3e74dffb00e23a63bbd67a7e3c99d70247410333
[oota-llvm.git] / docs / TableGen / LangIntro.rst
1 ==============================
2 TableGen Language Introduction
3 ==============================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 .. warning::
9    This document is extremely rough. If you find something lacking, please
10    fix it, file a documentation bug, or ask about it on llvmdev.
11
12 Introduction
13 ============
14
15 This document is not meant to be a normative spec about the TableGen language
16 in and of itself (i.e. how to understand a given construct in terms of how
17 it affects the final set of records represented by the TableGen file). For
18 the formal language specification, see :doc:`LangRef`.
19
20 TableGen syntax
21 ===============
22
23 TableGen doesn't care about the meaning of data (that is up to the backend to
24 define), but it does care about syntax, and it enforces a simple type system.
25 This section describes the syntax and the constructs allowed in a TableGen file.
26
27 TableGen primitives
28 -------------------
29
30 TableGen comments
31 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
32
33 TableGen supports C++ style "``//``" comments, which run to the end of the
34 line, and it also supports **nestable** "``/* */``" comments.
35
36 .. _TableGen type:
37
38 The TableGen type system
39 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
40
41 TableGen files are strongly typed, in a simple (but complete) type-system.
42 These types are used to perform automatic conversions, check for errors, and to
43 help interface designers constrain the input that they allow.  Every `value
44 definition`_ is required to have an associated type.
45
46 TableGen supports a mixture of very low-level types (such as ``bit``) and very
47 high-level types (such as ``dag``).  This flexibility is what allows it to
48 describe a wide range of information conveniently and compactly.  The TableGen
49 types are:
50
51 ``bit``
52     A 'bit' is a boolean value that can hold either 0 or 1.
53
54 ``int``
55     The 'int' type represents a simple 32-bit integer value, such as 5.
56
57 ``string``
58     The 'string' type represents an ordered sequence of characters of arbitrary
59     length.
60
61 ``bits<n>``
62     A 'bits' type is an arbitrary, but fixed, size integer that is broken up
63     into individual bits.  This type is useful because it can handle some bits
64     being defined while others are undefined.
65
66 ``list<ty>``
67     This type represents a list whose elements are some other type.  The
68     contained type is arbitrary: it can even be another list type.
69
70 Class type
71     Specifying a class name in a type context means that the defined value must
72     be a subclass of the specified class.  This is useful in conjunction with
73     the ``list`` type, for example, to constrain the elements of the list to a
74     common base class (e.g., a ``list<Register>`` can only contain definitions
75     derived from the "``Register``" class).
76
77 ``dag``
78     This type represents a nestable directed graph of elements.
79
80 To date, these types have been sufficient for describing things that TableGen
81 has been used for, but it is straight-forward to extend this list if needed.
82
83 .. _TableGen expressions:
84
85 TableGen values and expressions
86 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
87
88 TableGen allows for a pretty reasonable number of different expression forms
89 when building up values.  These forms allow the TableGen file to be written in a
90 natural syntax and flavor for the application.  The current expression forms
91 supported include:
92
93 ``?``
94     uninitialized field
95
96 ``0b1001011``
97     binary integer value
98
99 ``07654321``
100     octal integer value (indicated by a leading 0)
101
102 ``7``
103     decimal integer value
104
105 ``0x7F``
106     hexadecimal integer value
107
108 ``"foo"``
109     string value
110
111 ``[{ ... }]``
112     usually called a "code fragment", but is just a multiline string literal
113
114 ``[ X, Y, Z ]<type>``
115     list value.  <type> is the type of the list element and is usually optional.
116     In rare cases, TableGen is unable to deduce the element type in which case
117     the user must specify it explicitly.
118
119 ``{ a, b, c }``
120     initializer for a "bits<3>" value
121
122 ``value``
123     value reference
124
125 ``value{17}``
126     access to one bit of a value
127
128 ``value{15-17}``
129     access to multiple bits of a value
130
131 ``DEF``
132     reference to a record definition
133
134 ``CLASS<val list>``
135     reference to a new anonymous definition of CLASS with the specified template
136     arguments.
137
138 ``X.Y``
139     reference to the subfield of a value
140
141 ``list[4-7,17,2-3]``
142     A slice of the 'list' list, including elements 4,5,6,7,17,2, and 3 from it.
143     Elements may be included multiple times.
144
145 ``foreach <var> = [ <list> ] in { <body> }``
146
147 ``foreach <var> = [ <list> ] in <def>``
148     Replicate <body> or <def>, replacing instances of <var> with each value
149     in <list>.  <var> is scoped at the level of the ``foreach`` loop and must
150     not conflict with any other object introduced in <body> or <def>.  Currently
151     only ``def``\s are expanded within <body>.
152
153 ``foreach <var> = 0-15 in ...``
154
155 ``foreach <var> = {0-15,32-47} in ...``
156     Loop over ranges of integers. The braces are required for multiple ranges.
157
158 ``(DEF a, b)``
159     a dag value.  The first element is required to be a record definition, the
160     remaining elements in the list may be arbitrary other values, including
161     nested ```dag``' values.
162
163 ``!listconcat(a, b, ...)``
164     A list value that is the result of concatenating the 'a' and 'b' lists.
165     The lists must have the same element type.
166     More than two arguments are accepted with the result being the concatenation
167     of all the lists given.
168
169 ``!strconcat(a, b, ...)``
170     A string value that is the result of concatenating the 'a' and 'b' strings.
171     More than two arguments are accepted with the result being the concatenation
172     of all the strings given.
173
174 ``str1#str2``
175     "#" (paste) is a shorthand for !strconcat.  It may concatenate things that
176     are not quoted strings, in which case an implicit !cast<string> is done on
177     the operand of the paste.
178
179 ``!cast<type>(a)``
180     A symbol of type *type* obtained by looking up the string 'a' in the symbol
181     table.  If the type of 'a' does not match *type*, TableGen aborts with an
182     error. !cast<string> is a special case in that the argument must be an
183     object defined by a 'def' construct.
184
185 ``!subst(a, b, c)``
186     If 'a' and 'b' are of string type or are symbol references, substitute 'b'
187     for 'a' in 'c.'  This operation is analogous to $(subst) in GNU make.
188
189 ``!foreach(a, b, c)``
190     For each member 'b' of dag or list 'a' apply operator 'c.'  'b' is a dummy
191     variable that should be declared as a member variable of an instantiated
192     class.  This operation is analogous to $(foreach) in GNU make.
193
194 ``!head(a)``
195     The first element of list 'a.'
196
197 ``!tail(a)``
198     The 2nd-N elements of list 'a.'
199
200 ``!empty(a)``
201     An integer {0,1} indicating whether list 'a' is empty.
202
203 ``!if(a,b,c)``
204   'b' if the result of 'int' or 'bit' operator 'a' is nonzero, 'c' otherwise.
205
206 ``!eq(a,b)``
207     'bit 1' if string a is equal to string b, 0 otherwise.  This only operates
208     on string, int and bit objects.  Use !cast<string> to compare other types of
209     objects.
210
211 Note that all of the values have rules specifying how they convert to values
212 for different types.  These rules allow you to assign a value like "``7``"
213 to a "``bits<4>``" value, for example.
214
215 Classes and definitions
216 -----------------------
217
218 As mentioned in the :doc:`introduction <index>`, classes and definitions (collectively known as
219 'records') in TableGen are the main high-level unit of information that TableGen
220 collects.  Records are defined with a ``def`` or ``class`` keyword, the record
221 name, and an optional list of "`template arguments`_".  If the record has
222 superclasses, they are specified as a comma separated list that starts with a
223 colon character ("``:``").  If `value definitions`_ or `let expressions`_ are
224 needed for the class, they are enclosed in curly braces ("``{}``"); otherwise,
225 the record ends with a semicolon.
226
227 Here is a simple TableGen file:
228
229 .. code-block:: llvm
230
231   class C { bit V = 1; }
232   def X : C;
233   def Y : C {
234     string Greeting = "hello";
235   }
236
237 This example defines two definitions, ``X`` and ``Y``, both of which derive from
238 the ``C`` class.  Because of this, they both get the ``V`` bit value.  The ``Y``
239 definition also gets the Greeting member as well.
240
241 In general, classes are useful for collecting together the commonality between a
242 group of records and isolating it in a single place.  Also, classes permit the
243 specification of default values for their subclasses, allowing the subclasses to
244 override them as they wish.
245
246 .. _value definition:
247 .. _value definitions:
248
249 Value definitions
250 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
251
252 Value definitions define named entries in records.  A value must be defined
253 before it can be referred to as the operand for another value definition or
254 before the value is reset with a `let expression`_.  A value is defined by
255 specifying a `TableGen type`_ and a name.  If an initial value is available, it
256 may be specified after the type with an equal sign.  Value definitions require
257 terminating semicolons.
258
259 .. _let expression:
260 .. _let expressions:
261 .. _"let" expressions within a record:
262
263 'let' expressions
264 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
265
266 A record-level let expression is used to change the value of a value definition
267 in a record.  This is primarily useful when a superclass defines a value that a
268 derived class or definition wants to override.  Let expressions consist of the
269 '``let``' keyword followed by a value name, an equal sign ("``=``"), and a new
270 value.  For example, a new class could be added to the example above, redefining
271 the ``V`` field for all of its subclasses:
272
273 .. code-block:: llvm
274
275   class D : C { let V = 0; }
276   def Z : D;
277
278 In this case, the ``Z`` definition will have a zero value for its ``V`` value,
279 despite the fact that it derives (indirectly) from the ``C`` class, because the
280 ``D`` class overrode its value.
281
282 .. _template arguments:
283
284 Class template arguments
285 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
286
287 TableGen permits the definition of parameterized classes as well as normal
288 concrete classes.  Parameterized TableGen classes specify a list of variable
289 bindings (which may optionally have defaults) that are bound when used.  Here is
290 a simple example:
291
292 .. code-block:: llvm
293
294   class FPFormat<bits<3> val> {
295     bits<3> Value = val;
296   }
297   def NotFP      : FPFormat<0>;
298   def ZeroArgFP  : FPFormat<1>;
299   def OneArgFP   : FPFormat<2>;
300   def OneArgFPRW : FPFormat<3>;
301   def TwoArgFP   : FPFormat<4>;
302   def CompareFP  : FPFormat<5>;
303   def CondMovFP  : FPFormat<6>;
304   def SpecialFP  : FPFormat<7>;
305
306 In this case, template arguments are used as a space efficient way to specify a
307 list of "enumeration values", each with a "``Value``" field set to the specified
308 integer.
309
310 The more esoteric forms of `TableGen expressions`_ are useful in conjunction
311 with template arguments.  As an example:
312
313 .. code-block:: llvm
314
315   class ModRefVal<bits<2> val> {
316     bits<2> Value = val;
317   }
318
319   def None   : ModRefVal<0>;
320   def Mod    : ModRefVal<1>;
321   def Ref    : ModRefVal<2>;
322   def ModRef : ModRefVal<3>;
323
324   class Value<ModRefVal MR> {
325     // Decode some information into a more convenient format, while providing
326     // a nice interface to the user of the "Value" class.
327     bit isMod = MR.Value{0};
328     bit isRef = MR.Value{1};
329
330     // other stuff...
331   }
332
333   // Example uses
334   def bork : Value<Mod>;
335   def zork : Value<Ref>;
336   def hork : Value<ModRef>;
337
338 This is obviously a contrived example, but it shows how template arguments can
339 be used to decouple the interface provided to the user of the class from the
340 actual internal data representation expected by the class.  In this case,
341 running ``llvm-tblgen`` on the example prints the following definitions:
342
343 .. code-block:: llvm
344
345   def bork {      // Value
346     bit isMod = 1;
347     bit isRef = 0;
348   }
349   def hork {      // Value
350     bit isMod = 1;
351     bit isRef = 1;
352   }
353   def zork {      // Value
354     bit isMod = 0;
355     bit isRef = 1;
356   }
357
358 This shows that TableGen was able to dig into the argument and extract a piece
359 of information that was requested by the designer of the "Value" class.  For
360 more realistic examples, please see existing users of TableGen, such as the X86
361 backend.
362
363 Multiclass definitions and instances
364 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
365
366 While classes with template arguments are a good way to factor commonality
367 between two instances of a definition, multiclasses allow a convenient notation
368 for defining multiple definitions at once (instances of implicitly constructed
369 classes).  For example, consider an 3-address instruction set whose instructions
370 come in two forms: "``reg = reg op reg``" and "``reg = reg op imm``"
371 (e.g. SPARC). In this case, you'd like to specify in one place that this
372 commonality exists, then in a separate place indicate what all the ops are.
373
374 Here is an example TableGen fragment that shows this idea:
375
376 .. code-block:: llvm
377
378   def ops;
379   def GPR;
380   def Imm;
381   class inst<int opc, string asmstr, dag operandlist>;
382
383   multiclass ri_inst<int opc, string asmstr> {
384     def _rr : inst<opc, !strconcat(asmstr, " $dst, $src1, $src2"),
385                    (ops GPR:$dst, GPR:$src1, GPR:$src2)>;
386     def _ri : inst<opc, !strconcat(asmstr, " $dst, $src1, $src2"),
387                    (ops GPR:$dst, GPR:$src1, Imm:$src2)>;
388   }
389
390   // Instantiations of the ri_inst multiclass.
391   defm ADD : ri_inst<0b111, "add">;
392   defm SUB : ri_inst<0b101, "sub">;
393   defm MUL : ri_inst<0b100, "mul">;
394   ...
395
396 The name of the resultant definitions has the multidef fragment names appended
397 to them, so this defines ``ADD_rr``, ``ADD_ri``, ``SUB_rr``, etc.  A defm may
398 inherit from multiple multiclasses, instantiating definitions from each
399 multiclass.  Using a multiclass this way is exactly equivalent to instantiating
400 the classes multiple times yourself, e.g. by writing:
401
402 .. code-block:: llvm
403
404   def ops;
405   def GPR;
406   def Imm;
407   class inst<int opc, string asmstr, dag operandlist>;
408
409   class rrinst<int opc, string asmstr>
410     : inst<opc, !strconcat(asmstr, " $dst, $src1, $src2"),
411            (ops GPR:$dst, GPR:$src1, GPR:$src2)>;
412
413   class riinst<int opc, string asmstr>
414     : inst<opc, !strconcat(asmstr, " $dst, $src1, $src2"),
415            (ops GPR:$dst, GPR:$src1, Imm:$src2)>;
416
417   // Instantiations of the ri_inst multiclass.
418   def ADD_rr : rrinst<0b111, "add">;
419   def ADD_ri : riinst<0b111, "add">;
420   def SUB_rr : rrinst<0b101, "sub">;
421   def SUB_ri : riinst<0b101, "sub">;
422   def MUL_rr : rrinst<0b100, "mul">;
423   def MUL_ri : riinst<0b100, "mul">;
424   ...
425
426 A ``defm`` can also be used inside a multiclass providing several levels of
427 multiclass instantiations.
428
429 .. code-block:: llvm
430
431   class Instruction<bits<4> opc, string Name> {
432     bits<4> opcode = opc;
433     string name = Name;
434   }
435
436   multiclass basic_r<bits<4> opc> {
437     def rr : Instruction<opc, "rr">;
438     def rm : Instruction<opc, "rm">;
439   }
440
441   multiclass basic_s<bits<4> opc> {
442     defm SS : basic_r<opc>;
443     defm SD : basic_r<opc>;
444     def X : Instruction<opc, "x">;
445   }
446
447   multiclass basic_p<bits<4> opc> {
448     defm PS : basic_r<opc>;
449     defm PD : basic_r<opc>;
450     def Y : Instruction<opc, "y">;
451   }
452
453   defm ADD : basic_s<0xf>, basic_p<0xf>;
454   ...
455
456   // Results
457   def ADDPDrm { ...
458   def ADDPDrr { ...
459   def ADDPSrm { ...
460   def ADDPSrr { ...
461   def ADDSDrm { ...
462   def ADDSDrr { ...
463   def ADDY { ...
464   def ADDX { ...
465
466 ``defm`` declarations can inherit from classes too, the rule to follow is that
467 the class list must start after the last multiclass, and there must be at least
468 one multiclass before them.
469
470 .. code-block:: llvm
471
472   class XD { bits<4> Prefix = 11; }
473   class XS { bits<4> Prefix = 12; }
474
475   class I<bits<4> op> {
476     bits<4> opcode = op;
477   }
478
479   multiclass R {
480     def rr : I<4>;
481     def rm : I<2>;
482   }
483
484   multiclass Y {
485     defm SS : R, XD;
486     defm SD : R, XS;
487   }
488
489   defm Instr : Y;
490
491   // Results
492   def InstrSDrm {
493     bits<4> opcode = { 0, 0, 1, 0 };
494     bits<4> Prefix = { 1, 1, 0, 0 };
495   }
496   ...
497   def InstrSSrr {
498     bits<4> opcode = { 0, 1, 0, 0 };
499     bits<4> Prefix = { 1, 0, 1, 1 };
500   }
501
502 File scope entities
503 -------------------
504
505 File inclusion
506 ^^^^^^^^^^^^^^
507
508 TableGen supports the '``include``' token, which textually substitutes the
509 specified file in place of the include directive.  The filename should be
510 specified as a double quoted string immediately after the '``include``' keyword.
511 Example:
512
513 .. code-block:: llvm
514
515   include "foo.td"
516
517 'let' expressions
518 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
519
520 "Let" expressions at file scope are similar to `"let" expressions within a
521 record`_, except they can specify a value binding for multiple records at a
522 time, and may be useful in certain other cases.  File-scope let expressions are
523 really just another way that TableGen allows the end-user to factor out
524 commonality from the records.
525
526 File-scope "let" expressions take a comma-separated list of bindings to apply,
527 and one or more records to bind the values in.  Here are some examples:
528
529 .. code-block:: llvm
530
531   let isTerminator = 1, isReturn = 1, isBarrier = 1, hasCtrlDep = 1 in
532     def RET : I<0xC3, RawFrm, (outs), (ins), "ret", [(X86retflag 0)]>;
533
534   let isCall = 1 in
535     // All calls clobber the non-callee saved registers...
536     let Defs = [EAX, ECX, EDX, FP0, FP1, FP2, FP3, FP4, FP5, FP6, ST0,
537                 MM0, MM1, MM2, MM3, MM4, MM5, MM6, MM7,
538                 XMM0, XMM1, XMM2, XMM3, XMM4, XMM5, XMM6, XMM7, EFLAGS] in {
539       def CALLpcrel32 : Ii32<0xE8, RawFrm, (outs), (ins i32imm:$dst,variable_ops),
540                              "call\t${dst:call}", []>;
541       def CALL32r     : I<0xFF, MRM2r, (outs), (ins GR32:$dst, variable_ops),
542                           "call\t{*}$dst", [(X86call GR32:$dst)]>;
543       def CALL32m     : I<0xFF, MRM2m, (outs), (ins i32mem:$dst, variable_ops),
544                           "call\t{*}$dst", []>;
545     }
546
547 File-scope "let" expressions are often useful when a couple of definitions need
548 to be added to several records, and the records do not otherwise need to be
549 opened, as in the case with the ``CALL*`` instructions above.
550
551 It's also possible to use "let" expressions inside multiclasses, providing more
552 ways to factor out commonality from the records, specially if using several
553 levels of multiclass instantiations. This also avoids the need of using "let"
554 expressions within subsequent records inside a multiclass.
555
556 .. code-block:: llvm
557
558   multiclass basic_r<bits<4> opc> {
559     let Predicates = [HasSSE2] in {
560       def rr : Instruction<opc, "rr">;
561       def rm : Instruction<opc, "rm">;
562     }
563     let Predicates = [HasSSE3] in
564       def rx : Instruction<opc, "rx">;
565   }
566
567   multiclass basic_ss<bits<4> opc> {
568     let IsDouble = 0 in
569       defm SS : basic_r<opc>;
570
571     let IsDouble = 1 in
572       defm SD : basic_r<opc>;
573   }
574
575   defm ADD : basic_ss<0xf>;
576
577 Looping
578 ^^^^^^^
579
580 TableGen supports the '``foreach``' block, which textually replicates the loop
581 body, substituting iterator values for iterator references in the body.
582 Example:
583
584 .. code-block:: llvm
585
586   foreach i = [0, 1, 2, 3] in {
587     def R#i : Register<...>;
588     def F#i : Register<...>;
589   }
590
591 This will create objects ``R0``, ``R1``, ``R2`` and ``R3``.  ``foreach`` blocks
592 may be nested. If there is only one item in the body the braces may be
593 elided:
594
595 .. code-block:: llvm
596
597   foreach i = [0, 1, 2, 3] in
598     def R#i : Register<...>;
599
600 Code Generator backend info
601 ===========================
602
603 Expressions used by code generator to describe instructions and isel patterns:
604
605 ``(implicit a)``
606     an implicitly defined physical register.  This tells the dag instruction
607     selection emitter the input pattern's extra definitions matches implicit
608     physical register definitions.
609