MIRLangRef: Add 'MIR Testing Guide' section.
[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 MIR Testing Guide
37 =================
38
39 You can use the MIR format for testing in two different ways:
40
41 - You can write MIR tests that invoke a single code generation pass using the
42   ``run-pass`` option in llc.
43
44 - You can use llc's ``stop-after`` option with existing or new LLVM assembly
45   tests and check the MIR output of a specific code generation pass.
46
47 Testing Individual Code Generation Passes
48 -----------------------------------------
49
50 The ``run-pass`` option in llc allows you to create MIR tests that invoke
51 just a single code generation pass. When this option is used, llc will parse
52 an input MIR file, run the specified code generation pass, and print the
53 resulting MIR to the standard output stream.
54
55 You can generate an input MIR file for the test by using the ``stop-after``
56 option in llc. For example, if you would like to write a test for the
57 post register allocation pseudo instruction expansion pass, you can specify
58 the machine copy propagation pass in the ``stop-after`` option, as it runs
59 just before the pass that we are trying to test:
60
61    ``llc -stop-after machine-cp bug-trigger.ll > test.mir``
62
63 After generating the input MIR file, you'll have to add a run line that uses
64 the ``-run-pass`` option to it. In order to test the post register allocation
65 pseudo instruction expansion pass on X86-64, a run line like the one shown
66 below can be used:
67
68     ``# RUN: llc -run-pass postrapseudos -march=x86-64 %s -o /dev/null | FileCheck %s``
69
70 The MIR files are target dependent, so they have to be placed in the target
71 specific test directories. They also need to specify a target triple or a
72 target architecture either in the run line or in the embedded LLVM IR module.
73
74 Limitations
75 -----------
76
77 Currently the MIR format has several limitations in terms of which state it
78 can serialize:
79
80 - The target-specific state in the target-specific ``MachineFunctionInfo``
81   subclasses isn't serialized at the moment.
82
83 - The target-specific ``MachineConstantPoolValue`` subclasses (in the ARM and
84   SystemZ backends) aren't serialized at the moment.
85
86 - The ``MCSymbol`` machine operands are only printed, they can't be parsed.
87
88 - A lot of the state in ``MachineModuleInfo`` isn't serialized - only the CFI
89   instructions and the variable debug information from MMI is serialized right
90   now.
91
92 These limitations impose restrictions on what you can test with the MIR format.
93 For now, tests that would like to test some behaviour that depends on the state
94 of certain ``MCSymbol``  operands or the exception handling state in MMI, can't
95 use the MIR format. As well as that, tests that test some behaviour that
96 depends on the state of the target specific ``MachineFunctionInfo`` or
97 ``MachineConstantPoolValue`` subclasses can't use the MIR format at the moment.
98
99 High Level Structure
100 ====================
101
102 Embedded Module
103 ---------------
104
105 When the first YAML document contains a `YAML block literal string`_, the MIR
106 parser will treat this string as an LLVM assembly language string that
107 represents an embedded LLVM IR module.
108 Here is an example of a YAML document that contains an LLVM module:
109
110 .. code-block:: llvm
111
112      --- |
113        define i32 @inc(i32* %x) {
114        entry:
115          %0 = load i32, i32* %x
116          %1 = add i32 %0, 1
117          store i32 %1, i32* %x
118          ret i32 %1
119        }
120      ...
121
122 .. _YAML block literal string: http://www.yaml.org/spec/1.2/spec.html#id2795688
123
124 Machine Functions
125 -----------------
126
127 The remaining YAML documents contain the machine functions. This is an example
128 of such YAML document:
129
130 .. code-block:: llvm
131
132      ---
133      name:            inc
134      tracksRegLiveness: true
135      liveins:
136        - { reg: '%rdi' }
137      body: |
138        bb.0.entry:
139          liveins: %rdi
140
141          %eax = MOV32rm %rdi, 1, _, 0, _
142          %eax = INC32r killed %eax, implicit-def dead %eflags
143          MOV32mr killed %rdi, 1, _, 0, _, %eax
144          RETQ %eax
145      ...
146
147 The document above consists of attributes that represent the various
148 properties and data structures in a machine function.
149
150 The attribute ``name`` is required, and its value should be identical to the
151 name of a function that this machine function is based on.
152
153 The attribute ``body`` is a `YAML block literal string`_. Its value represents
154 the function's machine basic blocks and their machine instructions.
155
156 Machine Instructions Format Reference
157 =====================================
158
159 The machine basic blocks and their instructions are represented using a custom,
160 human readable serialization language. This language is used in the
161 `YAML block literal string`_ that corresponds to the machine function's body.
162
163 A source string that uses this language contains a list of machine basic
164 blocks, which are described in the section below.
165
166 Machine Basic Blocks
167 --------------------
168
169 A machine basic block is defined in a single block definition source construct
170 that contains the block's ID.
171 The example below defines two blocks that have an ID of zero and one:
172
173 .. code-block:: llvm
174
175     bb.0:
176       <instructions>
177     bb.1:
178       <instructions>
179
180 A machine basic block can also have a name. It should be specified after the ID
181 in the block's definition:
182
183 .. code-block:: llvm
184
185     bb.0.entry:       ; This block's name is "entry"
186        <instructions>
187
188 The block's name should be identical to the name of the IR block that this
189 machine block is based on.
190
191 Block References
192 ^^^^^^^^^^^^^^^^
193
194 The machine basic blocks are identified by their ID numbers. Individual
195 blocks are referenced using the following syntax:
196
197 .. code-block:: llvm
198
199     %bb.<id>[.<name>]
200
201 Examples:
202
203 .. code-block:: llvm
204
205     %bb.0
206     %bb.1.then
207
208 Successors
209 ^^^^^^^^^^
210
211 The machine basic block's successors have to be specified before any of the
212 instructions:
213
214 .. code-block:: llvm
215
216     bb.0.entry:
217       successors: %bb.1.then, %bb.2.else
218       <instructions>
219     bb.1.then:
220       <instructions>
221     bb.2.else:
222       <instructions>
223
224 The branch weights can be specified in brackets after the successor blocks.
225 The example below defines a block that has two successors with branch weights
226 of 32 and 16:
227
228 .. code-block:: llvm
229
230     bb.0.entry:
231       successors: %bb.1.then(32), %bb.2.else(16)
232
233 .. _bb-liveins:
234
235 Live In Registers
236 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
237
238 The machine basic block's live in registers have to be specified before any of
239 the instructions:
240
241 .. code-block:: llvm
242
243     bb.0.entry:
244       liveins: %edi, %esi
245
246 The list of live in registers and successors can be empty. The language also
247 allows multiple live in register and successor lists - they are combined into
248 one list by the parser.
249
250 Miscellaneous Attributes
251 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
252
253 The attributes ``IsAddressTaken``, ``IsLandingPad`` and ``Alignment`` can be
254 specified in brackets after the block's definition:
255
256 .. code-block:: llvm
257
258     bb.0.entry (address-taken):
259       <instructions>
260     bb.2.else (align 4):
261       <instructions>
262     bb.3(landing-pad, align 4):
263       <instructions>
264
265 .. TODO: Describe the way the reference to an unnamed LLVM IR block can be
266    preserved.
267
268 Machine Instructions
269 --------------------
270
271 A machine instruction is composed of a name,
272 :ref:`machine operands <machine-operands>`,
273 :ref:`instruction flags <instruction-flags>`, and machine memory operands.
274
275 The instruction's name is usually specified before the operands. The example
276 below shows an instance of the X86 ``RETQ`` instruction with a single machine
277 operand:
278
279 .. code-block:: llvm
280
281     RETQ %eax
282
283 However, if the machine instruction has one or more explicitly defined register
284 operands, the instruction's name has to be specified after them. The example
285 below shows an instance of the AArch64 ``LDPXpost`` instruction with three
286 defined register operands:
287
288 .. code-block:: llvm
289
290     %sp, %fp, %lr = LDPXpost %sp, 2
291
292 The instruction names are serialized using the exact definitions from the
293 target's ``*InstrInfo.td`` files, and they are case sensitive. This means that
294 similar instruction names like ``TSTri`` and ``tSTRi`` represent different
295 machine instructions.
296
297 .. _instruction-flags:
298
299 Instruction Flags
300 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
301
302 The flag ``frame-setup`` can be specified before the instruction's name:
303
304 .. code-block:: llvm
305
306     %fp = frame-setup ADDXri %sp, 0, 0
307
308 .. _registers:
309
310 Registers
311 ---------
312
313 Registers are one of the key primitives in the machine instructions
314 serialization language. They are primarly used in the
315 :ref:`register machine operands <register-operands>`,
316 but they can also be used in a number of other places, like the
317 :ref:`basic block's live in list <bb-liveins>`.
318
319 The physical registers are identified by their name. They use the following
320 syntax:
321
322 .. code-block:: llvm
323
324     %<name>
325
326 The example below shows three X86 physical registers:
327
328 .. code-block:: llvm
329
330     %eax
331     %r15
332     %eflags
333
334 The virtual registers are identified by their ID number. They use the following
335 syntax:
336
337 .. code-block:: llvm
338
339     %<id>
340
341 Example:
342
343 .. code-block:: llvm
344
345     %0
346
347 The null registers are represented using an underscore ('``_``'). They can also be
348 represented using a '``%noreg``' named register, although the former syntax
349 is preferred.
350
351 .. _machine-operands:
352
353 Machine Operands
354 ----------------
355
356 There are seventeen different kinds of machine operands, and all of them, except
357 the ``MCSymbol`` operand, can be serialized. The ``MCSymbol`` operands are
358 just printed out - they can't be parsed back yet.
359
360 Immediate Operands
361 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
362
363 The immediate machine operands are untyped, 64-bit signed integers. The
364 example below shows an instance of the X86 ``MOV32ri`` instruction that has an
365 immediate machine operand ``-42``:
366
367 .. code-block:: llvm
368
369     %eax = MOV32ri -42
370
371 .. TODO: Describe the CIMM (Rare) and FPIMM immediate operands.
372
373 .. _register-operands:
374
375 Register Operands
376 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
377
378 The :ref:`register <registers>` primitive is used to represent the register
379 machine operands. The register operands can also have optional
380 :ref:`register flags <register-flags>`,
381 a subregister index, and a reference to the tied register operand.
382 The full syntax of a register operand is shown below:
383
384 .. code-block:: llvm
385
386     [<flags>] <register> [ :<subregister-idx-name> ] [ (tied-def <tied-op>) ]
387
388 This example shows an instance of the X86 ``XOR32rr`` instruction that has
389 5 register operands with different register flags:
390
391 .. code-block:: llvm
392
393   dead %eax = XOR32rr undef %eax, undef %eax, implicit-def dead %eflags, implicit-def %al
394
395 .. _register-flags:
396
397 Register Flags
398 ~~~~~~~~~~~~~~
399
400 The table below shows all of the possible register flags along with the
401 corresponding internal ``llvm::RegState`` representation:
402
403 .. list-table::
404    :header-rows: 1
405
406    * - Flag
407      - Internal Value
408
409    * - ``implicit``
410      - ``RegState::Implicit``
411
412    * - ``implicit-def``
413      - ``RegState::ImplicitDefine``
414
415    * - ``def``
416      - ``RegState::Define``
417
418    * - ``dead``
419      - ``RegState::Dead``
420
421    * - ``killed``
422      - ``RegState::Kill``
423
424    * - ``undef``
425      - ``RegState::Undef``
426
427    * - ``internal``
428      - ``RegState::InternalRead``
429
430    * - ``early-clobber``
431      - ``RegState::EarlyClobber``
432
433    * - ``debug-use``
434      - ``RegState::Debug``
435
436 .. TODO: Describe the parsers default behaviour when optional YAML attributes
437    are missing.
438 .. TODO: Describe the syntax for the bundled instructions.
439 .. TODO: Describe the syntax for virtual register YAML definitions.
440 .. TODO: Describe the syntax of the subregisters.
441 .. TODO: Describe the machine function's YAML flag attributes.
442 .. TODO: Describe the syntax for the global value, external symbol and register
443    mask machine operands.
444 .. TODO: Describe the frame information YAML mapping.
445 .. TODO: Describe the syntax of the stack object machine operands and their
446    YAML definitions.
447 .. TODO: Describe the syntax of the constant pool machine operands and their
448    YAML definitions.
449 .. TODO: Describe the syntax of the jump table machine operands and their
450    YAML definitions.
451 .. TODO: Describe the syntax of the block address machine operands.
452 .. TODO: Describe the syntax of the CFI index machine operands.
453 .. TODO: Describe the syntax of the metadata machine operands, and the
454    instructions debug location attribute.
455 .. TODO: Describe the syntax of the target index machine operands.
456 .. TODO: Describe the syntax of the register live out machine operands.
457 .. TODO: Describe the syntax of the machine memory operands.