DFAPacketizer.h`` for more information.
1630
1631 Implementing a Native Assembler
1632 ===============================
1633
1634 Though you're probably reading this because you want to write or maintain a
1635 compiler backend, LLVM also fully supports building a native assembler.
1636 We've tried hard to automate the generation of the assembler from the .td files
1637 (in particular the instruction syntax and encodings), which means that a large
1638 part of the manual and repetitive data entry can be factored and shared with the
1639 compiler.
1640
1641 Instruction Parsing
1642 -------------------
1643
1644 .. note::
1645
1646   To Be Written
1647
1648
1649 Instruction Alias Processing
1650 ----------------------------
1651
1652 Once the instruction is parsed, it enters the MatchInstructionImpl function.
1653 The MatchInstructionImpl function performs alias processing and then does actual
1654 matching.
1655
1656 Alias processing is the phase that canonicalizes different lexical forms of the
1657 same instructions down to one representation.  There are several different kinds
1658 of alias that are possible to implement and they are listed below in the order
1659 that they are processed (which is in order from simplest/weakest to most
1660 complex/powerful).  Generally you want to use the first alias mechanism that
1661 meets the needs of your instruction, because it will allow a more concise
1662 description.
1663
1664 Mnemonic Aliases
1665 ^^^^^^^^^^^^^^^^
1666
1667 The first phase of alias processing is simple instruction mnemonic remapping for
1668 classes of instructions which are allowed with two different mnemonics.  This
1669 phase is a simple and unconditionally remapping from one input mnemonic to one
1670 output mnemonic.  It isn't possible for this form of alias to look at the
1671 operands at all, so the remapping must apply for all forms of a given mnemonic.
1672 Mnemonic aliases are defined simply, for example X86 has:
1673
1674 ::
1675
1676   def : MnemonicAlias<"cbw",     "cbtw">;
1677   def : MnemonicAlias<"smovq",   "movsq">;
1678   def : MnemonicAlias<"fldcww",  "fldcw">;
1679   def : MnemonicAlias<"fucompi", "fucomip">;
1680   def : MnemonicAlias<"ud2a",    "ud2">;
1681
1682 ... and many others.  With a MnemonicAlias definition, the mnemonic is remapped
1683 simply and directly.  Though MnemonicAlias's can't look at any aspect of the
1684 instruction (such as the operands) they can depend on global modes (the same
1685 ones supported by the matcher), through a Requires clause:
1686
1687 ::
1688
1689   def : MnemonicAlias<"pushf", "pushfq">, Requires<[In64BitMode]>;
1690   def : MnemonicAlias<"pushf", "pushfl">, Requires<[In32BitMode]>;
1691
1692 In this example, the mnemonic gets mapped into a different one depending on
1693 the current instruction set.
1694
1695 Instruction Aliases
1696 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1697
1698 The most general phase of alias processing occurs while matching is happening:
1699 it provides new forms for the matcher to match along with a specific instruction
1700 to generate.  An instruction alias has two parts: the string to match and the
1701 instruction to generate.  For example:
1702
1703 ::
1704
1705   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX16rr8W GR16:$dst, GR8  :$src)>;
1706   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX16rm8W GR16:$dst, i8mem:$src)>;
1707   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX32rr8  GR32:$dst, GR8  :$src)>;
1708   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX32rr16 GR32:$dst, GR16 :$src)>;
1709   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX64rr8  GR64:$dst, GR8  :$src)>;
1710   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX64rr16 GR64:$dst, GR16 :$src)>;
1711   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX64rr32 GR64:$dst, GR32 :$src)>;
1712
1713 This shows a powerful example of the instruction aliases, matching the same
1714 mnemonic in multiple different ways depending on what operands are present in
1715 the assembly.  The result of instruction aliases can include operands in a
1716 different order than the destination instruction, and can use an input multiple
1717 times, for example:
1718
1719 ::
1720
1721   def : InstAlias<"clrb $reg", (XOR8rr  GR8 :$reg, GR8 :$reg)>;
1722   def : InstAlias<"clrw $reg", (XOR16rr GR16:$reg, GR16:$reg)>;
1723   def : InstAlias<"clrl $reg", (XOR32rr GR32:$reg, GR32:$reg)>;
1724   def : InstAlias<"clrq $reg", (XOR64rr GR64:$reg, GR64:$reg)>;
1725
1726 This example also shows that tied operands are only listed once.  In the X86
1727 backend, XOR8rr has two input GR8's and one output GR8 (where an input is tied
1728 to the output).  InstAliases take a flattened operand list without duplicates
1729 for tied operands.  The result of an instruction alias can also use immediates
1730 and fixed physical registers which are added as simple immediate operands in the
1731 result, for example:
1732
1733 ::
1734
1735   // Fixed Immediate operand.
1736   def : InstAlias<"aad", (AAD8i8 10)>;
1737
1738   // Fixed register operand.
1739   def : InstAlias<"fcomi", (COM_FIr ST1)>;
1740
1741   // Simple alias.
1742   def : InstAlias<"fcomi $reg", (COM_FIr RST:$reg)>;
1743
1744 Instruction aliases can also have a Requires clause to make them subtarget
1745 specific.
1746
1747 If the back-end supports it, the instruction printer can automatically emit the
1748 alias rather than what's being aliased. It typically leads to better, more
1749 readable code. If it's better to print out what's being aliased, then pass a '0'
1750 as the third parameter to the InstAlias definition.
1751
1752 Instruction Matching
1753 --------------------
1754
1755 .. note::
1756
1757   To Be Written
1758
1759 .. _Implementations of the abstract target description interfaces:
1760 .. _implement the target description:
1761
1762 Target-specific Implementation Notes
1763 ====================================
1764
1765 This section of the document explains features or design decisions that are
1766 specific to the code generator for a particular target.  First we start with a
1767 table that summarizes what features are supported by each target.
1768
1769 .. _target-feature-matrix:
1770
1771 Target Feature Matrix
1772 ---------------------
1773
1774 Note that this table does not include the C backend or Cpp backends, since they
1775 do not use the target independent code generator infrastructure.  It also
1776 doesn't list features that are not supported fully by any target yet.  It
1777 considers a feature to be supported if at least one subtarget supports it.  A
1778 feature being supported means that it is useful and works for most cases, it
1779 does not indicate that there are zero known bugs in the implementation.  Here is
1780 the key:
1781
1782 :raw-html:`<table border="1" cellspacing="0">`
1783 :raw-html:`<tr>`
1784 :raw-html:`<th>Unknown</th>`
1785 :raw-html:`<th>Not Applicable</th>`
1786 :raw-html:`<th>No support</th>`
1787 :raw-html:`<th>Partial Support</th>`
1788 :raw-html:`<th>Complete Support</th>`
1789 :raw-html:`</tr>`
1790 :raw-html:`<tr>`
1791 :raw-html:`<td class="unknown"></td>`
1792 :raw-html:`<td class="na"></td>`
1793 :raw-html:`<td class="no"></td>`
1794 :raw-html:`<td class="partial"></td>`
1795 :raw-html:`<td class="yes"></td>`
1796 :raw-html:`</tr>`
1797 :raw-html:`</table>`
1798
1799 Here is the table:
1800
1801 :raw-html:`<table width="689" border="1" cellspacing="0">`
1802 :raw-html:`<tr><td></td>`
1803 :raw-html:`<td colspan="13" align="center" style="background-color:#ffc">Target</td>`
1804 :raw-html:`</tr>`
1805 :raw-html:`<tr>`
1806 :raw-html:`<th>Feature</th>`
1807 :raw-html:`<th>ARM</th>`
1808 :raw-html:`<th>Hexagon</th>`
1809 :raw-html:`<th>MSP430</th>`
1810 :raw-html:`<th>Mips</th>`
1811 :raw-html:`<th>NVPTX</th>`
1812 :raw-html:`<th>PowerPC</th>`
1813 :raw-html:`<th>Sparc</th>`
1814 :raw-html:`<th>SystemZ</th>`
1815 :raw-html:`<th>X86</th>`
1816 :raw-html:`<th>XCore</th>`
1817 :raw-html:`<th>eBPF</th>`
1818 :raw-html:`</tr>`
1819
1820 :raw-html:`<tr>`
1821 :raw-html:`<td><a href="#feat_reliable">is generally reliable</a></td>`
1822 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- ARM -->`
1823 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- Hexagon -->`
1824 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- MSP430 -->`
1825 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- Mips -->`
1826 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- NVPTX -->`
1827 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- PowerPC -->`
1828 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- Sparc -->`
1829 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- SystemZ -->`
1830 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- X86 -->`
1831 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- XCore -->`
1832 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- eBPF -->`
1833 :raw-html:`</tr>`
1834
1835 :raw-html:`<tr>`
1836 :raw-html:`<td><a href="#feat_asmparser">assembly parser</a></td>`
1837 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- ARM -->`
1838 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Hexagon -->`
1839 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- MSP430 -->`
1840 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Mips -->`
1841 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- NVPTX -->`
1842 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- PowerPC -->`
1843 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Sparc -->`
1844 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- SystemZ -->`
1845 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- X86 -->`
1846 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- XCore -->`
1847 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- eBPF -->`
1848 :raw-html:`</tr>`
1849
1850 :raw-html:`<tr>`
1851 :raw-html:`<td><a href="#feat_disassembler">disassembler</a></td>`
1852 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- ARM -->`
1853 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Hexagon -->`
1854 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- MSP430 -->`
1855 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Mips -->`
1856 :raw-html:`<td class="na"></td> <!-- NVPTX -->`
1857 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- PowerPC -->`
1858 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- SystemZ -->`
1859 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Sparc -->`
1860 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- X86 -->`
1861 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- XCore -->`
1862 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- eBPF -->`
1863 :raw-html:`</tr>`
1864
1865 :raw-html:`<tr>`
1866 :raw-html:`<td><a href="#feat_inlineasm">inline asm</a></td>`
1867 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- ARM -->`
1868 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- Hexagon -->`
1869 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- MSP430 -->`
1870 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Mips -->`
1871 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- NVPTX -->`
1872 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- PowerPC -->`
1873 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- Sparc -->`
1874 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- SystemZ -->`
1875 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- X86 -->`
1876 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- XCore -->`
1877 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- eBPF -->`
1878 :raw-html:`</tr>`
1879
1880 :raw-html:`<tr>`
1881 :raw-html:`<td><a href="#feat_jit">jit</a></td>`
1882 :raw-html:`<td class="partial"><a href="#feat_jit_arm">*</a></td> <!-- ARM -->`
1883 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Hexagon -->`
1884 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- MSP430 -->`
1885 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- Mips -->`
1886 :raw-html:`<td class="na"></td> <!-- NVPTX -->`
1887 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- PowerPC -->`
1888 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- Sparc -->`
1889 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- SystemZ -->`
1890 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- X86 -->`
1891 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- XCore -->`
1892 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- eBPF -->`
1893 :raw-html:`</tr>`
1894
1895 :raw-html:`<tr>`
1896 :raw-html:`<td><a href="#feat_objectwrite">.o&nbsp;file writing</a></td>`
1897 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- ARM -->`
1898 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Hexagon -->`
1899 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- MSP430 -->`
1900 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Mips -->`
1901 :raw-html:`<td class="na"></td> <!-- NVPTX -->`
1902 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- PowerPC -->`
1903 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Sparc -->`
1904 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- SystemZ -->`
1905 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- X86 -->`
1906 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- XCore -->`
1907 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- eBPF -->`
1908 :raw-html:`</tr>`
1909
1910 :raw-html:`<tr>`
1911 :raw-html:`<td><a hr:raw-html:`ef="#feat_tailcall">tail calls</a></td>`
1912 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- ARM -->`
1913 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- Hexagon -->`
1914 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- MSP430 -->`
1915 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Mips -->`
1916 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- NVPTX -->`
1917 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- PowerPC -->`
1918 :raw-html:`<td class="unknown"></td> <!-- Sparc -->`
1919 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- SystemZ -->`
1920 :raw-html:`<td class="yes"></td> <!-- X86 -->`
1921 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- XCore -->`
1922 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- eBPF -->`
1923 :raw-html:`</tr>`
1924
1925 :raw-html:`<tr>`
1926 :raw-html:`<td><a href="#feat_segstacks">segmented stacks</a></td>`
1927 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- ARM -->`
1928 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Hexagon -->`
1929 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- MSP430 -->`
1930 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Mips -->`
1931 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- NVPTX -->`
1932 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- PowerPC -->`
1933 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- Sparc -->`
1934 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- SystemZ -->`
1935 :raw-html:`<td class="partial"><a href="#feat_segstacks_x86">*</a></td> <!-- X86 -->`
1936 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- XCore -->`
1937 :raw-html:`<td class="no"></td> <!-- eBPF -->`
1938 :raw-html:`</tr>`
1939
1940 :raw-html:`</table>`
1941
1942 .. _feat_reliable:
1943
1944 Is Generally Reliable
1945 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1946
1947 This box indicates whether the target is considered to be production quality.
1948 This indicates that the target has been used as a static compiler to compile
1949 large amounts of code by a variety of different people and is in continuous use.
1950
1951 .. _feat_asmparser:
1952
1953 Assembly Parser
1954 ^^^^^^^^^^^^^^^
1955
1956 This box indicates whether the target supports parsing target specific .s files
1957 by implementing the MCAsmParser interface.  This is required for llvm-mc to be
1958 able to act as a native assembler and is required for inline assembly support in
1959 the native .o file writer.
1960
1961 .. _feat_disassembler:
1962
1963 Disassembler
1964 ^^^^^^^^^^^^
1965
1966 This box indicates whether the target supports the MCDisassembler API for
1967 disassembling machine opcode bytes into MCInst's.
1968
1969 .. _feat_inlineasm:
1970
1971 Inline Asm
1972 ^^^^^^^^^^
1973
1974 This box indicates whether the target supports most popular inline assembly
1975 constraints and modifiers.
1976
1977 .. _feat_jit:
1978
1979 JIT Support
1980 ^^^^^^^^^^^
1981
1982 This box indicates whether the target supports the JIT compiler through the
1983 ExecutionEngine interface.
1984
1985 .. _feat_jit_arm:
1986
1987 The ARM backend has basic support for integer code in ARM codegen mode, but
1988 lacks NEON and full Thumb support.
1989
1990 .. _feat_objectwrite:
1991
1992 .o File Writing
1993 ^^^^^^^^^^^^^^^
1994
1995 This box indicates whether the target supports writing .o files (e.g. MachO,
1996 ELF, and/or COFF) files directly from the target.  Note that the target also
1997 must include an assembly parser and general inline assembly support for full
1998 inline assembly support in the .o writer.
1999
2000 Targets that don't support this feature can obviously still write out .o files,
2001 they just rely on having an external assembler to translate from a .s file to a
2002 .o file (as is the case for many C compilers).
2003
2004 .. _feat_tailcall:
2005
2006 Tail Calls
2007 ^^^^^^^^^^
2008
2009 This box indicates whether the target supports guaranteed tail calls.  These are
2010 calls marked "`tail <LangRef.html#i_call>`_" and use the fastcc calling
2011 convention.  Please see the `tail call section`_ for more details.
2012
2013 .. _feat_segstacks:
2014
2015 Segmented Stacks
2016 ^^^^^^^^^^^^^^^^
2017
2018 This box indicates whether the target supports segmented stacks. This replaces
2019 the traditional large C stack with many linked segments. It is compatible with
2020 the `gcc implementation <http://gcc.gnu.org/wiki/SplitStacks>`_ used by the Go
2021 front end.
2022
2023 .. _feat_segstacks_x86:
2024
2025 Basic support exists on the X86 backend. Currently vararg doesn't work and the
2026 object files are not marked the way the gold linker expects, but simple Go
2027 programs can be built by dragonegg.
2028
2029 .. _tail call section:
2030
2031 Tail call optimization
2032 ----------------------
2033
2034 Tail call optimization, callee reusing the stack of the caller, is currently
2035 supported on x86/x86-64 and PowerPC. It is performed if:
2036
2037 * Caller and callee have the calling convention ``fastcc``, ``cc 10`` (GHC
2038   calling convention) or ``cc 11`` (HiPE calling convention).
2039
2040 * The call is a tail call - in tail position (ret immediately follows call and
2041   ret uses value of call or is void).
2042
2043 * Option ``-tailcallopt`` is enabled.
2044
2045 * Platform-specific constraints are met.
2046
2047 x86/x86-64 constraints:
2048
2049 * No variable argument lists are used.
2050
2051 * On x86-64 when generating GOT/PIC code only module-local calls (visibility =
2052   hidden or protected) are supported.
2053
2054 PowerPC constraints:
2055
2056 * No variable argument lists are used.
2057
2058 * No byval parameters are used.
2059
2060 * On ppc32/64 GOT/PIC only module-local calls (visibility = hidden or protected)
2061   are supported.
2062
2063 Example:
2064
2065 Call as ``llc -tailcallopt test.ll``.
2066
2067 .. code-block:: llvm
2068
2069   declare fastcc i32 @tailcallee(i32 inreg %a1, i32 inreg %a2, i32 %a3, i32 %a4)
2070
2071   define fastcc i32 @tailcaller(i32 %in1, i32 %in2) {
2072     %l1 = add i32 %in1, %in2
2073     %tmp = tail call fastcc i32 @tailcallee(i32 %in1 inreg, i32 %in2 inreg, i32 %in1, i32 %l1)
2074     ret i32 %tmp
2075   }
2076
2077 Implications of ``-tailcallopt``:
2078
2079 To support tail call optimization in situations where the callee has more
2080 arguments than the caller a 'callee pops arguments' convention is used. This
2081 currently causes each ``fastcc`` call that is not tail call optimized (because
2082 one or more of above constraints are not met) to be followed by a readjustment
2083 of the stack. So performance might be worse in such cases.
2084
2085 Sibling call optimization
2086 -------------------------
2087
2088 Sibling call optimization is a restricted form of tail call optimization.
2089 Unlike tail call optimization described in the previous section, it can be
2090 performed automatically on any tail calls when ``-tailcallopt`` option is not
2091 specified.
2092
2093 Sibling call optimization is currently performed on x86/x86-64 when the
2094 following constraints are met:
2095
2096 * Caller and callee have the same calling convention. It can be either ``c`` or
2097   ``fastcc``.
2098
2099 * The call is a tail call - in tail position (ret immediately follows call and
2100   ret uses value of call or is void).
2101
2102 * Caller and callee have matching return type or the callee result is not used.
2103
2104 * If any of the callee arguments are being passed in stack, they must be
2105   available in caller's own incoming argument stack and the frame offsets must
2106   be the same.
2107
2108 Example:
2109
2110 .. code-block:: llvm
2111
2112   declare i32 @bar(i32, i32)
2113
2114   define i32 @foo(i32 %a, i32 %b, i32 %c) {
2115   entry:
2116     %0 = tail call i32 @bar(i32 %a, i32 %b)
2117     ret i32 %0
2118   }
2119
2120 The X86 backend
2121 ---------------
2122
2123 The X86 code generator lives in the ``lib/Target/X86`` directory.  This code
2124 generator is capable of targeting a variety of x86-32 and x86-64 processors, and
2125 includes support for ISA extensions such as MMX and SSE.
2126
2127 X86 Target Triples supported
2128 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2129
2130 The following are the known target triples that are supported by the X86
2131 backend.  This is not an exhaustive list, and it would be useful to add those
2132 that people test.
2133
2134 * **i686-pc-linux-gnu** --- Linux
2135
2136 * **i386-unknown-freebsd5.3** --- FreeBSD 5.3
2137
2138 * **i686-pc-cygwin** --- Cygwin on Win32
2139
2140 * **i686-pc-mingw32** --- MingW on Win32
2141
2142 * **i386-pc-mingw32msvc** --- MingW crosscompiler on Linux
2143
2144 * **i686-apple-darwin*** --- Apple Darwin on X86
2145
2146 * **x86_64-unknown-linux-gnu** --- Linux
2147
2148 X86 Calling Conventions supported
2149 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2150
2151 The following target-specific calling conventions are known to backend:
2152
2153 * **x86_StdCall** --- stdcall calling convention seen on Microsoft Windows
2154   platform (CC ID = 64).
2155
2156 * **x86_FastCall** --- fastcall calling convention seen on Microsoft Windows
2157   platform (CC ID = 65).
2158
2159 * **x86_ThisCall** --- Similar to X86_StdCall. Passes first argument in ECX,
2160   others via stack. Callee is responsible for stack cleaning. This convention is
2161   used by MSVC by default for methods in its ABI (CC ID = 70).
2162
2163 .. _X86 addressing mode:
2164
2165 Representing X86 addressing modes in MachineInstrs
2166 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2167
2168 The x86 has a very flexible way of accessing memory.  It is capable of forming
2169 memory addresses of the following expression directly in integer instructions
2170 (which use ModR/M addressing):
2171
2172 ::
2173
2174   SegmentReg: Base + [1,2,4,8] * IndexReg + Disp32
2175
2176 In order to represent this, LLVM tracks no less than 5 operands for each memory
2177 operand of this form.  This means that the "load" form of '``mov``' has the
2178 following ``MachineOperand``\s in this order:
2179
2180 ::
2181
2182   Index:        0     |    1        2       3           4          5
2183   Meaning:   DestReg, | BaseReg,  Scale, IndexReg, Displacement Segment
2184   OperandTy: VirtReg, | VirtReg, UnsImm, VirtReg,   SignExtImm  PhysReg
2185
2186 Stores, and all other instructions, treat the four memory operands in the same
2187 way and in the same order.  If the segment register is unspecified (regno = 0),
2188 then no segment override is generated.  "Lea" operations do not have a segment
2189 register specified, so they only have 4 operands for their memory reference.
2190
2191 X86 address spaces supported
2192 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2193
2194 x86 has a feature which provides the ability to perform loads and stores to
2195 different address spaces via the x86 segment registers.  A segment override
2196 prefix byte on an instruction causes the instruction's memory access to go to
2197 the specified segment.  LLVM address space 0 is the default address space, which
2198 includes the stack, and any unqualified memory accesses in a program.  Address
2199 spaces 1-255 are currently reserved for user-defined code.  The GS-segment is
2200 represented by address space 256, while the FS-segment is represented by address
2201 space 257. Other x86 segments have yet to be allocated address space
2202 numbers.
2203
2204 While these address spaces may seem similar to TLS via the ``thread_local``
2205 keyword, and often use the same underlying hardware, there are some fundamental
2206 differences.
2207
2208 The ``thread_local`` keyword applies to global variables and specifies that they
2209 are to be allocated in thread-local memory. There are no type qualifiers
2210 involved, and these variables can be pointed to with normal pointers and
2211 accessed with normal loads and stores.  The ``thread_local`` keyword is
2212 target-independent at the LLVM IR level (though LLVM doesn't yet have
2213 implementations of it for some configurations)
2214
2215 Special address spaces, in contrast, apply to static types. Every load and store
2216 has a particular address space in its address operand type, and this is what
2217 determines which address space is accessed.  LLVM ignores these special address
2218 space qualifiers on global variables, and does not provide a way to directly
2219 allocate storage in them.  At the LLVM IR level, the behavior of these special
2220 address spaces depends in part on the underlying OS or runtime environment, and
2221 they are specific to x86 (and LLVM doesn't yet handle them correctly in some
2222 cases).
2223
2224 Some operating systems and runtime environments use (or may in the future use)
2225 the FS/GS-segment registers for various low-level purposes, so care should be
2226 taken when considering them.
2227
2228 Instruction naming
2229 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2230
2231 An instruction name consists of the base name, a default operand size, and a a
2232 character per operand with an optional special size. For example:
2233
2234 ::
2235
2236   ADD8rr      -> add, 8-bit register, 8-bit register
2237   IMUL16rmi   -> imul, 16-bit register, 16-bit memory, 16-bit immediate
2238   IMUL16rmi8  -> imul, 16-bit register, 16-bit memory, 8-bit immediate
2239   MOVSX32rm16 -> movsx, 32-bit register, 16-bit memory
2240
2241 The PowerPC backend
2242 -------------------
2243
2244 The PowerPC code generator lives in the lib/Target/PowerPC directory.  The code
2245 generation is retargetable to several variations or *subtargets* of the PowerPC
2246 ISA; including ppc32, ppc64 and altivec.
2247
2248 LLVM PowerPC ABI
2249 ^^^^^^^^^^^^^^^^
2250
2251 LLVM follows the AIX PowerPC ABI, with two deviations. LLVM uses a PC relative
2252 (PIC) or static addressing for accessing global values, so no TOC (r2) is
2253 used. Second, r31 is used as a frame pointer to allow dynamic growth of a stack
2254 frame.  LLVM takes advantage of having no TOC to provide space to save the frame
2255 pointer in the PowerPC linkage area of the caller frame.  Other details of
2256 PowerPC ABI can be found at `PowerPC ABI
2257 <http://developer.apple.com/documentation/DeveloperTools/Conceptual/LowLevelABI/Articles/32bitPowerPC.html>`_\
2258 . Note: This link describes the 32 bit ABI.  The 64 bit ABI is similar except
2259 space for GPRs are 8 bytes wide (not 4) and r13 is reserved for system use.
2260
2261 Frame Layout
2262 ^^^^^^^^^^^^
2263
2264 The size of a PowerPC frame is usually fixed for the duration of a function's
2265 invocation.  Since the frame is fixed size, all references into the frame can be
2266 accessed via fixed offsets from the stack pointer.  The exception to this is
2267 when dynamic alloca or variable sized arrays are present, then a base pointer
2268 (r31) is used as a proxy for the stack pointer and stack pointer is free to grow
2269 or shrink.  A base pointer is also used if llvm-gcc is not passed the
2270 -fomit-frame-pointer flag. The stack pointer is always aligned to 16 bytes, so
2271 that space allocated for altivec vectors will be properly aligned.
2272
2273 An invocation frame is laid out as follows (low memory at top):
2274
2275 :raw-html:`<table border="1" cellspacing="0">`
2276 :raw-html:`<tr>`
2277 :raw-html:`<td>Linkage<br><br></td>`
2278 :raw-html:`</tr>`
2279 :raw-html:`<tr>`
2280 :raw-html:`<td>Parameter area<br><br></td>`
2281 :raw-html:`</tr>`
2282 :raw-html:`<tr>`
2283 :raw-html:`<td>Dynamic area<br><br></td>`
2284 :raw-html:`</tr>`
2285 :raw-html:`<tr>`
2286 :raw-html:`<td>Locals area<br><br></td>`
2287 :raw-html:`</tr>`
2288 :raw-html:`<tr>`
2289 :raw-html:`<td>Saved registers area<br><br></td>`
2290 :raw-html:`</tr>`
2291 :raw-html:`<tr style="border-style: none hidden none hidden;">`
2292 :raw-html:`<td><br></td>`
2293 :raw-html:`</tr>`
2294 :raw-html:`<tr>`
2295 :raw-html:`<td>Previous Frame<br><br></td>`
2296 :raw-html:`</tr>`
2297 :raw-html:`</table>`
2298
2299 The *linkage* area is used by a callee to save special registers prior to
2300 allocating its own frame.  Only three entries are relevant to LLVM. The first
2301 entry is the previous stack pointer (sp), aka link.  This allows probing tools
2302 like gdb or exception handlers to quickly scan the frames in the stack.  A
2303 function epilog can also use the link to pop the frame from the stack.  The
2304 third entry in the linkage area is used to save the return address from the lr
2305 register. Finally, as mentioned above, the last entry is used to save the
2306 previous frame pointer (r31.)  The entries in the linkage area are the size of a
2307 GPR, thus the linkage area is 24 bytes long in 32 bit mode and 48 bytes in 64
2308 bit mode.
2309
2310 32 bit linkage area:
2311
2312 :raw-html:`<table  border="1" cellspacing="0">`
2313 :raw-html:`<tr>`
2314 :raw-html:`<td>0</td>`
2315 :raw-html:`<td>Saved SP (r1)</td>`
2316 :raw-html:`</tr>`
2317 :raw-html:`<tr>`
2318 :raw-html:`<td>4</td>`
2319 :raw-html:`<td>Saved CR</td>`
2320 :raw-html:`</tr>`
2321 :raw-html:`<tr>`
2322 :raw-html:`<td>8</td>`
2323 :raw-html:`<td>Saved LR</td>`
2324 :raw-html:`</tr>`
2325 :raw-html:`<tr>`
2326 :raw-html:`<td>12</td>`
2327 :raw-html:`<td>Reserved</td>`
2328 :raw-html:`</tr>`
2329 :raw-html:`<tr>`
2330 :raw-html:`<td>16</td>`
2331 :raw-html:`<td>Reserved</td>`
2332 :raw-html:`</tr>`
2333 :raw-html:`<tr>`
2334 :raw-html:`<td>20</td>`
2335 :raw-html:`<td>Saved FP (r31)</td>`
2336 :raw-html:`</tr>`
2337 :raw-html:`</table>`
2338
2339 64 bit linkage area:
2340
2341 :raw-html:`<table border="1" cellspacing="0">`
2342 :raw-html:`<tr>`
2343 :raw-html:`<td>0</td>`
2344 :raw-html:`<td>Saved SP (r1)</td>`
2345 :raw-html:`</tr>`
2346 :raw-html:`<tr>`
2347 :raw-html:`<td>8</td>`
2348 :raw-html:`<td>Saved CR</td>`
2349 :raw-html:`</tr>`
2350 :raw-html:`<tr>`
2351 :raw-html:`<td>16</td>`
2352 :raw-html:`<td>Saved LR</td>`
2353 :raw-html:`</tr>`
2354 :raw-html:`<tr>`
2355 :raw-html:`<td>24</td>`
2356 :raw-html:`<td>Reserved</td>`
2357 :raw-html:`</tr>`
2358 :raw-html:`<tr>`
2359 :raw-html:`<td>32</td>`
2360 :raw-html:`<td>Reserved</td>`
2361 :raw-html:`</tr>`
2362 :raw-html:`<tr>`
2363 :raw-html:`<td>40</td>`
2364 :raw-html:`<td>Saved FP (r31)</td>`
2365 :raw-html:`</tr>`
2366 :raw-html:`</table>`
2367
2368 The *parameter area* is used to store arguments being passed to a callee
2369 function.  Following the PowerPC ABI, the first few arguments are actually
2370 passed in registers, with the space in the parameter area unused.  However, if
2371 there are not enough registers or the callee is a thunk or vararg function,
2372 these register arguments can be spilled into the parameter area.  Thus, the
2373 parameter area must be large enough to store all the parameters for the largest
2374 call sequence made by the caller.  The size must also be minimally large enough
2375 to spill registers r3-r10.  This allows callees blind to the call signature,
2376 such as thunks and vararg functions, enough space to cache the argument
2377 registers.  Therefore, the parameter area is minimally 32 bytes (64 bytes in 64
2378 bit mode.)  Also note that since the parameter area is a fixed offset from the
2379 top of the frame, that a callee can access its spilt arguments using fixed
2380 offsets from the stack pointer (or base pointer.)
2381
2382 Combining the information about the linkage, parameter areas and alignment. A
2383 stack frame is minimally 64 bytes in 32 bit mode and 128 bytes in 64 bit mode.
2384
2385 The *dynamic area* starts out as size zero.  If a function uses dynamic alloca
2386 then space is added to the stack, the linkage and parameter areas are shifted to
2387 top of stack, and the new space is available immediately below the linkage and
2388 parameter areas.  The cost of shifting the linkage and parameter areas is minor
2389 since only the link value needs to be copied.  The link value can be easily
2390 fetched by adding the original frame size to the base pointer.  Note that
2391 allocations in the dynamic space need to observe 16 byte alignment.
2392
2393 The *locals area* is where the llvm compiler reserves space for local variables.
2394
2395 The *saved registers area* is where the llvm compiler spills callee saved
2396 registers on entry to the callee.
2397
2398 Prolog/Epilog
2399 ^^^^^^^^^^^^^
2400
2401 The llvm prolog and epilog are the same as described in the PowerPC ABI, with
2402 the following exceptions.  Callee saved registers are spilled after the frame is
2403 created.  This allows the llvm epilog/prolog support to be common with other
2404 targets.  The base pointer callee saved register r31 is saved in the TOC slot of
2405 linkage area.  This simplifies allocation of space for the base pointer and
2406 makes it convenient to locate programatically and during debugging.
2407
2408 Dynamic Allocation
2409 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2410
2411 .. note::
2412
2413   TODO - More to come.
2414
2415 The NVPTX backend
2416 -----------------
2417
2418 The NVPTX code generator under lib/Target/NVPTX is an open-source version of
2419 the NVIDIA NVPTX code generator for LLVM.  It is contributed by NVIDIA and is
2420 a port of the code generator used in the CUDA compiler (nvcc).  It targets the
2421 PTX 3.0/3.1 ISA and can target any compute capability greater than or equal to
2422 2.0 (Fermi).
2423
2424 This target is of production quality and should be completely compatible with
2425 the official NVIDIA toolchain.
2426
2427 Code Generator Options:
2428
2429 :raw-html:`<table border="1" cellspacing="0">`
2430 :raw-html:`<tr>`
2431 :raw-html:`<th>Option</th>`
2432 :raw-html:`<th>Description</th>`
2433 :raw-html:`</tr>`
2434 :raw-html:`<tr>`
2435 :raw-html:`<td>sm_20</td>`
2436 :raw-html:`<td align="left">Set shader model/compute capability to 2.0</td>`
2437 :raw-html:`</tr>`
2438 :raw-html:`<tr>`
2439 :raw-html:`<td>sm_21</td>`
2440 :raw-html:`<td align="left">Set shader model/compute capability to 2.1</td>`
2441 :raw-html:`</tr>`
2442 :raw-html:`<tr>`
2443 :raw-html:`<td>sm_30</td>`
2444 :raw-html:`<td align="left">Set shader model/compute capability to 3.0</td>`
2445 :raw-html:`</tr>`
2446 :raw-html:`<tr>`
2447 :raw-html:`<td>sm_35</td>`
2448 :raw-html:`<td align="left">Set shader model/compute capability to 3.5</td>`
2449 :raw-html:`</tr>`
2450 :raw-html:`<tr>`
2451 :raw-html:`<td>ptx30</td>`
2452 :raw-html:`<td align="left">Target PTX 3.0</td>`
2453 :raw-html:`</tr>`
2454 :raw-html:`<tr>`
2455 :raw-html:`<td>ptx31</td>`
2456 :raw-html:`<td align="left">Target PTX 3.1</td>`
2457 :raw-html:`</tr>`
2458 :raw-html:`</table>`
2459
2460 The extended Berkeley Packet Filter (eBPF) backend
2461 --------------------------------------------------
2462
2463 Extended BPF (or eBPF) is similar to the original ("classic") BPF (cBPF) used
2464 to filter network packets.  The
2465 `bpf() system call <http://man7.org/linux/man-pages/man2/bpf.2.html>`_
2466 performs a range of operations related to eBPF.  For both cBPF and eBPF
2467 programs, the Linux kernel statically analyzes the programs before loading
2468 them, in order to ensure that they cannot harm the running system.  eBPF is
2469 a 64-bit RISC instruction set designed for one to one mapping to 64-bit CPUs.
2470 Opcodes are 8-bit encoded, and 87 instructions are defined.  There are 10
2471 registers, grouped by function as outlined below.
2472
2473 ::
2474
2475   R0        return value from in-kernel functions; exit value for eBPF program
2476   R1 - R5   function call arguments to in-kernel functions
2477   R6 - R9   callee-saved registers preserved by in-kernel functions
2478   R10       stack frame pointer (read only)
2479
2480 Instruction encoding (arithmetic and jump)
2481 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2482 eBPF is reusing most of the opcode encoding from classic to simplify conversion
2483 of classic BPF to eBPF.  For arithmetic and jump instructions the 8-bit 'code'
2484 field is divided into three parts:
2485
2486 ::
2487
2488   +----------------+--------+--------------------+
2489   |   4 bits       |  1 bit |   3 bits           |
2490   | operation code | source | instruction class  |
2491   +----------------+--------+--------------------+
2492   (MSB)                                      (LSB)
2493
2494 Three LSB bits store instruction class which is one of:
2495
2496 ::
2497
2498   BPF_LD     0x0
2499   BPF_LDX    0x1
2500   BPF_ST     0x2
2501   BPF_STX    0x3
2502   BPF_ALU    0x4
2503   BPF_JMP    0x5
2504   (unused)   0x6
2505   BPF_ALU64  0x7
2506
2507 When BPF_CLASS(code) == BPF_ALU or BPF_ALU64 or BPF_JMP,
2508 4th bit encodes source operand
2509
2510 ::
2511
2512   BPF_X     0x0  use src_reg register as source operand
2513   BPF_K     0x1  use 32 bit immediate as source operand
2514
2515 and four MSB bits store operation code
2516
2517 ::
2518
2519   BPF_ADD   0x0  add
2520   BPF_SUB   0x1  subtract
2521   BPF_MUL   0x2  multiply
2522   BPF_DIV   0x3  divide
2523   BPF_OR    0x4  bitwise logical OR
2524   BPF_AND   0x5  bitwise logical AND
2525   BPF_LSH   0x6  left shift
2526   BPF_RSH   0x7  right shift (zero extended)
2527   BPF_NEG   0x8  arithmetic negation
2528   BPF_MOD   0x9  modulo
2529   BPF_XOR   0xa  bitwise logical XOR
2530   BPF_MOV   0xb  move register to register
2531   BPF_ARSH  0xc  right shift (sign extended)
2532   BPF_END   0xd  endianness conversion
2533
2534 If BPF_CLASS(code) == BPF_JMP, BPF_OP(code) is one of
2535
2536 ::
2537
2538   BPF_JA    0x0  unconditional jump
2539   BPF_JEQ   0x1  jump ==
2540   BPF_JGT   0x2  jump >
2541   BPF_JGE   0x3  jump >=
2542   BPF_JSET  0x4  jump if (DST & SRC)
2543   BPF_JNE   0x5  jump !=
2544   BPF_JSGT  0x6  jump signed >
2545   BPF_JSGE  0x7  jump signed >=
2546   BPF_CALL  0x8  function call
2547   BPF_EXIT  0x9  function return
2548
2549 Instruction encoding (load, store)
2550 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2551 For load and store instructions the 8-bit 'code' field is divided as:
2552
2553 ::
2554
2555   +--------+--------+-------------------+
2556   | 3 bits | 2 bits |   3 bits          |
2557   |  mode  |  size  | instruction class |
2558   +--------+--------+-------------------+
2559   (MSB)                             (LSB)
2560
2561 Size modifier is one of
2562
2563 ::
2564
2565   BPF_W       0x0  word
2566   BPF_H       0x1  half word
2567   BPF_B       0x2  byte
2568   BPF_DW      0x3  double word
2569
2570 Mode modifier is one of
2571
2572 ::
2573
2574   BPF_IMM     0x0  immediate
2575   BPF_ABS     0x1  used to access packet data
2576   BPF_IND     0x2  used to access packet data
2577   BPF_MEM     0x3  memory
2578   (reserved)  0x4
2579   (reserved)  0x5
2580   BPF_XADD    0x6  exclusive add
2581
2582
2583 Packet data access (BPF_ABS, BPF_IND)
2584 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2585
2586 Two non-generic instructions: (BPF_ABS | <size> | BPF_LD) and
2587 (BPF_IND | <size> | BPF_LD) which are used to access packet data.
2588 Register R6 is an implicit input that must contain pointer to sk_buff.
2589 Register R0 is an implicit output which contains the data fetched
2590 from the packet.  Registers R1-R5 are scratch registers and must not
2591 be used to store the data across BPF_ABS | BPF_LD or BPF_IND | BPF_LD
2592 instructions.  These instructions have implicit program exit condition
2593 as well.  When eBPF program is trying to access the data beyond
2594 the packet boundary, the interpreter will abort the execution of the program.
2595
2596 BPF_IND | BPF_W | BPF_LD is equivalent to:
2597   R0 = ntohl(\*(u32 \*) (((struct sk_buff \*) R6)->data + src_reg + imm32))
2598
2599 eBPF maps
2600 ^^^^^^^^^
2601
2602 eBPF maps are provided for sharing data between kernel and user-space.
2603 Currently implemented types are hash and array, with potential extension to
2604 support bloom filters, radix trees, etc.  A map is defined by its type,
2605 maximum number of elements, key size and value size in bytes.  eBPF syscall
2606 supports create, update, find and delete functions on maps.
2607
2608 Function calls
2609 ^^^^^^^^^^^^^^
2610
2611 Function call arguments are passed using up to five registers (R1 - R5).
2612 The return value is passed in a dedicated register (R0).  Four additional
2613 registers (R6 - R9) are callee-saved, and the values in these registers
2614 are preserved within kernel functions.  R0 - R5 are scratch registers within
2615 kernel functions, and eBPF programs must therefor store/restore values in
2616 these registers if needed across function calls.  The stack can be accessed
2617 using the read-only frame pointer R10.  eBPF registers map 1:1 to hardware
2618 registers on x86_64 and other 64-bit architectures.  For example, x86_64
2619 in-kernel JIT maps them as
2620
2621 ::
2622
2623   R0 - rax
2624   R1 - rdi
2625   R2 - rsi
2626   R3 - rdx
2627   R4 - rcx
2628   R5 - r8
2629   R6 - rbx
2630   R7 - r13
2631   R8 - r14
2632   R9 - r15
2633   R10 - rbp
2634
2635 since x86_64 ABI mandates rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9 for argument passing
2636 and rbx, r12 - r15 are callee saved.
2637
2638 Program start
2639 ^^^^^^^^^^^^^
2640
2641 An eBPF program receives a single argument and contains
2642 a single eBPF main routine; the program does not contain eBPF functions.
2643 Function calls are limited to a predefined set of kernel functions.  The size
2644 of a program is limited to 4K instructions:  this ensures fast termination and
2645 a limited number of kernel function calls.  Prior to running an eBPF program,
2646 a verifier performs static analysis to prevent loops in the code and
2647 to ensure valid register usage and operand types.