85c74a5b46087b91d99756785f3c84b5289b0b65
[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     Note that this is sized by the number of bits given and will not be
99     silently extended/truncated.
100
101 ``07654321``
102     octal integer value (indicated by a leading 0)
103
104 ``7``
105     decimal integer value
106
107 ``0x7F``
108     hexadecimal integer value
109
110 ``"foo"``
111     string value
112
113 ``[{ ... }]``
114     usually called a "code fragment", but is just a multiline string literal
115
116 ``[ X, Y, Z ]<type>``
117     list value.  <type> is the type of the list element and is usually optional.
118     In rare cases, TableGen is unable to deduce the element type in which case
119     the user must specify it explicitly.
120
121 ``{ a, b, 0b10 }``
122     initializer for a "bits<4>" value.
123     1-bit from "a", 1-bit from "b", 2-bits from 0b10.
124
125 ``value``
126     value reference
127
128 ``value{17}``
129     access to one bit of a value
130
131 ``value{15-17}``
132     access to multiple bits of a value
133
134 ``DEF``
135     reference to a record definition
136
137 ``CLASS<val list>``
138     reference to a new anonymous definition of CLASS with the specified template
139     arguments.
140
141 ``X.Y``
142     reference to the subfield of a value
143
144 ``list[4-7,17,2-3]``
145     A slice of the 'list' list, including elements 4,5,6,7,17,2, and 3 from it.
146     Elements may be included multiple times.
147
148 ``foreach <var> = [ <list> ] in { <body> }``
149
150 ``foreach <var> = [ <list> ] in <def>``
151     Replicate <body> or <def>, replacing instances of <var> with each value
152     in <list>.  <var> is scoped at the level of the ``foreach`` loop and must
153     not conflict with any other object introduced in <body> or <def>.  Currently
154     only ``def``\s are expanded within <body>.
155
156 ``foreach <var> = 0-15 in ...``
157
158 ``foreach <var> = {0-15,32-47} in ...``
159     Loop over ranges of integers. The braces are required for multiple ranges.
160
161 ``(DEF a, b)``
162     a dag value.  The first element is required to be a record definition, the
163     remaining elements in the list may be arbitrary other values, including
164     nested ```dag``' values.
165
166 ``!listconcat(a, b, ...)``
167     A list value that is the result of concatenating the 'a' and 'b' lists.
168     The lists must have the same element type.
169     More than two arguments are accepted with the result being the concatenation
170     of all the lists given.
171
172 ``!strconcat(a, b, ...)``
173     A string value that is the result of concatenating the 'a' and 'b' strings.
174     More than two arguments are accepted with the result being the concatenation
175     of all the strings given.
176
177 ``str1#str2``
178     "#" (paste) is a shorthand for !strconcat.  It may concatenate things that
179     are not quoted strings, in which case an implicit !cast<string> is done on
180     the operand of the paste.
181
182 ``!cast<type>(a)``
183     A symbol of type *type* obtained by looking up the string 'a' in the symbol
184     table.  If the type of 'a' does not match *type*, TableGen aborts with an
185     error. !cast<string> is a special case in that the argument must be an
186     object defined by a 'def' construct.
187
188 ``!subst(a, b, c)``
189     If 'a' and 'b' are of string type or are symbol references, substitute 'b'
190     for 'a' in 'c.'  This operation is analogous to $(subst) in GNU make.
191
192 ``!foreach(a, b, c)``
193     For each member 'b' of dag or list 'a' apply operator 'c.'  'b' is a dummy
194     variable that should be declared as a member variable of an instantiated
195     class.  This operation is analogous to $(foreach) in GNU make.
196
197 ``!head(a)``
198     The first element of list 'a.'
199
200 ``!tail(a)``
201     The 2nd-N elements of list 'a.'
202
203 ``!empty(a)``
204     An integer {0,1} indicating whether list 'a' is empty.
205
206 ``!if(a,b,c)``
207   'b' if the result of 'int' or 'bit' operator 'a' is nonzero, 'c' otherwise.
208
209 ``!eq(a,b)``
210     'bit 1' if string a is equal to string b, 0 otherwise.  This only operates
211     on string, int and bit objects.  Use !cast<string> to compare other types of
212     objects.
213
214 ``!shl(a,b)`` ``!srl(a,b)`` ``!sra(a,b)`` ``!add(a,b)`` ``!and(a,b)``
215     The usual binary and arithmetic operators.
216
217 Note that all of the values have rules specifying how they convert to values
218 for different types.  These rules allow you to assign a value like "``7``"
219 to a "``bits<4>``" value, for example.
220
221 Classes and definitions
222 -----------------------
223
224 As mentioned in the :doc:`introduction <index>`, classes and definitions (collectively known as
225 'records') in TableGen are the main high-level unit of information that TableGen
226 collects.  Records are defined with a ``def`` or ``class`` keyword, the record
227 name, and an optional list of "`template arguments`_".  If the record has
228 superclasses, they are specified as a comma separated list that starts with a
229 colon character ("``:``").  If `value definitions`_ or `let expressions`_ are
230 needed for the class, they are enclosed in curly braces ("``{}``"); otherwise,
231 the record ends with a semicolon.
232
233 Here is a simple TableGen file:
234
235 .. code-block:: llvm
236
237   class C { bit V = 1; }
238   def X : C;
239   def Y : C {
240     string Greeting = "hello";
241   }
242
243 This example defines two definitions, ``X`` and ``Y``, both of which derive from
244 the ``C`` class.  Because of this, they both get the ``V`` bit value.  The ``Y``
245 definition also gets the Greeting member as well.
246
247 In general, classes are useful for collecting together the commonality between a
248 group of records and isolating it in a single place.  Also, classes permit the
249 specification of default values for their subclasses, allowing the subclasses to
250 override them as they wish.
251
252 .. _value definition:
253 .. _value definitions:
254
255 Value definitions
256 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
257
258 Value definitions define named entries in records.  A value must be defined
259 before it can be referred to as the operand for another value definition or
260 before the value is reset with a `let expression`_.  A value is defined by
261 specifying a `TableGen type`_ and a name.  If an initial value is available, it
262 may be specified after the type with an equal sign.  Value definitions require
263 terminating semicolons.
264
265 .. _let expression:
266 .. _let expressions:
267 .. _"let" expressions within a record:
268
269 'let' expressions
270 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
271
272 A record-level let expression is used to change the value of a value definition
273 in a record.  This is primarily useful when a superclass defines a value that a
274 derived class or definition wants to override.  Let expressions consist of the
275 '``let``' keyword followed by a value name, an equal sign ("``=``"), and a new
276 value.  For example, a new class could be added to the example above, redefining
277 the ``V`` field for all of its subclasses:
278
279 .. code-block:: llvm
280
281   class D : C { let V = 0; }
282   def Z : D;
283
284 In this case, the ``Z`` definition will have a zero value for its ``V`` value,
285 despite the fact that it derives (indirectly) from the ``C`` class, because the
286 ``D`` class overrode its value.
287
288 .. _template arguments:
289
290 Class template arguments
291 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
292
293 TableGen permits the definition of parameterized classes as well as normal
294 concrete classes.  Parameterized TableGen classes specify a list of variable
295 bindings (which may optionally have defaults) that are bound when used.  Here is
296 a simple example:
297
298 .. code-block:: llvm
299
300   class FPFormat<bits<3> val> {
301     bits<3> Value = val;
302   }
303   def NotFP      : FPFormat<0>;
304   def ZeroArgFP  : FPFormat<1>;
305   def OneArgFP   : FPFormat<2>;
306   def OneArgFPRW : FPFormat<3>;
307   def TwoArgFP   : FPFormat<4>;
308   def CompareFP  : FPFormat<5>;
309   def CondMovFP  : FPFormat<6>;
310   def SpecialFP  : FPFormat<7>;
311
312 In this case, template arguments are used as a space efficient way to specify a
313 list of "enumeration values", each with a "``Value``" field set to the specified
314 integer.
315
316 The more esoteric forms of `TableGen expressions`_ are useful in conjunction
317 with template arguments.  As an example:
318
319 .. code-block:: llvm
320
321   class ModRefVal<bits<2> val> {
322     bits<2> Value = val;
323   }
324
325   def None   : ModRefVal<0>;
326   def Mod    : ModRefVal<1>;
327   def Ref    : ModRefVal<2>;
328   def ModRef : ModRefVal<3>;
329
330   class Value<ModRefVal MR> {
331     // Decode some information into a more convenient format, while providing
332     // a nice interface to the user of the "Value" class.
333     bit isMod = MR.Value{0};
334     bit isRef = MR.Value{1};
335
336     // other stuff...
337   }
338
339   // Example uses
340   def bork : Value<Mod>;
341   def zork : Value<Ref>;
342   def hork : Value<ModRef>;
343
344 This is obviously a contrived example, but it shows how template arguments can
345 be used to decouple the interface provided to the user of the class from the
346 actual internal data representation expected by the class.  In this case,
347 running ``llvm-tblgen`` on the example prints the following definitions:
348
349 .. code-block:: llvm
350
351   def bork {      // Value
352     bit isMod = 1;
353     bit isRef = 0;
354   }
355   def hork {      // Value
356     bit isMod = 1;
357     bit isRef = 1;
358   }
359   def zork {      // Value
360     bit isMod = 0;
361     bit isRef = 1;
362   }
363
364 This shows that TableGen was able to dig into the argument and extract a piece
365 of information that was requested by the designer of the "Value" class.  For
366 more realistic examples, please see existing users of TableGen, such as the X86
367 backend.
368
369 Multiclass definitions and instances
370 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
371
372 While classes with template arguments are a good way to factor commonality
373 between two instances of a definition, multiclasses allow a convenient notation
374 for defining multiple definitions at once (instances of implicitly constructed
375 classes).  For example, consider an 3-address instruction set whose instructions
376 come in two forms: "``reg = reg op reg``" and "``reg = reg op imm``"
377 (e.g. SPARC). In this case, you'd like to specify in one place that this
378 commonality exists, then in a separate place indicate what all the ops are.
379
380 Here is an example TableGen fragment that shows this idea:
381
382 .. code-block:: llvm
383
384   def ops;
385   def GPR;
386   def Imm;
387   class inst<int opc, string asmstr, dag operandlist>;
388
389   multiclass ri_inst<int opc, string asmstr> {
390     def _rr : inst<opc, !strconcat(asmstr, " $dst, $src1, $src2"),
391                    (ops GPR:$dst, GPR:$src1, GPR:$src2)>;
392     def _ri : inst<opc, !strconcat(asmstr, " $dst, $src1, $src2"),
393                    (ops GPR:$dst, GPR:$src1, Imm:$src2)>;
394   }
395
396   // Instantiations of the ri_inst multiclass.
397   defm ADD : ri_inst<0b111, "add">;
398   defm SUB : ri_inst<0b101, "sub">;
399   defm MUL : ri_inst<0b100, "mul">;
400   ...
401
402 The name of the resultant definitions has the multidef fragment names appended
403 to them, so this defines ``ADD_rr``, ``ADD_ri``, ``SUB_rr``, etc.  A defm may
404 inherit from multiple multiclasses, instantiating definitions from each
405 multiclass.  Using a multiclass this way is exactly equivalent to instantiating
406 the classes multiple times yourself, e.g. by writing:
407
408 .. code-block:: llvm
409
410   def ops;
411   def GPR;
412   def Imm;
413   class inst<int opc, string asmstr, dag operandlist>;
414
415   class rrinst<int opc, string asmstr>
416     : inst<opc, !strconcat(asmstr, " $dst, $src1, $src2"),
417            (ops GPR:$dst, GPR:$src1, GPR:$src2)>;
418
419   class riinst<int opc, string asmstr>
420     : inst<opc, !strconcat(asmstr, " $dst, $src1, $src2"),
421            (ops GPR:$dst, GPR:$src1, Imm:$src2)>;
422
423   // Instantiations of the ri_inst multiclass.
424   def ADD_rr : rrinst<0b111, "add">;
425   def ADD_ri : riinst<0b111, "add">;
426   def SUB_rr : rrinst<0b101, "sub">;
427   def SUB_ri : riinst<0b101, "sub">;
428   def MUL_rr : rrinst<0b100, "mul">;
429   def MUL_ri : riinst<0b100, "mul">;
430   ...
431
432 A ``defm`` can also be used inside a multiclass providing several levels of
433 multiclass instantiations.
434
435 .. code-block:: llvm
436
437   class Instruction<bits<4> opc, string Name> {
438     bits<4> opcode = opc;
439     string name = Name;
440   }
441
442   multiclass basic_r<bits<4> opc> {
443     def rr : Instruction<opc, "rr">;
444     def rm : Instruction<opc, "rm">;
445   }
446
447   multiclass basic_s<bits<4> opc> {
448     defm SS : basic_r<opc>;
449     defm SD : basic_r<opc>;
450     def X : Instruction<opc, "x">;
451   }
452
453   multiclass basic_p<bits<4> opc> {
454     defm PS : basic_r<opc>;
455     defm PD : basic_r<opc>;
456     def Y : Instruction<opc, "y">;
457   }
458
459   defm ADD : basic_s<0xf>, basic_p<0xf>;
460   ...
461
462   // Results
463   def ADDPDrm { ...
464   def ADDPDrr { ...
465   def ADDPSrm { ...
466   def ADDPSrr { ...
467   def ADDSDrm { ...
468   def ADDSDrr { ...
469   def ADDY { ...
470   def ADDX { ...
471
472 ``defm`` declarations can inherit from classes too, the rule to follow is that
473 the class list must start after the last multiclass, and there must be at least
474 one multiclass before them.
475
476 .. code-block:: llvm
477
478   class XD { bits<4> Prefix = 11; }
479   class XS { bits<4> Prefix = 12; }
480
481   class I<bits<4> op> {
482     bits<4> opcode = op;
483   }
484
485   multiclass R {
486     def rr : I<4>;
487     def rm : I<2>;
488   }
489
490   multiclass Y {
491     defm SS : R, XD;
492     defm SD : R, XS;
493   }
494
495   defm Instr : Y;
496
497   // Results
498   def InstrSDrm {
499     bits<4> opcode = { 0, 0, 1, 0 };
500     bits<4> Prefix = { 1, 1, 0, 0 };
501   }
502   ...
503   def InstrSSrr {
504     bits<4> opcode = { 0, 1, 0, 0 };
505     bits<4> Prefix = { 1, 0, 1, 1 };
506   }
507
508 File scope entities
509 -------------------
510
511 File inclusion
512 ^^^^^^^^^^^^^^
513
514 TableGen supports the '``include``' token, which textually substitutes the
515 specified file in place of the include directive.  The filename should be
516 specified as a double quoted string immediately after the '``include``' keyword.
517 Example:
518
519 .. code-block:: llvm
520
521   include "foo.td"
522
523 'let' expressions
524 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
525
526 "Let" expressions at file scope are similar to `"let" expressions within a
527 record`_, except they can specify a value binding for multiple records at a
528 time, and may be useful in certain other cases.  File-scope let expressions are
529 really just another way that TableGen allows the end-user to factor out
530 commonality from the records.
531
532 File-scope "let" expressions take a comma-separated list of bindings to apply,
533 and one or more records to bind the values in.  Here are some examples:
534
535 .. code-block:: llvm
536
537   let isTerminator = 1, isReturn = 1, isBarrier = 1, hasCtrlDep = 1 in
538     def RET : I<0xC3, RawFrm, (outs), (ins), "ret", [(X86retflag 0)]>;
539
540   let isCall = 1 in
541     // All calls clobber the non-callee saved registers...
542     let Defs = [EAX, ECX, EDX, FP0, FP1, FP2, FP3, FP4, FP5, FP6, ST0,
543                 MM0, MM1, MM2, MM3, MM4, MM5, MM6, MM7,
544                 XMM0, XMM1, XMM2, XMM3, XMM4, XMM5, XMM6, XMM7, EFLAGS] in {
545       def CALLpcrel32 : Ii32<0xE8, RawFrm, (outs), (ins i32imm:$dst,variable_ops),
546                              "call\t${dst:call}", []>;
547       def CALL32r     : I<0xFF, MRM2r, (outs), (ins GR32:$dst, variable_ops),
548                           "call\t{*}$dst", [(X86call GR32:$dst)]>;
549       def CALL32m     : I<0xFF, MRM2m, (outs), (ins i32mem:$dst, variable_ops),
550                           "call\t{*}$dst", []>;
551     }
552
553 File-scope "let" expressions are often useful when a couple of definitions need
554 to be added to several records, and the records do not otherwise need to be
555 opened, as in the case with the ``CALL*`` instructions above.
556
557 It's also possible to use "let" expressions inside multiclasses, providing more
558 ways to factor out commonality from the records, specially if using several
559 levels of multiclass instantiations. This also avoids the need of using "let"
560 expressions within subsequent records inside a multiclass.
561
562 .. code-block:: llvm
563
564   multiclass basic_r<bits<4> opc> {
565     let Predicates = [HasSSE2] in {
566       def rr : Instruction<opc, "rr">;
567       def rm : Instruction<opc, "rm">;
568     }
569     let Predicates = [HasSSE3] in
570       def rx : Instruction<opc, "rx">;
571   }
572
573   multiclass basic_ss<bits<4> opc> {
574     let IsDouble = 0 in
575       defm SS : basic_r<opc>;
576
577     let IsDouble = 1 in
578       defm SD : basic_r<opc>;
579   }
580
581   defm ADD : basic_ss<0xf>;
582
583 Looping
584 ^^^^^^^
585
586 TableGen supports the '``foreach``' block, which textually replicates the loop
587 body, substituting iterator values for iterator references in the body.
588 Example:
589
590 .. code-block:: llvm
591
592   foreach i = [0, 1, 2, 3] in {
593     def R#i : Register<...>;
594     def F#i : Register<...>;
595   }
596
597 This will create objects ``R0``, ``R1``, ``R2`` and ``R3``.  ``foreach`` blocks
598 may be nested. If there is only one item in the body the braces may be
599 elided:
600
601 .. code-block:: llvm
602
603   foreach i = [0, 1, 2, 3] in
604     def R#i : Register<...>;
605
606 Code Generator backend info
607 ===========================
608
609 Expressions used by code generator to describe instructions and isel patterns:
610
611 ``(implicit a)``
612     an implicitly defined physical register.  This tells the dag instruction
613     selection emitter the input pattern's extra definitions matches implicit
614     physical register definitions.
615