1a8525baf6cb68b5e2b2d15537543deddc752ae7
[oota-llvm.git] / docs / MIRLangRef.rst
1 ========================================
2 Machine IR (MIR) Format Reference Manual
3 ========================================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 .. warning::
9   This is a work in progress.
10
11 Introduction
12 ============
13
14 This document is a reference manual for the Machine IR (MIR) serialization
15 format. MIR is a human readable serialization format that is used to represent
16 LLVM's :ref:`machine specific intermediate representation
17 <machine code representation>`.
18
19 The MIR serialization format is designed to be used for testing the code
20 generation passes in LLVM.
21
22 Overview
23 ========
24
25 The MIR serialization format uses a YAML container. YAML is a standard
26 data serialization language, and the full YAML language spec can be read at
27 `yaml.org
28 <http://www.yaml.org/spec/1.2/spec.html#Introduction>`_.
29
30 A MIR file is split up into a series of `YAML documents`_. The first document
31 can contain an optional embedded LLVM IR module, and the rest of the documents
32 contain the serialized machine functions.
33
34 .. _YAML documents: http://www.yaml.org/spec/1.2/spec.html#id2800132
35
36 High Level Structure
37 ====================
38
39 Embedded Module
40 ---------------
41
42 When the first YAML document contains a `YAML block literal string`_, the MIR
43 parser will treat this string as an LLVM assembly language string that
44 represents an embedded LLVM IR module.
45 Here is an example of a YAML document that contains an LLVM module:
46
47 .. code-block:: llvm
48
49      --- |
50        define i32 @inc(i32* %x) {
51        entry:
52          %0 = load i32, i32* %x
53          %1 = add i32 %0, 1
54          store i32 %1, i32* %x
55          ret i32 %1
56        }
57      ...
58
59 .. _YAML block literal string: http://www.yaml.org/spec/1.2/spec.html#id2795688
60
61 Machine Functions
62 -----------------
63
64 The remaining YAML documents contain the machine functions. This is an example
65 of such YAML document:
66
67 .. code-block:: llvm
68
69      ---
70      name:            inc
71      tracksRegLiveness: true
72      liveins:
73        - { reg: '%rdi' }
74      body: |
75        bb.0.entry:
76          liveins: %rdi
77
78          %eax = MOV32rm %rdi, 1, _, 0, _
79          %eax = INC32r killed %eax, implicit-def dead %eflags
80          MOV32mr killed %rdi, 1, _, 0, _, %eax
81          RETQ %eax
82      ...
83
84 The document above consists of attributes that represent the various
85 properties and data structures in a machine function.
86
87 The attribute ``name`` is required, and its value should be identical to the
88 name of a function that this machine function is based on.
89
90 The attribute ``body`` is a `YAML block literal string`_. Its value represents
91 the function's machine basic blocks and their machine instructions.
92
93 Machine Instructions Format Reference
94 =====================================
95
96 The machine basic blocks and their instructions are represented using a custom,
97 human readable serialization language. This language is used in the
98 `YAML block literal string`_ that corresponds to the machine function's body.
99
100 A source string that uses this language contains a list of machine basic
101 blocks, which are described in the section below.
102
103 Machine Basic Blocks
104 --------------------
105
106 A machine basic block is defined in a single block definition source construct
107 that contains the block's ID.
108 The example below defines two blocks that have an ID of zero and one:
109
110 .. code-block:: llvm
111
112     bb.0:
113       <instructions>
114     bb.1:
115       <instructions>
116
117 A machine basic block can also have a name. It should be specified after the ID
118 in the block's definition:
119
120 .. code-block:: llvm
121
122     bb.0.entry:       ; This block's name is "entry"
123        <instructions>
124
125 The block's name should be identical to the name of the IR block that this
126 machine block is based on.
127
128 Block References
129 ^^^^^^^^^^^^^^^^
130
131 The machine basic blocks are identified by their ID numbers. Individual
132 blocks are referenced using the following syntax:
133
134 .. code-block:: llvm
135
136     %bb.<id>[.<name>]
137
138 Examples:
139
140 .. code-block:: llvm
141
142     %bb.0
143     %bb.1.then
144
145 Successors
146 ^^^^^^^^^^
147
148 The machine basic block's successors have to be specified before any of the
149 instructions:
150
151 .. code-block:: llvm
152
153     bb.0.entry:
154       successors: %bb.1.then, %bb.2.else
155       <instructions>
156     bb.1.then:
157       <instructions>
158     bb.2.else:
159       <instructions>
160
161 The branch weights can be specified in brackets after the successor blocks.
162 The example below defines a block that has two successors with branch weights
163 of 32 and 16:
164
165 .. code-block:: llvm
166
167     bb.0.entry:
168       successors: %bb.1.then(32), %bb.2.else(16)
169
170 .. _bb-liveins:
171
172 Live In Registers
173 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
174
175 The machine basic block's live in registers have to be specified before any of
176 the instructions:
177
178 .. code-block:: llvm
179
180     bb.0.entry:
181       liveins: %edi, %esi
182
183 The list of live in registers and successors can be empty. The language also
184 allows multiple live in register and successor lists - they are combined into
185 one list by the parser.
186
187 Miscellaneous Attributes
188 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
189
190 The attributes ``IsAddressTaken``, ``IsLandingPad`` and ``Alignment`` can be
191 specified in brackets after the block's definition:
192
193 .. code-block:: llvm
194
195     bb.0.entry (address-taken):
196       <instructions>
197     bb.2.else (align 4):
198       <instructions>
199     bb.3(landing-pad, align 4):
200       <instructions>
201
202 .. TODO: Describe the way the reference to an unnamed LLVM IR block can be
203    preserved.
204
205 Machine Instructions
206 --------------------
207
208 A machine instruction is composed of a name,
209 :ref:`machine operands <machine-operands>`,
210 :ref:`instruction flags <instruction-flags>`, and machine memory operands.
211
212 The instruction's name is usually specified before the operands. The example
213 below shows an instance of the X86 ``RETQ`` instruction with a single machine
214 operand:
215
216 .. code-block:: llvm
217
218     RETQ %eax
219
220 However, if the machine instruction has one or more explicitly defined register
221 operands, the instruction's name has to be specified after them. The example
222 below shows an instance of the AArch64 ``LDPXpost`` instruction with three
223 defined register operands:
224
225 .. code-block:: llvm
226
227     %sp, %fp, %lr = LDPXpost %sp, 2
228
229 The instruction names are serialized using the exact definitions from the
230 target's ``*InstrInfo.td`` files, and they are case sensitive. This means that
231 similar instruction names like ``TSTri`` and ``tSTRi`` represent different
232 machine instructions.
233
234 .. _instruction-flags:
235
236 Instruction Flags
237 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
238
239 The flag ``frame-setup`` can be specified before the instruction's name:
240
241 .. code-block:: llvm
242
243     %fp = frame-setup ADDXri %sp, 0, 0
244
245 .. _registers:
246
247 Registers
248 ---------
249
250 Registers are one of the key primitives in the machine instructions
251 serialization language. They are primarly used in the
252 :ref:`register machine operands <register-operands>`,
253 but they can also be used in a number of other places, like the
254 :ref:`basic block's live in list <bb-liveins>`.
255
256 The physical registers are identified by their name. They use the following
257 syntax:
258
259 .. code-block:: llvm
260
261     %<name>
262
263 The example below shows three X86 physical registers:
264
265 .. code-block:: llvm
266
267     %eax
268     %r15
269     %eflags
270
271 The virtual registers are identified by their ID number. They use the following
272 syntax:
273
274 .. code-block:: llvm
275
276     %<id>
277
278 Example:
279
280 .. code-block:: llvm
281
282     %0
283
284 The null registers are represented using an underscore ('``_``'). They can also be
285 represented using a '``%noreg``' named register, although the former syntax
286 is preferred.
287
288 .. _machine-operands:
289
290 Machine Operands
291 ----------------
292
293 There are seventeen different kinds of machine operands, and all of them, except
294 the ``MCSymbol`` operand, can be serialized. The ``MCSymbol`` operands are
295 just printed out - they can't be parsed back yet.
296
297 Immediate Operands
298 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
299
300 The immediate machine operands are untyped, 64-bit signed integers. The
301 example below shows an instance of the X86 ``MOV32ri`` instruction that has an
302 immediate machine operand ``-42``:
303
304 .. code-block:: llvm
305
306     %eax = MOV32ri -42
307
308 .. TODO: Describe the CIMM (Rare) and FPIMM immediate operands.
309
310 .. _register-operands:
311
312 Register Operands
313 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
314
315 The :ref:`register <registers>` primitive is used to represent the register
316 machine operands. The register operands can also have optional
317 :ref:`register flags <register-flags>`,
318 a subregister index, and a reference to the tied register operand.
319 The full syntax of a register operand is shown below:
320
321 .. code-block:: llvm
322
323     [<flags>] <register> [ :<subregister-idx-name> ] [ (tied-def <tied-op>) ]
324
325 This example shows an instance of the X86 ``XOR32rr`` instruction that has
326 5 register operands with different register flags:
327
328 .. code-block:: llvm
329
330   dead %eax = XOR32rr undef %eax, undef %eax, implicit-def dead %eflags, implicit-def %al
331
332 .. _register-flags:
333
334 Register Flags
335 ~~~~~~~~~~~~~~
336
337 The table below shows all of the possible register flags along with the
338 corresponding internal ``llvm::RegState`` representation:
339
340 .. list-table::
341    :header-rows: 1
342
343    * - Flag
344      - Internal Value
345
346    * - ``implicit``
347      - ``RegState::Implicit``
348
349    * - ``implicit-def``
350      - ``RegState::ImplicitDefine``
351
352    * - ``def``
353      - ``RegState::Define``
354
355    * - ``dead``
356      - ``RegState::Dead``
357
358    * - ``killed``
359      - ``RegState::Kill``
360
361    * - ``undef``
362      - ``RegState::Undef``
363
364    * - ``internal``
365      - ``RegState::InternalRead``
366
367    * - ``early-clobber``
368      - ``RegState::EarlyClobber``
369
370    * - ``debug-use``
371      - ``RegState::Debug``
372
373 .. TODO: Describe the parsers default behaviour when optional YAML attributes
374    are missing.
375 .. TODO: Describe the syntax for the bundled instructions.
376 .. TODO: Describe the syntax for virtual register YAML definitions.
377 .. TODO: Describe the syntax of the subregisters.
378 .. TODO: Describe the machine function's YAML flag attributes.
379 .. TODO: Describe the syntax for the global value, external symbol and register
380    mask machine operands.
381 .. TODO: Describe the frame information YAML mapping.
382 .. TODO: Describe the syntax of the stack object machine operands and their
383    YAML definitions.
384 .. TODO: Describe the syntax of the constant pool machine operands and their
385    YAML definitions.
386 .. TODO: Describe the syntax of the jump table machine operands and their
387    YAML definitions.
388 .. TODO: Describe the syntax of the block address machine operands.
389 .. TODO: Describe the syntax of the CFI index machine operands.
390 .. TODO: Describe the syntax of the metadata machine operands, and the
391    instructions debug location attribute.
392 .. TODO: Describe the syntax of the target index machine operands.
393 .. TODO: Describe the syntax of the register live out machine operands.
394 .. TODO: Describe the syntax of the machine memory operands.