Fixes undominating relaxed loads issue
[oota-llvm.git] / docs / WritingAnLLVMBackend.rst
1 =======================
2 Writing an LLVM Backend
3 =======================
4
5 .. toctree::
6    :hidden:
7
8    HowToUseInstrMappings
9
10 .. contents::
11    :local:
12
13 Introduction
14 ============
15
16 This document describes techniques for writing compiler backends that convert
17 the LLVM Intermediate Representation (IR) to code for a specified machine or
18 other languages.  Code intended for a specific machine can take the form of
19 either assembly code or binary code (usable for a JIT compiler).
20
21 The backend of LLVM features a target-independent code generator that may
22 create output for several types of target CPUs --- including X86, PowerPC,
23 ARM, and SPARC.  The backend may also be used to generate code targeted at SPUs
24 of the Cell processor or GPUs to support the execution of compute kernels.
25
26 The document focuses on existing examples found in subdirectories of
27 ``llvm/lib/Target`` in a downloaded LLVM release.  In particular, this document
28 focuses on the example of creating a static compiler (one that emits text
29 assembly) for a SPARC target, because SPARC has fairly standard
30 characteristics, such as a RISC instruction set and straightforward calling
31 conventions.
32
33 Audience
34 --------
35
36 The audience for this document is anyone who needs to write an LLVM backend to
37 generate code for a specific hardware or software target.
38
39 Prerequisite Reading
40 --------------------
41
42 These essential documents must be read before reading this document:
43
44 * `LLVM Language Reference Manual <LangRef.html>`_ --- a reference manual for
45   the LLVM assembly language.
46
47 * :doc:`CodeGenerator` --- a guide to the components (classes and code
48   generation algorithms) for translating the LLVM internal representation into
49   machine code for a specified target.  Pay particular attention to the
50   descriptions of code generation stages: Instruction Selection, Scheduling and
51   Formation, SSA-based Optimization, Register Allocation, Prolog/Epilog Code
52   Insertion, Late Machine Code Optimizations, and Code Emission.
53
54 * :doc:`TableGen/index` --- a document that describes the TableGen
55   (``tblgen``) application that manages domain-specific information to support
56   LLVM code generation.  TableGen processes input from a target description
57   file (``.td`` suffix) and generates C++ code that can be used for code
58   generation.
59
60 * :doc:`WritingAnLLVMPass` --- The assembly printer is a ``FunctionPass``, as
61   are several ``SelectionDAG`` processing steps.
62
63 To follow the SPARC examples in this document, have a copy of `The SPARC
64 Architecture Manual, Version 8 <http://www.sparc.org/standards/V8.pdf>`_ for
65 reference.  For details about the ARM instruction set, refer to the `ARM
66 Architecture Reference Manual <http://infocenter.arm.com/>`_.  For more about
67 the GNU Assembler format (``GAS``), see `Using As
68 <http://sourceware.org/binutils/docs/as/index.html>`_, especially for the
69 assembly printer.  "Using As" contains a list of target machine dependent
70 features.
71
72 Basic Steps
73 -----------
74
75 To write a compiler backend for LLVM that converts the LLVM IR to code for a
76 specified target (machine or other language), follow these steps:
77
78 * Create a subclass of the ``TargetMachine`` class that describes
79   characteristics of your target machine.  Copy existing examples of specific
80   ``TargetMachine`` class and header files; for example, start with
81   ``SparcTargetMachine.cpp`` and ``SparcTargetMachine.h``, but change the file
82   names for your target.  Similarly, change code that references "``Sparc``" to
83   reference your target.
84
85 * Describe the register set of the target.  Use TableGen to generate code for
86   register definition, register aliases, and register classes from a
87   target-specific ``RegisterInfo.td`` input file.  You should also write
88   additional code for a subclass of the ``TargetRegisterInfo`` class that
89   represents the class register file data used for register allocation and also
90   describes the interactions between registers.
91
92 * Describe the instruction set of the target.  Use TableGen to generate code
93   for target-specific instructions from target-specific versions of
94   ``TargetInstrFormats.td`` and ``TargetInstrInfo.td``.  You should write
95   additional code for a subclass of the ``TargetInstrInfo`` class to represent
96   machine instructions supported by the target machine.
97
98 * Describe the selection and conversion of the LLVM IR from a Directed Acyclic
99   Graph (DAG) representation of instructions to native target-specific
100   instructions.  Use TableGen to generate code that matches patterns and
101   selects instructions based on additional information in a target-specific
102   version of ``TargetInstrInfo.td``.  Write code for ``XXXISelDAGToDAG.cpp``,
103   where ``XXX`` identifies the specific target, to perform pattern matching and
104   DAG-to-DAG instruction selection.  Also write code in ``XXXISelLowering.cpp``
105   to replace or remove operations and data types that are not supported
106   natively in a SelectionDAG.
107
108 * Write code for an assembly printer that converts LLVM IR to a GAS format for
109   your target machine.  You should add assembly strings to the instructions
110   defined in your target-specific version of ``TargetInstrInfo.td``.  You
111   should also write code for a subclass of ``AsmPrinter`` that performs the
112   LLVM-to-assembly conversion and a trivial subclass of ``TargetAsmInfo``.
113
114 * Optionally, add support for subtargets (i.e., variants with different
115   capabilities).  You should also write code for a subclass of the
116   ``TargetSubtarget`` class, which allows you to use the ``-mcpu=`` and
117   ``-mattr=`` command-line options.
118
119 * Optionally, add JIT support and create a machine code emitter (subclass of
120   ``TargetJITInfo``) that is used to emit binary code directly into memory.
121
122 In the ``.cpp`` and ``.h``. files, initially stub up these methods and then
123 implement them later.  Initially, you may not know which private members that
124 the class will need and which components will need to be subclassed.
125
126 Preliminaries
127 -------------
128
129 To actually create your compiler backend, you need to create and modify a few
130 files.  The absolute minimum is discussed here.  But to actually use the LLVM
131 target-independent code generator, you must perform the steps described in the
132 :doc:`LLVM Target-Independent Code Generator <CodeGenerator>` document.
133
134 First, you should create a subdirectory under ``lib/Target`` to hold all the
135 files related to your target.  If your target is called "Dummy", create the
136 directory ``lib/Target/Dummy``.
137
138 In this new directory, create a ``Makefile``.  It is easiest to copy a
139 ``Makefile`` of another target and modify it.  It should at least contain the
140 ``LEVEL``, ``LIBRARYNAME`` and ``TARGET`` variables, and then include
141 ``$(LEVEL)/Makefile.common``.  The library can be named ``LLVMDummy`` (for
142 example, see the MIPS target).  Alternatively, you can split the library into
143 ``LLVMDummyCodeGen`` and ``LLVMDummyAsmPrinter``, the latter of which should be
144 implemented in a subdirectory below ``lib/Target/Dummy`` (for example, see the
145 PowerPC target).
146
147 Note that these two naming schemes are hardcoded into ``llvm-config``.  Using
148 any other naming scheme will confuse ``llvm-config`` and produce a lot of
149 (seemingly unrelated) linker errors when linking ``llc``.
150
151 To make your target actually do something, you need to implement a subclass of
152 ``TargetMachine``.  This implementation should typically be in the file
153 ``lib/Target/DummyTargetMachine.cpp``, but any file in the ``lib/Target``
154 directory will be built and should work.  To use LLVM's target independent code
155 generator, you should do what all current machine backends do: create a
156 subclass of ``LLVMTargetMachine``.  (To create a target from scratch, create a
157 subclass of ``TargetMachine``.)
158
159 To get LLVM to actually build and link your target, you need to add it to the
160 ``TARGETS_TO_BUILD`` variable.  To do this, you modify the configure script to
161 know about your target when parsing the ``--enable-targets`` option.  Search
162 the configure script for ``TARGETS_TO_BUILD``, add your target to the lists
163 there (some creativity required), and then reconfigure.  Alternatively, you can
164 change ``autoconf/configure.ac`` and regenerate configure by running
165 ``./autoconf/AutoRegen.sh``.
166
167 Target Machine
168 ==============
169
170 ``LLVMTargetMachine`` is designed as a base class for targets implemented with
171 the LLVM target-independent code generator.  The ``LLVMTargetMachine`` class
172 should be specialized by a concrete target class that implements the various
173 virtual methods.  ``LLVMTargetMachine`` is defined as a subclass of
174 ``TargetMachine`` in ``include/llvm/Target/TargetMachine.h``.  The
175 ``TargetMachine`` class implementation (``TargetMachine.cpp``) also processes
176 numerous command-line options.
177
178 To create a concrete target-specific subclass of ``LLVMTargetMachine``, start
179 by copying an existing ``TargetMachine`` class and header.  You should name the
180 files that you create to reflect your specific target.  For instance, for the
181 SPARC target, name the files ``SparcTargetMachine.h`` and
182 ``SparcTargetMachine.cpp``.
183
184 For a target machine ``XXX``, the implementation of ``XXXTargetMachine`` must
185 have access methods to obtain objects that represent target components.  These
186 methods are named ``get*Info``, and are intended to obtain the instruction set
187 (``getInstrInfo``), register set (``getRegisterInfo``), stack frame layout
188 (``getFrameInfo``), and similar information.  ``XXXTargetMachine`` must also
189 implement the ``getDataLayout`` method to access an object with target-specific
190 data characteristics, such as data type size and alignment requirements.
191
192 For instance, for the SPARC target, the header file ``SparcTargetMachine.h``
193 declares prototypes for several ``get*Info`` and ``getDataLayout`` methods that
194 simply return a class member.
195
196 .. code-block:: c++
197
198   namespace llvm {
199
200   class Module;
201
202   class SparcTargetMachine : public LLVMTargetMachine {
203     const DataLayout DataLayout;       // Calculates type size & alignment
204     SparcSubtarget Subtarget;
205     SparcInstrInfo InstrInfo;
206     TargetFrameInfo FrameInfo;
207
208   protected:
209     virtual const TargetAsmInfo *createTargetAsmInfo() const;
210
211   public:
212     SparcTargetMachine(const Module &M, const std::string &FS);
213
214     virtual const SparcInstrInfo *getInstrInfo() const {return &InstrInfo; }
215     virtual const TargetFrameInfo *getFrameInfo() const {return &FrameInfo; }
216     virtual const TargetSubtarget *getSubtargetImpl() const{return &Subtarget; }
217     virtual const TargetRegisterInfo *getRegisterInfo() const {
218       return &InstrInfo.getRegisterInfo();
219     }
220     virtual const DataLayout *getDataLayout() const { return &DataLayout; }
221     static unsigned getModuleMatchQuality(const Module &M);
222
223     // Pass Pipeline Configuration
224     virtual bool addInstSelector(PassManagerBase &PM, bool Fast);
225     virtual bool addPreEmitPass(PassManagerBase &PM, bool Fast);
226   };
227
228   } // end namespace llvm
229
230 * ``getInstrInfo()``
231 * ``getRegisterInfo()``
232 * ``getFrameInfo()``
233 * ``getDataLayout()``
234 * ``getSubtargetImpl()``
235
236 For some targets, you also need to support the following methods:
237
238 * ``getTargetLowering()``
239 * ``getJITInfo()``
240
241 Some architectures, such as GPUs, do not support jumping to an arbitrary
242 program location and implement branching using masked execution and loop using
243 special instructions around the loop body. In order to avoid CFG modifications
244 that introduce irreducible control flow not handled by such hardware, a target
245 must call `setRequiresStructuredCFG(true)` when being initialized.
246
247 In addition, the ``XXXTargetMachine`` constructor should specify a
248 ``TargetDescription`` string that determines the data layout for the target
249 machine, including characteristics such as pointer size, alignment, and
250 endianness.  For example, the constructor for ``SparcTargetMachine`` contains
251 the following:
252
253 .. code-block:: c++
254
255   SparcTargetMachine::SparcTargetMachine(const Module &M, const std::string &FS)
256     : DataLayout("E-p:32:32-f128:128:128"),
257       Subtarget(M, FS), InstrInfo(Subtarget),
258       FrameInfo(TargetFrameInfo::StackGrowsDown, 8, 0) {
259   }
260
261 Hyphens separate portions of the ``TargetDescription`` string.
262
263 * An upper-case "``E``" in the string indicates a big-endian target data model.
264   A lower-case "``e``" indicates little-endian.
265
266 * "``p:``" is followed by pointer information: size, ABI alignment, and
267   preferred alignment.  If only two figures follow "``p:``", then the first
268   value is pointer size, and the second value is both ABI and preferred
269   alignment.
270
271 * Then a letter for numeric type alignment: "``i``", "``f``", "``v``", or
272   "``a``" (corresponding to integer, floating point, vector, or aggregate).
273   "``i``", "``v``", or "``a``" are followed by ABI alignment and preferred
274   alignment. "``f``" is followed by three values: the first indicates the size
275   of a long double, then ABI alignment, and then ABI preferred alignment.
276
277 Target Registration
278 ===================
279
280 You must also register your target with the ``TargetRegistry``, which is what
281 other LLVM tools use to be able to lookup and use your target at runtime.  The
282 ``TargetRegistry`` can be used directly, but for most targets there are helper
283 templates which should take care of the work for you.
284
285 All targets should declare a global ``Target`` object which is used to
286 represent the target during registration.  Then, in the target's ``TargetInfo``
287 library, the target should define that object and use the ``RegisterTarget``
288 template to register the target.  For example, the Sparc registration code
289 looks like this:
290
291 .. code-block:: c++
292
293   Target llvm::TheSparcTarget;
294
295   extern "C" void LLVMInitializeSparcTargetInfo() {
296     RegisterTarget<Triple::sparc, /*HasJIT=*/false>
297       X(TheSparcTarget, "sparc", "Sparc");
298   }
299
300 This allows the ``TargetRegistry`` to look up the target by name or by target
301 triple.  In addition, most targets will also register additional features which
302 are available in separate libraries.  These registration steps are separate,
303 because some clients may wish to only link in some parts of the target --- the
304 JIT code generator does not require the use of the assembler printer, for
305 example.  Here is an example of registering the Sparc assembly printer:
306
307 .. code-block:: c++
308
309   extern "C" void LLVMInitializeSparcAsmPrinter() {
310     RegisterAsmPrinter<SparcAsmPrinter> X(TheSparcTarget);
311   }
312
313 For more information, see "`llvm/Target/TargetRegistry.h
314 </doxygen/TargetRegistry_8h-source.html>`_".
315
316 Register Set and Register Classes
317 =================================
318
319 You should describe a concrete target-specific class that represents the
320 register file of a target machine.  This class is called ``XXXRegisterInfo``
321 (where ``XXX`` identifies the target) and represents the class register file
322 data that is used for register allocation.  It also describes the interactions
323 between registers.
324
325 You also need to define register classes to categorize related registers.  A
326 register class should be added for groups of registers that are all treated the
327 same way for some instruction.  Typical examples are register classes for
328 integer, floating-point, or vector registers.  A register allocator allows an
329 instruction to use any register in a specified register class to perform the
330 instruction in a similar manner.  Register classes allocate virtual registers
331 to instructions from these sets, and register classes let the
332 target-independent register allocator automatically choose the actual
333 registers.
334
335 Much of the code for registers, including register definition, register
336 aliases, and register classes, is generated by TableGen from
337 ``XXXRegisterInfo.td`` input files and placed in ``XXXGenRegisterInfo.h.inc``
338 and ``XXXGenRegisterInfo.inc`` output files.  Some of the code in the
339 implementation of ``XXXRegisterInfo`` requires hand-coding.
340
341 Defining a Register
342 -------------------
343
344 The ``XXXRegisterInfo.td`` file typically starts with register definitions for
345 a target machine.  The ``Register`` class (specified in ``Target.td``) is used
346 to define an object for each register.  The specified string ``n`` becomes the
347 ``Name`` of the register.  The basic ``Register`` object does not have any
348 subregisters and does not specify any aliases.
349
350 .. code-block:: llvm
351
352   class Register<string n> {
353     string Namespace = "";
354     string AsmName = n;
355     string Name = n;
356     int SpillSize = 0;
357     int SpillAlignment = 0;
358     list<Register> Aliases = [];
359     list<Register> SubRegs = [];
360     list<int> DwarfNumbers = [];
361   }
362
363 For example, in the ``X86RegisterInfo.td`` file, there are register definitions
364 that utilize the ``Register`` class, such as:
365
366 .. code-block:: llvm
367
368   def AL : Register<"AL">, DwarfRegNum<[0, 0, 0]>;
369
370 This defines the register ``AL`` and assigns it values (with ``DwarfRegNum``)
371 that are used by ``gcc``, ``gdb``, or a debug information writer to identify a
372 register.  For register ``AL``, ``DwarfRegNum`` takes an array of 3 values
373 representing 3 different modes: the first element is for X86-64, the second for
374 exception handling (EH) on X86-32, and the third is generic. -1 is a special
375 Dwarf number that indicates the gcc number is undefined, and -2 indicates the
376 register number is invalid for this mode.
377
378 From the previously described line in the ``X86RegisterInfo.td`` file, TableGen
379 generates this code in the ``X86GenRegisterInfo.inc`` file:
380
381 .. code-block:: c++
382
383   static const unsigned GR8[] = { X86::AL, ... };
384
385   const unsigned AL_AliasSet[] = { X86::AX, X86::EAX, X86::RAX, 0 };
386
387   const TargetRegisterDesc RegisterDescriptors[] = {
388     ...
389   { "AL", "AL", AL_AliasSet, Empty_SubRegsSet, Empty_SubRegsSet, AL_SuperRegsSet }, ...
390
391 From the register info file, TableGen generates a ``TargetRegisterDesc`` object
392 for each register.  ``TargetRegisterDesc`` is defined in
393 ``include/llvm/Target/TargetRegisterInfo.h`` with the following fields:
394
395 .. code-block:: c++
396
397   struct TargetRegisterDesc {
398     const char     *AsmName;      // Assembly language name for the register
399     const char     *Name;         // Printable name for the reg (for debugging)
400     const unsigned *AliasSet;     // Register Alias Set
401     const unsigned *SubRegs;      // Sub-register set
402     const unsigned *ImmSubRegs;   // Immediate sub-register set
403     const unsigned *SuperRegs;    // Super-register set
404   };
405
406 TableGen uses the entire target description file (``.td``) to determine text
407 names for the register (in the ``AsmName`` and ``Name`` fields of
408 ``TargetRegisterDesc``) and the relationships of other registers to the defined
409 register (in the other ``TargetRegisterDesc`` fields).  In this example, other
410 definitions establish the registers "``AX``", "``EAX``", and "``RAX``" as
411 aliases for one another, so TableGen generates a null-terminated array
412 (``AL_AliasSet``) for this register alias set.
413
414 The ``Register`` class is commonly used as a base class for more complex
415 classes.  In ``Target.td``, the ``Register`` class is the base for the
416 ``RegisterWithSubRegs`` class that is used to define registers that need to
417 specify subregisters in the ``SubRegs`` list, as shown here:
418
419 .. code-block:: llvm
420
421   class RegisterWithSubRegs<string n, list<Register> subregs> : Register<n> {
422     let SubRegs = subregs;
423   }
424
425 In ``SparcRegisterInfo.td``, additional register classes are defined for SPARC:
426 a ``Register`` subclass, ``SparcReg``, and further subclasses: ``Ri``, ``Rf``,
427 and ``Rd``.  SPARC registers are identified by 5-bit ID numbers, which is a
428 feature common to these subclasses.  Note the use of "``let``" expressions to
429 override values that are initially defined in a superclass (such as ``SubRegs``
430 field in the ``Rd`` class).
431
432 .. code-block:: llvm
433
434   class SparcReg<string n> : Register<n> {
435     field bits<5> Num;
436     let Namespace = "SP";
437   }
438   // Ri - 32-bit integer registers
439   class Ri<bits<5> num, string n> :
440   SparcReg<n> {
441     let Num = num;
442   }
443   // Rf - 32-bit floating-point registers
444   class Rf<bits<5> num, string n> :
445   SparcReg<n> {
446     let Num = num;
447   }
448   // Rd - Slots in the FP register file for 64-bit floating-point values.
449   class Rd<bits<5> num, string n, list<Register> subregs> : SparcReg<n> {
450     let Num = num;
451     let SubRegs = subregs;
452   }
453
454 In the ``SparcRegisterInfo.td`` file, there are register definitions that
455 utilize these subclasses of ``Register``, such as:
456
457 .. code-block:: llvm
458
459   def G0 : Ri< 0, "G0">, DwarfRegNum<[0]>;
460   def G1 : Ri< 1, "G1">, DwarfRegNum<[1]>;
461   ...
462   def F0 : Rf< 0, "F0">, DwarfRegNum<[32]>;
463   def F1 : Rf< 1, "F1">, DwarfRegNum<[33]>;
464   ...
465   def D0 : Rd< 0, "F0", [F0, F1]>, DwarfRegNum<[32]>;
466   def D1 : Rd< 2, "F2", [F2, F3]>, DwarfRegNum<[34]>;
467
468 The last two registers shown above (``D0`` and ``D1``) are double-precision
469 floating-point registers that are aliases for pairs of single-precision
470 floating-point sub-registers.  In addition to aliases, the sub-register and
471 super-register relationships of the defined register are in fields of a
472 register's ``TargetRegisterDesc``.
473
474 Defining a Register Class
475 -------------------------
476
477 The ``RegisterClass`` class (specified in ``Target.td``) is used to define an
478 object that represents a group of related registers and also defines the
479 default allocation order of the registers.  A target description file
480 ``XXXRegisterInfo.td`` that uses ``Target.td`` can construct register classes
481 using the following class:
482
483 .. code-block:: llvm
484
485   class RegisterClass<string namespace,
486   list<ValueType> regTypes, int alignment, dag regList> {
487     string Namespace = namespace;
488     list<ValueType> RegTypes = regTypes;
489     int Size = 0;  // spill size, in bits; zero lets tblgen pick the size
490     int Alignment = alignment;
491
492     // CopyCost is the cost of copying a value between two registers
493     // default value 1 means a single instruction
494     // A negative value means copying is extremely expensive or impossible
495     int CopyCost = 1;
496     dag MemberList = regList;
497
498     // for register classes that are subregisters of this class
499     list<RegisterClass> SubRegClassList = [];
500
501     code MethodProtos = [{}];  // to insert arbitrary code
502     code MethodBodies = [{}];
503   }
504
505 To define a ``RegisterClass``, use the following 4 arguments:
506
507 * The first argument of the definition is the name of the namespace.
508
509 * The second argument is a list of ``ValueType`` register type values that are
510   defined in ``include/llvm/CodeGen/ValueTypes.td``.  Defined values include
511   integer types (such as ``i16``, ``i32``, and ``i1`` for Boolean),
512   floating-point types (``f32``, ``f64``), and vector types (for example,
513   ``v8i16`` for an ``8 x i16`` vector).  All registers in a ``RegisterClass``
514   must have the same ``ValueType``, but some registers may store vector data in
515   different configurations.  For example a register that can process a 128-bit
516   vector may be able to handle 16 8-bit integer elements, 8 16-bit integers, 4
517   32-bit integers, and so on.
518
519 * The third argument of the ``RegisterClass`` definition specifies the
520   alignment required of the registers when they are stored or loaded to
521   memory.
522
523 * The final argument, ``regList``, specifies which registers are in this class.
524   If an alternative allocation order method is not specified, then ``regList``
525   also defines the order of allocation used by the register allocator.  Besides
526   simply listing registers with ``(add R0, R1, ...)``, more advanced set
527   operators are available.  See ``include/llvm/Target/Target.td`` for more
528   information.
529
530 In ``SparcRegisterInfo.td``, three ``RegisterClass`` objects are defined:
531 ``FPRegs``, ``DFPRegs``, and ``IntRegs``.  For all three register classes, the
532 first argument defines the namespace with the string "``SP``".  ``FPRegs``
533 defines a group of 32 single-precision floating-point registers (``F0`` to
534 ``F31``); ``DFPRegs`` defines a group of 16 double-precision registers
535 (``D0-D15``).
536
537 .. code-block:: llvm
538
539   // F0, F1, F2, ..., F31
540   def FPRegs : RegisterClass<"SP", [f32], 32, (sequence "F%u", 0, 31)>;
541
542   def DFPRegs : RegisterClass<"SP", [f64], 64,
543                               (add D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8,
544                                    D9, D10, D11, D12, D13, D14, D15)>;
545
546   def IntRegs : RegisterClass<"SP", [i32], 32,
547       (add L0, L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7,
548            I0, I1, I2, I3, I4, I5,
549            O0, O1, O2, O3, O4, O5, O7,
550            G1,
551            // Non-allocatable regs:
552            G2, G3, G4,
553            O6,        // stack ptr
554            I6,        // frame ptr
555            I7,        // return address
556            G0,        // constant zero
557            G5, G6, G7 // reserved for kernel
558       )>;
559
560 Using ``SparcRegisterInfo.td`` with TableGen generates several output files
561 that are intended for inclusion in other source code that you write.
562 ``SparcRegisterInfo.td`` generates ``SparcGenRegisterInfo.h.inc``, which should
563 be included in the header file for the implementation of the SPARC register
564 implementation that you write (``SparcRegisterInfo.h``).  In
565 ``SparcGenRegisterInfo.h.inc`` a new structure is defined called
566 ``SparcGenRegisterInfo`` that uses ``TargetRegisterInfo`` as its base.  It also
567 specifies types, based upon the defined register classes: ``DFPRegsClass``,
568 ``FPRegsClass``, and ``IntRegsClass``.
569
570 ``SparcRegisterInfo.td`` also generates ``SparcGenRegisterInfo.inc``, which is
571 included at the bottom of ``SparcRegisterInfo.cpp``, the SPARC register
572 implementation.  The code below shows only the generated integer registers and
573 associated register classes.  The order of registers in ``IntRegs`` reflects
574 the order in the definition of ``IntRegs`` in the target description file.
575
576 .. code-block:: c++
577
578   // IntRegs Register Class...
579   static const unsigned IntRegs[] = {
580     SP::L0, SP::L1, SP::L2, SP::L3, SP::L4, SP::L5,
581     SP::L6, SP::L7, SP::I0, SP::I1, SP::I2, SP::I3,
582     SP::I4, SP::I5, SP::O0, SP::O1, SP::O2, SP::O3,
583     SP::O4, SP::O5, SP::O7, SP::G1, SP::G2, SP::G3,
584     SP::G4, SP::O6, SP::I6, SP::I7, SP::G0, SP::G5,
585     SP::G6, SP::G7,
586   };
587
588   // IntRegsVTs Register Class Value Types...
589   static const MVT::ValueType IntRegsVTs[] = {
590     MVT::i32, MVT::Other
591   };
592
593   namespace SP {   // Register class instances
594     DFPRegsClass    DFPRegsRegClass;
595     FPRegsClass     FPRegsRegClass;
596     IntRegsClass    IntRegsRegClass;
597   ...
598     // IntRegs Sub-register Classess...
599     static const TargetRegisterClass* const IntRegsSubRegClasses [] = {
600       NULL
601     };
602   ...
603     // IntRegs Super-register Classess...
604     static const TargetRegisterClass* const IntRegsSuperRegClasses [] = {
605       NULL
606     };
607   ...
608     // IntRegs Register Class sub-classes...
609     static const TargetRegisterClass* const IntRegsSubclasses [] = {
610       NULL
611     };
612   ...
613     // IntRegs Register Class super-classes...
614     static const TargetRegisterClass* const IntRegsSuperclasses [] = {
615       NULL
616     };
617
618     IntRegsClass::IntRegsClass() : TargetRegisterClass(IntRegsRegClassID,
619       IntRegsVTs, IntRegsSubclasses, IntRegsSuperclasses, IntRegsSubRegClasses,
620       IntRegsSuperRegClasses, 4, 4, 1, IntRegs, IntRegs + 32) {}
621   }
622
623 The register allocators will avoid using reserved registers, and callee saved
624 registers are not used until all the volatile registers have been used.  That
625 is usually good enough, but in some cases it may be necessary to provide custom
626 allocation orders.
627
628 Implement a subclass of ``TargetRegisterInfo``
629 ----------------------------------------------
630
631 The final step is to hand code portions of ``XXXRegisterInfo``, which
632 implements the interface described in ``TargetRegisterInfo.h`` (see
633 :ref:`TargetRegisterInfo`).  These functions return ``0``, ``NULL``, or
634 ``false``, unless overridden.  Here is a list of functions that are overridden
635 for the SPARC implementation in ``SparcRegisterInfo.cpp``:
636
637 * ``getCalleeSavedRegs`` --- Returns a list of callee-saved registers in the
638   order of the desired callee-save stack frame offset.
639
640 * ``getReservedRegs`` --- Returns a bitset indexed by physical register
641   numbers, indicating if a particular register is unavailable.
642
643 * ``hasFP`` --- Return a Boolean indicating if a function should have a
644   dedicated frame pointer register.
645
646 * ``eliminateCallFramePseudoInstr`` --- If call frame setup or destroy pseudo
647   instructions are used, this can be called to eliminate them.
648
649 * ``eliminateFrameIndex`` --- Eliminate abstract frame indices from
650   instructions that may use them.
651
652 * ``emitPrologue`` --- Insert prologue code into the function.
653
654 * ``emitEpilogue`` --- Insert epilogue code into the function.
655
656 .. _instruction-set:
657
658 Instruction Set
659 ===============
660
661 During the early stages of code generation, the LLVM IR code is converted to a
662 ``SelectionDAG`` with nodes that are instances of the ``SDNode`` class
663 containing target instructions.  An ``SDNode`` has an opcode, operands, type
664 requirements, and operation properties.  For example, is an operation
665 commutative, does an operation load from memory.  The various operation node
666 types are described in the ``include/llvm/CodeGen/SelectionDAGNodes.h`` file
667 (values of the ``NodeType`` enum in the ``ISD`` namespace).
668
669 TableGen uses the following target description (``.td``) input files to
670 generate much of the code for instruction definition:
671
672 * ``Target.td`` --- Where the ``Instruction``, ``Operand``, ``InstrInfo``, and
673   other fundamental classes are defined.
674
675 * ``TargetSelectionDAG.td`` --- Used by ``SelectionDAG`` instruction selection
676   generators, contains ``SDTC*`` classes (selection DAG type constraint),
677   definitions of ``SelectionDAG`` nodes (such as ``imm``, ``cond``, ``bb``,
678   ``add``, ``fadd``, ``sub``), and pattern support (``Pattern``, ``Pat``,
679   ``PatFrag``, ``PatLeaf``, ``ComplexPattern``.
680
681 * ``XXXInstrFormats.td`` --- Patterns for definitions of target-specific
682   instructions.
683
684 * ``XXXInstrInfo.td`` --- Target-specific definitions of instruction templates,
685   condition codes, and instructions of an instruction set.  For architecture
686   modifications, a different file name may be used.  For example, for Pentium
687   with SSE instruction, this file is ``X86InstrSSE.td``, and for Pentium with
688   MMX, this file is ``X86InstrMMX.td``.
689
690 There is also a target-specific ``XXX.td`` file, where ``XXX`` is the name of
691 the target.  The ``XXX.td`` file includes the other ``.td`` input files, but
692 its contents are only directly important for subtargets.
693
694 You should describe a concrete target-specific class ``XXXInstrInfo`` that
695 represents machine instructions supported by a target machine.
696 ``XXXInstrInfo`` contains an array of ``XXXInstrDescriptor`` objects, each of
697 which describes one instruction.  An instruction descriptor defines:
698
699 * Opcode mnemonic
700 * Number of operands
701 * List of implicit register definitions and uses
702 * Target-independent properties (such as memory access, is commutable)
703 * Target-specific flags
704
705 The Instruction class (defined in ``Target.td``) is mostly used as a base for
706 more complex instruction classes.
707
708 .. code-block:: llvm
709
710   class Instruction {
711     string Namespace = "";
712     dag OutOperandList;    // A dag containing the MI def operand list.
713     dag InOperandList;     // A dag containing the MI use operand list.
714     string AsmString = ""; // The .s format to print the instruction with.
715     list<dag> Pattern;     // Set to the DAG pattern for this instruction.
716     list<Register> Uses = [];
717     list<Register> Defs = [];
718     list<Predicate> Predicates = [];  // predicates turned into isel match code
719     ... remainder not shown for space ...
720   }
721
722 A ``SelectionDAG`` node (``SDNode``) should contain an object representing a
723 target-specific instruction that is defined in ``XXXInstrInfo.td``.  The
724 instruction objects should represent instructions from the architecture manual
725 of the target machine (such as the SPARC Architecture Manual for the SPARC
726 target).
727
728 A single instruction from the architecture manual is often modeled as multiple
729 target instructions, depending upon its operands.  For example, a manual might
730 describe an add instruction that takes a register or an immediate operand.  An
731 LLVM target could model this with two instructions named ``ADDri`` and
732 ``ADDrr``.
733
734 You should define a class for each instruction category and define each opcode
735 as a subclass of the category with appropriate parameters such as the fixed
736 binary encoding of opcodes and extended opcodes.  You should map the register
737 bits to the bits of the instruction in which they are encoded (for the JIT).
738 Also you should specify how the instruction should be printed when the
739 automatic assembly printer is used.
740
741 As is described in the SPARC Architecture Manual, Version 8, there are three
742 major 32-bit formats for instructions.  Format 1 is only for the ``CALL``
743 instruction.  Format 2 is for branch on condition codes and ``SETHI`` (set high
744 bits of a register) instructions.  Format 3 is for other instructions.
745
746 Each of these formats has corresponding classes in ``SparcInstrFormat.td``.
747 ``InstSP`` is a base class for other instruction classes.  Additional base
748 classes are specified for more precise formats: for example in
749 ``SparcInstrFormat.td``, ``F2_1`` is for ``SETHI``, and ``F2_2`` is for
750 branches.  There are three other base classes: ``F3_1`` for register/register
751 operations, ``F3_2`` for register/immediate operations, and ``F3_3`` for
752 floating-point operations.  ``SparcInstrInfo.td`` also adds the base class
753 ``Pseudo`` for synthetic SPARC instructions.
754
755 ``SparcInstrInfo.td`` largely consists of operand and instruction definitions
756 for the SPARC target.  In ``SparcInstrInfo.td``, the following target
757 description file entry, ``LDrr``, defines the Load Integer instruction for a
758 Word (the ``LD`` SPARC opcode) from a memory address to a register.  The first
759 parameter, the value 3 (``11``\ :sub:`2`), is the operation value for this
760 category of operation.  The second parameter (``000000``\ :sub:`2`) is the
761 specific operation value for ``LD``/Load Word.  The third parameter is the
762 output destination, which is a register operand and defined in the ``Register``
763 target description file (``IntRegs``).
764
765 .. code-block:: llvm
766
767   def LDrr : F3_1 <3, 0b000000, (outs IntRegs:$dst), (ins MEMrr:$addr),
768                    "ld [$addr], $dst",
769                    [(set i32:$dst, (load ADDRrr:$addr))]>;
770
771 The fourth parameter is the input source, which uses the address operand
772 ``MEMrr`` that is defined earlier in ``SparcInstrInfo.td``:
773
774 .. code-block:: llvm
775
776   def MEMrr : Operand<i32> {
777     let PrintMethod = "printMemOperand";
778     let MIOperandInfo = (ops IntRegs, IntRegs);
779   }
780
781 The fifth parameter is a string that is used by the assembly printer and can be
782 left as an empty string until the assembly printer interface is implemented.
783 The sixth and final parameter is the pattern used to match the instruction
784 during the SelectionDAG Select Phase described in :doc:`CodeGenerator`.
785 This parameter is detailed in the next section, :ref:`instruction-selector`.
786
787 Instruction class definitions are not overloaded for different operand types,
788 so separate versions of instructions are needed for register, memory, or
789 immediate value operands.  For example, to perform a Load Integer instruction
790 for a Word from an immediate operand to a register, the following instruction
791 class is defined:
792
793 .. code-block:: llvm
794
795   def LDri : F3_2 <3, 0b000000, (outs IntRegs:$dst), (ins MEMri:$addr),
796                    "ld [$addr], $dst",
797                    [(set i32:$dst, (load ADDRri:$addr))]>;
798
799 Writing these definitions for so many similar instructions can involve a lot of
800 cut and paste.  In ``.td`` files, the ``multiclass`` directive enables the
801 creation of templates to define several instruction classes at once (using the
802 ``defm`` directive).  For example in ``SparcInstrInfo.td``, the ``multiclass``
803 pattern ``F3_12`` is defined to create 2 instruction classes each time
804 ``F3_12`` is invoked:
805
806 .. code-block:: llvm
807
808   multiclass F3_12 <string OpcStr, bits<6> Op3Val, SDNode OpNode> {
809     def rr  : F3_1 <2, Op3Val,
810                    (outs IntRegs:$dst), (ins IntRegs:$b, IntRegs:$c),
811                    !strconcat(OpcStr, " $b, $c, $dst"),
812                    [(set i32:$dst, (OpNode i32:$b, i32:$c))]>;
813     def ri  : F3_2 <2, Op3Val,
814                    (outs IntRegs:$dst), (ins IntRegs:$b, i32imm:$c),
815                    !strconcat(OpcStr, " $b, $c, $dst"),
816                    [(set i32:$dst, (OpNode i32:$b, simm13:$c))]>;
817   }
818
819 So when the ``defm`` directive is used for the ``XOR`` and ``ADD``
820 instructions, as seen below, it creates four instruction objects: ``XORrr``,
821 ``XORri``, ``ADDrr``, and ``ADDri``.
822
823 .. code-block:: llvm
824
825   defm XOR   : F3_12<"xor", 0b000011, xor>;
826   defm ADD   : F3_12<"add", 0b000000, add>;
827
828 ``SparcInstrInfo.td`` also includes definitions for condition codes that are
829 referenced by branch instructions.  The following definitions in
830 ``SparcInstrInfo.td`` indicate the bit location of the SPARC condition code.
831 For example, the 10\ :sup:`th` bit represents the "greater than" condition for
832 integers, and the 22\ :sup:`nd` bit represents the "greater than" condition for
833 floats.
834
835 .. code-block:: llvm
836
837   def ICC_NE  : ICC_VAL< 9>;  // Not Equal
838   def ICC_E   : ICC_VAL< 1>;  // Equal
839   def ICC_G   : ICC_VAL<10>;  // Greater
840   ...
841   def FCC_U   : FCC_VAL<23>;  // Unordered
842   def FCC_G   : FCC_VAL<22>;  // Greater
843   def FCC_UG  : FCC_VAL<21>;  // Unordered or Greater
844   ...
845
846 (Note that ``Sparc.h`` also defines enums that correspond to the same SPARC
847 condition codes.  Care must be taken to ensure the values in ``Sparc.h``
848 correspond to the values in ``SparcInstrInfo.td``.  I.e., ``SPCC::ICC_NE = 9``,
849 ``SPCC::FCC_U = 23`` and so on.)
850
851 Instruction Operand Mapping
852 ---------------------------
853
854 The code generator backend maps instruction operands to fields in the
855 instruction.  Operands are assigned to unbound fields in the instruction in the
856 order they are defined.  Fields are bound when they are assigned a value.  For
857 example, the Sparc target defines the ``XNORrr`` instruction as a ``F3_1``
858 format instruction having three operands.
859
860 .. code-block:: llvm
861
862   def XNORrr  : F3_1<2, 0b000111,
863                      (outs IntRegs:$dst), (ins IntRegs:$b, IntRegs:$c),
864                      "xnor $b, $c, $dst",
865                      [(set i32:$dst, (not (xor i32:$b, i32:$c)))]>;
866
867 The instruction templates in ``SparcInstrFormats.td`` show the base class for
868 ``F3_1`` is ``InstSP``.
869
870 .. code-block:: llvm
871
872   class InstSP<dag outs, dag ins, string asmstr, list<dag> pattern> : Instruction {
873     field bits<32> Inst;
874     let Namespace = "SP";
875     bits<2> op;
876     let Inst{31-30} = op;
877     dag OutOperandList = outs;
878     dag InOperandList = ins;
879     let AsmString   = asmstr;
880     let Pattern = pattern;
881   }
882
883 ``InstSP`` leaves the ``op`` field unbound.
884
885 .. code-block:: llvm
886
887   class F3<dag outs, dag ins, string asmstr, list<dag> pattern>
888       : InstSP<outs, ins, asmstr, pattern> {
889     bits<5> rd;
890     bits<6> op3;
891     bits<5> rs1;
892     let op{1} = 1;   // Op = 2 or 3
893     let Inst{29-25} = rd;
894     let Inst{24-19} = op3;
895     let Inst{18-14} = rs1;
896   }
897
898 ``F3`` binds the ``op`` field and defines the ``rd``, ``op3``, and ``rs1``
899 fields.  ``F3`` format instructions will bind the operands ``rd``, ``op3``, and
900 ``rs1`` fields.
901
902 .. code-block:: llvm
903
904   class F3_1<bits<2> opVal, bits<6> op3val, dag outs, dag ins,
905              string asmstr, list<dag> pattern> : F3<outs, ins, asmstr, pattern> {
906     bits<8> asi = 0; // asi not currently used
907     bits<5> rs2;
908     let op         = opVal;
909     let op3        = op3val;
910     let Inst{13}   = 0;     // i field = 0
911     let Inst{12-5} = asi;   // address space identifier
912     let Inst{4-0}  = rs2;
913   }
914
915 ``F3_1`` binds the ``op3`` field and defines the ``rs2`` fields.  ``F3_1``
916 format instructions will bind the operands to the ``rd``, ``rs1``, and ``rs2``
917 fields.  This results in the ``XNORrr`` instruction binding ``$dst``, ``$b``,
918 and ``$c`` operands to the ``rd``, ``rs1``, and ``rs2`` fields respectively.
919
920 Instruction Operand Name Mapping
921 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
922
923 TableGen will also generate a function called getNamedOperandIdx() which
924 can be used to look up an operand's index in a MachineInstr based on its
925 TableGen name.  Setting the UseNamedOperandTable bit in an instruction's
926 TableGen definition will add all of its operands to an enumeration in the
927 llvm::XXX:OpName namespace and also add an entry for it into the OperandMap
928 table, which can be queried using getNamedOperandIdx()
929
930 .. code-block:: llvm
931
932   int DstIndex = SP::getNamedOperandIdx(SP::XNORrr, SP::OpName::dst); // => 0
933   int BIndex = SP::getNamedOperandIdx(SP::XNORrr, SP::OpName::b);     // => 1
934   int CIndex = SP::getNamedOperandIdx(SP::XNORrr, SP::OpName::c);     // => 2
935   int DIndex = SP::getNamedOperandIdx(SP::XNORrr, SP::OpName::d);     // => -1
936
937   ...
938
939 The entries in the OpName enum are taken verbatim from the TableGen definitions,
940 so operands with lowercase names will have lower case entries in the enum.
941
942 To include the getNamedOperandIdx() function in your backend, you will need
943 to define a few preprocessor macros in XXXInstrInfo.cpp and XXXInstrInfo.h.
944 For example:
945
946 XXXInstrInfo.cpp:
947
948 .. code-block:: c++ 
949
950   #define GET_INSTRINFO_NAMED_OPS // For getNamedOperandIdx() function
951   #include "XXXGenInstrInfo.inc"
952
953 XXXInstrInfo.h:
954
955 .. code-block:: c++
956
957   #define GET_INSTRINFO_OPERAND_ENUM // For OpName enum
958   #include "XXXGenInstrInfo.inc"
959
960   namespace XXX {
961     int16_t getNamedOperandIdx(uint16_t Opcode, uint16_t NamedIndex);
962   } // End namespace XXX
963
964 Instruction Operand Types
965 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
966
967 TableGen will also generate an enumeration consisting of all named Operand
968 types defined in the backend, in the llvm::XXX::OpTypes namespace.
969 Some common immediate Operand types (for instance i8, i32, i64, f32, f64)
970 are defined for all targets in ``include/llvm/Target/Target.td``, and are
971 available in each Target's OpTypes enum.  Also, only named Operand types appear
972 in the enumeration: anonymous types are ignored.
973 For example, the X86 backend defines ``brtarget`` and ``brtarget8``, both
974 instances of the TableGen ``Operand`` class, which represent branch target
975 operands:
976
977 .. code-block:: llvm
978
979   def brtarget : Operand<OtherVT>;
980   def brtarget8 : Operand<OtherVT>;
981
982 This results in:
983
984 .. code-block:: c++
985
986   namespace X86 {
987   namespace OpTypes {
988   enum OperandType {
989     ...
990     brtarget,
991     brtarget8,
992     ...
993     i32imm,
994     i64imm,
995     ...
996     OPERAND_TYPE_LIST_END
997   } // End namespace OpTypes
998   } // End namespace X86
999
1000 In typical TableGen fashion, to use the enum, you will need to define a
1001 preprocessor macro:
1002
1003 .. code-block:: c++
1004
1005   #define GET_INSTRINFO_OPERAND_TYPES_ENUM // For OpTypes enum
1006   #include "XXXGenInstrInfo.inc"
1007
1008
1009 Instruction Scheduling
1010 ----------------------
1011
1012 Instruction itineraries can be queried using MCDesc::getSchedClass(). The
1013 value can be named by an enumemation in llvm::XXX::Sched namespace generated
1014 by TableGen in XXXGenInstrInfo.inc. The name of the schedule classes are
1015 the same as provided in XXXSchedule.td plus a default NoItinerary class.
1016
1017 Instruction Relation Mapping
1018 ----------------------------
1019
1020 This TableGen feature is used to relate instructions with each other.  It is
1021 particularly useful when you have multiple instruction formats and need to
1022 switch between them after instruction selection.  This entire feature is driven
1023 by relation models which can be defined in ``XXXInstrInfo.td`` files
1024 according to the target-specific instruction set.  Relation models are defined
1025 using ``InstrMapping`` class as a base.  TableGen parses all the models
1026 and generates instruction relation maps using the specified information.
1027 Relation maps are emitted as tables in the ``XXXGenInstrInfo.inc`` file
1028 along with the functions to query them.  For the detailed information on how to
1029 use this feature, please refer to :doc:`HowToUseInstrMappings`.
1030
1031 Implement a subclass of ``TargetInstrInfo``
1032 -------------------------------------------
1033
1034 The final step is to hand code portions of ``XXXInstrInfo``, which implements
1035 the interface described in ``TargetInstrInfo.h`` (see :ref:`TargetInstrInfo`).
1036 These functions return ``0`` or a Boolean or they assert, unless overridden.
1037 Here's a list of functions that are overridden for the SPARC implementation in
1038 ``SparcInstrInfo.cpp``:
1039
1040 * ``isLoadFromStackSlot`` --- If the specified machine instruction is a direct
1041   load from a stack slot, return the register number of the destination and the
1042   ``FrameIndex`` of the stack slot.
1043
1044 * ``isStoreToStackSlot`` --- If the specified machine instruction is a direct
1045   store to a stack slot, return the register number of the destination and the
1046   ``FrameIndex`` of the stack slot.
1047
1048 * ``copyPhysReg`` --- Copy values between a pair of physical registers.
1049
1050 * ``storeRegToStackSlot`` --- Store a register value to a stack slot.
1051
1052 * ``loadRegFromStackSlot`` --- Load a register value from a stack slot.
1053
1054 * ``storeRegToAddr`` --- Store a register value to memory.
1055
1056 * ``loadRegFromAddr`` --- Load a register value from memory.
1057
1058 * ``foldMemoryOperand`` --- Attempt to combine instructions of any load or
1059   store instruction for the specified operand(s).
1060
1061 Branch Folding and If Conversion
1062 --------------------------------
1063
1064 Performance can be improved by combining instructions or by eliminating
1065 instructions that are never reached.  The ``AnalyzeBranch`` method in
1066 ``XXXInstrInfo`` may be implemented to examine conditional instructions and
1067 remove unnecessary instructions.  ``AnalyzeBranch`` looks at the end of a
1068 machine basic block (MBB) for opportunities for improvement, such as branch
1069 folding and if conversion.  The ``BranchFolder`` and ``IfConverter`` machine
1070 function passes (see the source files ``BranchFolding.cpp`` and
1071 ``IfConversion.cpp`` in the ``lib/CodeGen`` directory) call ``AnalyzeBranch``
1072 to improve the control flow graph that represents the instructions.
1073
1074 Several implementations of ``AnalyzeBranch`` (for ARM, Alpha, and X86) can be
1075 examined as models for your own ``AnalyzeBranch`` implementation.  Since SPARC
1076 does not implement a useful ``AnalyzeBranch``, the ARM target implementation is
1077 shown below.
1078
1079 ``AnalyzeBranch`` returns a Boolean value and takes four parameters:
1080
1081 * ``MachineBasicBlock &MBB`` --- The incoming block to be examined.
1082
1083 * ``MachineBasicBlock *&TBB`` --- A destination block that is returned.  For a
1084   conditional branch that evaluates to true, ``TBB`` is the destination.
1085
1086 * ``MachineBasicBlock *&FBB`` --- For a conditional branch that evaluates to
1087   false, ``FBB`` is returned as the destination.
1088
1089 * ``std::vector<MachineOperand> &Cond`` --- List of operands to evaluate a
1090   condition for a conditional branch.
1091
1092 In the simplest case, if a block ends without a branch, then it falls through
1093 to the successor block.  No destination blocks are specified for either ``TBB``
1094 or ``FBB``, so both parameters return ``NULL``.  The start of the
1095 ``AnalyzeBranch`` (see code below for the ARM target) shows the function
1096 parameters and the code for the simplest case.
1097
1098 .. code-block:: c++
1099
1100   bool ARMInstrInfo::AnalyzeBranch(MachineBasicBlock &MBB,
1101                                    MachineBasicBlock *&TBB,
1102                                    MachineBasicBlock *&FBB,
1103                                    std::vector<MachineOperand> &Cond) const
1104   {
1105     MachineBasicBlock::iterator I = MBB.end();
1106     if (I == MBB.begin() || !isUnpredicatedTerminator(--I))
1107       return false;
1108
1109 If a block ends with a single unconditional branch instruction, then
1110 ``AnalyzeBranch`` (shown below) should return the destination of that branch in
1111 the ``TBB`` parameter.
1112
1113 .. code-block:: c++
1114
1115     if (LastOpc == ARM::B || LastOpc == ARM::tB) {
1116       TBB = LastInst->getOperand(0).getMBB();
1117       return false;
1118     }
1119
1120 If a block ends with two unconditional branches, then the second branch is
1121 never reached.  In that situation, as shown below, remove the last branch
1122 instruction and return the penultimate branch in the ``TBB`` parameter.
1123
1124 .. code-block:: c++
1125
1126     if ((SecondLastOpc == ARM::B || SecondLastOpc == ARM::tB) &&
1127         (LastOpc == ARM::B || LastOpc == ARM::tB)) {
1128       TBB = SecondLastInst->getOperand(0).getMBB();
1129       I = LastInst;
1130       I->eraseFromParent();
1131       return false;
1132     }
1133
1134 A block may end with a single conditional branch instruction that falls through
1135 to successor block if the condition evaluates to false.  In that case,
1136 ``AnalyzeBranch`` (shown below) should return the destination of that
1137 conditional branch in the ``TBB`` parameter and a list of operands in the
1138 ``Cond`` parameter to evaluate the condition.
1139
1140 .. code-block:: c++
1141
1142     if (LastOpc == ARM::Bcc || LastOpc == ARM::tBcc) {
1143       // Block ends with fall-through condbranch.
1144       TBB = LastInst->getOperand(0).getMBB();
1145       Cond.push_back(LastInst->getOperand(1));
1146       Cond.push_back(LastInst->getOperand(2));
1147       return false;
1148     }
1149
1150 If a block ends with both a conditional branch and an ensuing unconditional
1151 branch, then ``AnalyzeBranch`` (shown below) should return the conditional
1152 branch destination (assuming it corresponds to a conditional evaluation of
1153 "``true``") in the ``TBB`` parameter and the unconditional branch destination
1154 in the ``FBB`` (corresponding to a conditional evaluation of "``false``").  A
1155 list of operands to evaluate the condition should be returned in the ``Cond``
1156 parameter.
1157
1158 .. code-block:: c++
1159
1160     unsigned SecondLastOpc = SecondLastInst->getOpcode();
1161
1162     if ((SecondLastOpc == ARM::Bcc && LastOpc == ARM::B) ||
1163         (SecondLastOpc == ARM::tBcc && LastOpc == ARM::tB)) {
1164       TBB =  SecondLastInst->getOperand(0).getMBB();
1165       Cond.push_back(SecondLastInst->getOperand(1));
1166       Cond.push_back(SecondLastInst->getOperand(2));
1167       FBB = LastInst->getOperand(0).getMBB();
1168       return false;
1169     }
1170
1171 For the last two cases (ending with a single conditional branch or ending with
1172 one conditional and one unconditional branch), the operands returned in the
1173 ``Cond`` parameter can be passed to methods of other instructions to create new
1174 branches or perform other operations.  An implementation of ``AnalyzeBranch``
1175 requires the helper methods ``RemoveBranch`` and ``InsertBranch`` to manage
1176 subsequent operations.
1177
1178 ``AnalyzeBranch`` should return false indicating success in most circumstances.
1179 ``AnalyzeBranch`` should only return true when the method is stumped about what
1180 to do, for example, if a block has three terminating branches.
1181 ``AnalyzeBranch`` may return true if it encounters a terminator it cannot
1182 handle, such as an indirect branch.
1183
1184 .. _instruction-selector:
1185
1186 Instruction Selector
1187 ====================
1188
1189 LLVM uses a ``SelectionDAG`` to represent LLVM IR instructions, and nodes of
1190 the ``SelectionDAG`` ideally represent native target instructions.  During code
1191 generation, instruction selection passes are performed to convert non-native
1192 DAG instructions into native target-specific instructions.  The pass described
1193 in ``XXXISelDAGToDAG.cpp`` is used to match patterns and perform DAG-to-DAG
1194 instruction selection.  Optionally, a pass may be defined (in
1195 ``XXXBranchSelector.cpp``) to perform similar DAG-to-DAG operations for branch
1196 instructions.  Later, the code in ``XXXISelLowering.cpp`` replaces or removes
1197 operations and data types not supported natively (legalizes) in a
1198 ``SelectionDAG``.
1199
1200 TableGen generates code for instruction selection using the following target
1201 description input files:
1202
1203 * ``XXXInstrInfo.td`` --- Contains definitions of instructions in a
1204   target-specific instruction set, generates ``XXXGenDAGISel.inc``, which is
1205   included in ``XXXISelDAGToDAG.cpp``.
1206
1207 * ``XXXCallingConv.td`` --- Contains the calling and return value conventions
1208   for the target architecture, and it generates ``XXXGenCallingConv.inc``,
1209   which is included in ``XXXISelLowering.cpp``.
1210
1211 The implementation of an instruction selection pass must include a header that
1212 declares the ``FunctionPass`` class or a subclass of ``FunctionPass``.  In
1213 ``XXXTargetMachine.cpp``, a Pass Manager (PM) should add each instruction
1214 selection pass into the queue of passes to run.
1215
1216 The LLVM static compiler (``llc``) is an excellent tool for visualizing the
1217 contents of DAGs.  To display the ``SelectionDAG`` before or after specific
1218 processing phases, use the command line options for ``llc``, described at
1219 :ref:`SelectionDAG-Process`.
1220
1221 To describe instruction selector behavior, you should add patterns for lowering
1222 LLVM code into a ``SelectionDAG`` as the last parameter of the instruction
1223 definitions in ``XXXInstrInfo.td``.  For example, in ``SparcInstrInfo.td``,
1224 this entry defines a register store operation, and the last parameter describes
1225 a pattern with the store DAG operator.
1226
1227 .. code-block:: llvm
1228
1229   def STrr  : F3_1< 3, 0b000100, (outs), (ins MEMrr:$addr, IntRegs:$src),
1230                    "st $src, [$addr]", [(store i32:$src, ADDRrr:$addr)]>;
1231
1232 ``ADDRrr`` is a memory mode that is also defined in ``SparcInstrInfo.td``:
1233
1234 .. code-block:: llvm
1235
1236   def ADDRrr : ComplexPattern<i32, 2, "SelectADDRrr", [], []>;
1237
1238 The definition of ``ADDRrr`` refers to ``SelectADDRrr``, which is a function
1239 defined in an implementation of the Instructor Selector (such as
1240 ``SparcISelDAGToDAG.cpp``).
1241
1242 In ``lib/Target/TargetSelectionDAG.td``, the DAG operator for store is defined
1243 below:
1244
1245 .. code-block:: llvm
1246
1247   def store : PatFrag<(ops node:$val, node:$ptr),
1248                       (st node:$val, node:$ptr), [{
1249     if (StoreSDNode *ST = dyn_cast<StoreSDNode>(N))
1250       return !ST->isTruncatingStore() &&
1251              ST->getAddressingMode() == ISD::UNINDEXED;
1252     return false;
1253   }]>;
1254
1255 ``XXXInstrInfo.td`` also generates (in ``XXXGenDAGISel.inc``) the
1256 ``SelectCode`` method that is used to call the appropriate processing method
1257 for an instruction.  In this example, ``SelectCode`` calls ``Select_ISD_STORE``
1258 for the ``ISD::STORE`` opcode.
1259
1260 .. code-block:: c++
1261
1262   SDNode *SelectCode(SDValue N) {
1263     ...
1264     MVT::ValueType NVT = N.getNode()->getValueType(0);
1265     switch (N.getOpcode()) {
1266     case ISD::STORE: {
1267       switch (NVT) {
1268       default:
1269         return Select_ISD_STORE(N);
1270         break;
1271       }
1272       break;
1273     }
1274     ...
1275
1276 The pattern for ``STrr`` is matched, so elsewhere in ``XXXGenDAGISel.inc``,
1277 code for ``STrr`` is created for ``Select_ISD_STORE``.  The ``Emit_22`` method
1278 is also generated in ``XXXGenDAGISel.inc`` to complete the processing of this
1279 instruction.
1280
1281 .. code-block:: c++
1282
1283   SDNode *Select_ISD_STORE(const SDValue &N) {
1284     SDValue Chain = N.getOperand(0);
1285     if (Predicate_store(N.getNode())) {
1286       SDValue N1 = N.getOperand(1);
1287       SDValue N2 = N.getOperand(2);
1288       SDValue CPTmp0;
1289       SDValue CPTmp1;
1290
1291       // Pattern: (st:void i32:i32:$src,
1292       //           ADDRrr:i32:$addr)<<P:Predicate_store>>
1293       // Emits: (STrr:void ADDRrr:i32:$addr, IntRegs:i32:$src)
1294       // Pattern complexity = 13  cost = 1  size = 0
1295       if (SelectADDRrr(N, N2, CPTmp0, CPTmp1) &&
1296           N1.getNode()->getValueType(0) == MVT::i32 &&
1297           N2.getNode()->getValueType(0) == MVT::i32) {
1298         return Emit_22(N, SP::STrr, CPTmp0, CPTmp1);
1299       }
1300   ...
1301
1302 The SelectionDAG Legalize Phase
1303 -------------------------------
1304
1305 The Legalize phase converts a DAG to use types and operations that are natively
1306 supported by the target.  For natively unsupported types and operations, you
1307 need to add code to the target-specific ``XXXTargetLowering`` implementation to
1308 convert unsupported types and operations to supported ones.
1309
1310 In the constructor for the ``XXXTargetLowering`` class, first use the
1311 ``addRegisterClass`` method to specify which types are supported and which
1312 register classes are associated with them.  The code for the register classes
1313 are generated by TableGen from ``XXXRegisterInfo.td`` and placed in
1314 ``XXXGenRegisterInfo.h.inc``.  For example, the implementation of the
1315 constructor for the SparcTargetLowering class (in ``SparcISelLowering.cpp``)
1316 starts with the following code:
1317
1318 .. code-block:: c++
1319
1320   addRegisterClass(MVT::i32, SP::IntRegsRegisterClass);
1321   addRegisterClass(MVT::f32, SP::FPRegsRegisterClass);
1322   addRegisterClass(MVT::f64, SP::DFPRegsRegisterClass);
1323
1324 You should examine the node types in the ``ISD`` namespace
1325 (``include/llvm/CodeGen/SelectionDAGNodes.h``) and determine which operations
1326 the target natively supports.  For operations that do **not** have native
1327 support, add a callback to the constructor for the ``XXXTargetLowering`` class,
1328 so the instruction selection process knows what to do.  The ``TargetLowering``
1329 class callback methods (declared in ``llvm/Target/TargetLowering.h``) are:
1330
1331 * ``setOperationAction`` --- General operation.
1332 * ``setLoadExtAction`` --- Load with extension.
1333 * ``setTruncStoreAction`` --- Truncating store.
1334 * ``setIndexedLoadAction`` --- Indexed load.
1335 * ``setIndexedStoreAction`` --- Indexed store.
1336 * ``setConvertAction`` --- Type conversion.
1337 * ``setCondCodeAction`` --- Support for a given condition code.
1338
1339 Note: on older releases, ``setLoadXAction`` is used instead of
1340 ``setLoadExtAction``.  Also, on older releases, ``setCondCodeAction`` may not
1341 be supported.  Examine your release to see what methods are specifically
1342 supported.
1343
1344 These callbacks are used to determine that an operation does or does not work
1345 with a specified type (or types).  And in all cases, the third parameter is a
1346 ``LegalAction`` type enum value: ``Promote``, ``Expand``, ``Custom``, or
1347 ``Legal``.  ``SparcISelLowering.cpp`` contains examples of all four
1348 ``LegalAction`` values.
1349
1350 Promote
1351 ^^^^^^^
1352
1353 For an operation without native support for a given type, the specified type
1354 may be promoted to a larger type that is supported.  For example, SPARC does
1355 not support a sign-extending load for Boolean values (``i1`` type), so in
1356 ``SparcISelLowering.cpp`` the third parameter below, ``Promote``, changes
1357 ``i1`` type values to a large type before loading.
1358
1359 .. code-block:: c++
1360
1361   setLoadExtAction(ISD::SEXTLOAD, MVT::i1, Promote);
1362
1363 Expand
1364 ^^^^^^
1365
1366 For a type without native support, a value may need to be broken down further,
1367 rather than promoted.  For an operation without native support, a combination
1368 of other operations may be used to similar effect.  In SPARC, the
1369 floating-point sine and cosine trig operations are supported by expansion to
1370 other operations, as indicated by the third parameter, ``Expand``, to
1371 ``setOperationAction``:
1372
1373 .. code-block:: c++
1374
1375   setOperationAction(ISD::FSIN, MVT::f32, Expand);
1376   setOperationAction(ISD::FCOS, MVT::f32, Expand);
1377
1378 Custom
1379 ^^^^^^
1380
1381 For some operations, simple type promotion or operation expansion may be
1382 insufficient.  In some cases, a special intrinsic function must be implemented.
1383
1384 For example, a constant value may require special treatment, or an operation
1385 may require spilling and restoring registers in the stack and working with
1386 register allocators.
1387
1388 As seen in ``SparcISelLowering.cpp`` code below, to perform a type conversion
1389 from a floating point value to a signed integer, first the
1390 ``setOperationAction`` should be called with ``Custom`` as the third parameter:
1391
1392 .. code-block:: c++
1393
1394   setOperationAction(ISD::FP_TO_SINT, MVT::i32, Custom);
1395
1396 In the ``LowerOperation`` method, for each ``Custom`` operation, a case
1397 statement should be added to indicate what function to call.  In the following
1398 code, an ``FP_TO_SINT`` opcode will call the ``LowerFP_TO_SINT`` method:
1399
1400 .. code-block:: c++
1401
1402   SDValue SparcTargetLowering::LowerOperation(SDValue Op, SelectionDAG &DAG) {
1403     switch (Op.getOpcode()) {
1404     case ISD::FP_TO_SINT: return LowerFP_TO_SINT(Op, DAG);
1405     ...
1406     }
1407   }
1408
1409 Finally, the ``LowerFP_TO_SINT`` method is implemented, using an FP register to
1410 convert the floating-point value to an integer.
1411
1412 .. code-block:: c++
1413
1414   static SDValue LowerFP_TO_SINT(SDValue Op, SelectionDAG &DAG) {
1415     assert(Op.getValueType() == MVT::i32);
1416     Op = DAG.getNode(SPISD::FTOI, MVT::f32, Op.getOperand(0));
1417     return DAG.getNode(ISD::BITCAST, MVT::i32, Op);
1418   }
1419
1420 Legal
1421 ^^^^^
1422
1423 The ``Legal`` ``LegalizeAction`` enum value simply indicates that an operation
1424 **is** natively supported.  ``Legal`` represents the default condition, so it
1425 is rarely used.  In ``SparcISelLowering.cpp``, the action for ``CTPOP`` (an
1426 operation to count the bits set in an integer) is natively supported only for
1427 SPARC v9.  The following code enables the ``Expand`` conversion technique for
1428 non-v9 SPARC implementations.
1429
1430 .. code-block:: c++
1431
1432   setOperationAction(ISD::CTPOP, MVT::i32, Expand);
1433   ...
1434   if (TM.getSubtarget<SparcSubtarget>().isV9())
1435     setOperationAction(ISD::CTPOP, MVT::i32, Legal);
1436
1437 Calling Conventions
1438 -------------------
1439
1440 To support target-specific calling conventions, ``XXXGenCallingConv.td`` uses
1441 interfaces (such as ``CCIfType`` and ``CCAssignToReg``) that are defined in
1442 ``lib/Target/TargetCallingConv.td``.  TableGen can take the target descriptor
1443 file ``XXXGenCallingConv.td`` and generate the header file
1444 ``XXXGenCallingConv.inc``, which is typically included in
1445 ``XXXISelLowering.cpp``.  You can use the interfaces in
1446 ``TargetCallingConv.td`` to specify:
1447
1448 * The order of parameter allocation.
1449
1450 * Where parameters and return values are placed (that is, on the stack or in
1451   registers).
1452
1453 * Which registers may be used.
1454
1455 * Whether the caller or callee unwinds the stack.
1456
1457 The following example demonstrates the use of the ``CCIfType`` and
1458 ``CCAssignToReg`` interfaces.  If the ``CCIfType`` predicate is true (that is,
1459 if the current argument is of type ``f32`` or ``f64``), then the action is
1460 performed.  In this case, the ``CCAssignToReg`` action assigns the argument
1461 value to the first available register: either ``R0`` or ``R1``.
1462
1463 .. code-block:: llvm
1464
1465   CCIfType<[f32,f64], CCAssignToReg<[R0, R1]>>
1466
1467 ``SparcCallingConv.td`` contains definitions for a target-specific return-value
1468 calling convention (``RetCC_Sparc32``) and a basic 32-bit C calling convention
1469 (``CC_Sparc32``).  The definition of ``RetCC_Sparc32`` (shown below) indicates
1470 which registers are used for specified scalar return types.  A single-precision
1471 float is returned to register ``F0``, and a double-precision float goes to
1472 register ``D0``.  A 32-bit integer is returned in register ``I0`` or ``I1``.
1473
1474 .. code-block:: llvm
1475
1476   def RetCC_Sparc32 : CallingConv<[
1477     CCIfType<[i32], CCAssignToReg<[I0, I1]>>,
1478     CCIfType<[f32], CCAssignToReg<[F0]>>,
1479     CCIfType<[f64], CCAssignToReg<[D0]>>
1480   ]>;
1481
1482 The definition of ``CC_Sparc32`` in ``SparcCallingConv.td`` introduces
1483 ``CCAssignToStack``, which assigns the value to a stack slot with the specified
1484 size and alignment.  In the example below, the first parameter, 4, indicates
1485 the size of the slot, and the second parameter, also 4, indicates the stack
1486 alignment along 4-byte units.  (Special cases: if size is zero, then the ABI
1487 size is used; if alignment is zero, then the ABI alignment is used.)
1488
1489 .. code-block:: llvm
1490
1491   def CC_Sparc32 : CallingConv<[
1492     // All arguments get passed in integer registers if there is space.
1493     CCIfType<[i32, f32, f64], CCAssignToReg<[I0, I1, I2, I3, I4, I5]>>,
1494     CCAssignToStack<4, 4>
1495   ]>;
1496
1497 ``CCDelegateTo`` is another commonly used interface, which tries to find a
1498 specified sub-calling convention, and, if a match is found, it is invoked.  In
1499 the following example (in ``X86CallingConv.td``), the definition of
1500 ``RetCC_X86_32_C`` ends with ``CCDelegateTo``.  After the current value is
1501 assigned to the register ``ST0`` or ``ST1``, the ``RetCC_X86Common`` is
1502 invoked.
1503
1504 .. code-block:: llvm
1505
1506   def RetCC_X86_32_C : CallingConv<[
1507     CCIfType<[f32], CCAssignToReg<[ST0, ST1]>>,
1508     CCIfType<[f64], CCAssignToReg<[ST0, ST1]>>,
1509     CCDelegateTo<RetCC_X86Common>
1510   ]>;
1511
1512 ``CCIfCC`` is an interface that attempts to match the given name to the current
1513 calling convention.  If the name identifies the current calling convention,
1514 then a specified action is invoked.  In the following example (in
1515 ``X86CallingConv.td``), if the ``Fast`` calling convention is in use, then
1516 ``RetCC_X86_32_Fast`` is invoked.  If the ``SSECall`` calling convention is in
1517 use, then ``RetCC_X86_32_SSE`` is invoked.
1518
1519 .. code-block:: llvm
1520
1521   def RetCC_X86_32 : CallingConv<[
1522     CCIfCC<"CallingConv::Fast", CCDelegateTo<RetCC_X86_32_Fast>>,
1523     CCIfCC<"CallingConv::X86_SSECall", CCDelegateTo<RetCC_X86_32_SSE>>,
1524     CCDelegateTo<RetCC_X86_32_C>
1525   ]>;
1526
1527 Other calling convention interfaces include:
1528
1529 * ``CCIf <predicate, action>`` --- If the predicate matches, apply the action.
1530
1531 * ``CCIfInReg <action>`` --- If the argument is marked with the "``inreg``"
1532   attribute, then apply the action.
1533
1534 * ``CCIfNest <action>`` --- If the argument is marked with the "``nest``"
1535   attribute, then apply the action.
1536
1537 * ``CCIfNotVarArg <action>`` --- If the current function does not take a
1538   variable number of arguments, apply the action.
1539
1540 * ``CCAssignToRegWithShadow <registerList, shadowList>`` --- similar to
1541   ``CCAssignToReg``, but with a shadow list of registers.
1542
1543 * ``CCPassByVal <size, align>`` --- Assign value to a stack slot with the
1544   minimum specified size and alignment.
1545
1546 * ``CCPromoteToType <type>`` --- Promote the current value to the specified
1547   type.
1548
1549 * ``CallingConv <[actions]>`` --- Define each calling convention that is
1550   supported.
1551
1552 Assembly Printer
1553 ================
1554
1555 During the code emission stage, the code generator may utilize an LLVM pass to
1556 produce assembly output.  To do this, you want to implement the code for a
1557 printer that converts LLVM IR to a GAS-format assembly language for your target
1558 machine, using the following steps:
1559
1560 * Define all the assembly strings for your target, adding them to the
1561   instructions defined in the ``XXXInstrInfo.td`` file.  (See
1562   :ref:`instruction-set`.)  TableGen will produce an output file
1563   (``XXXGenAsmWriter.inc``) with an implementation of the ``printInstruction``
1564   method for the ``XXXAsmPrinter`` class.
1565
1566 * Write ``XXXTargetAsmInfo.h``, which contains the bare-bones declaration of
1567   the ``XXXTargetAsmInfo`` class (a subclass of ``TargetAsmInfo``).
1568
1569 * Write ``XXXTargetAsmInfo.cpp``, which contains target-specific values for
1570   ``TargetAsmInfo`` properties and sometimes new implementations for methods.
1571
1572 * Write ``XXXAsmPrinter.cpp``, which implements the ``AsmPrinter`` class that
1573   performs the LLVM-to-assembly conversion.
1574
1575 The code in ``XXXTargetAsmInfo.h`` is usually a trivial declaration of the
1576 ``XXXTargetAsmInfo`` class for use in ``XXXTargetAsmInfo.cpp``.  Similarly,
1577 ``XXXTargetAsmInfo.cpp`` usually has a few declarations of ``XXXTargetAsmInfo``
1578 replacement values that override the default values in ``TargetAsmInfo.cpp``.
1579 For example in ``SparcTargetAsmInfo.cpp``:
1580
1581 .. code-block:: c++
1582
1583   SparcTargetAsmInfo::SparcTargetAsmInfo(const SparcTargetMachine &TM) {
1584     Data16bitsDirective = "\t.half\t";
1585     Data32bitsDirective = "\t.word\t";
1586     Data64bitsDirective = 0;  // .xword is only supported by V9.
1587     ZeroDirective = "\t.skip\t";
1588     CommentString = "!";
1589     ConstantPoolSection = "\t.section \".rodata\",#alloc\n";
1590   }
1591
1592 The X86 assembly printer implementation (``X86TargetAsmInfo``) is an example
1593 where the target specific ``TargetAsmInfo`` class uses an overridden methods:
1594 ``ExpandInlineAsm``.
1595
1596 A target-specific implementation of ``AsmPrinter`` is written in
1597 ``XXXAsmPrinter.cpp``, which implements the ``AsmPrinter`` class that converts
1598 the LLVM to printable assembly.  The implementation must include the following
1599 headers that have declarations for the ``AsmPrinter`` and
1600 ``MachineFunctionPass`` classes.  The ``MachineFunctionPass`` is a subclass of
1601 ``FunctionPass``.
1602
1603 .. code-block:: c++
1604
1605   #include "llvm/CodeGen/AsmPrinter.h"
1606   #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
1607
1608 As a ``FunctionPass``, ``AsmPrinter`` first calls ``doInitialization`` to set
1609 up the ``AsmPrinter``.  In ``SparcAsmPrinter``, a ``Mangler`` object is
1610 instantiated to process variable names.
1611
1612 In ``XXXAsmPrinter.cpp``, the ``runOnMachineFunction`` method (declared in
1613 ``MachineFunctionPass``) must be implemented for ``XXXAsmPrinter``.  In
1614 ``MachineFunctionPass``, the ``runOnFunction`` method invokes
1615 ``runOnMachineFunction``.  Target-specific implementations of
1616 ``runOnMachineFunction`` differ, but generally do the following to process each
1617 machine function:
1618
1619 * Call ``SetupMachineFunction`` to perform initialization.
1620
1621 * Call ``EmitConstantPool`` to print out (to the output stream) constants which
1622   have been spilled to memory.
1623
1624 * Call ``EmitJumpTableInfo`` to print out jump tables used by the current
1625   function.
1626
1627 * Print out the label for the current function.
1628
1629 * Print out the code for the function, including basic block labels and the
1630   assembly for the instruction (using ``printInstruction``)
1631
1632 The ``XXXAsmPrinter`` implementation must also include the code generated by
1633 TableGen that is output in the ``XXXGenAsmWriter.inc`` file.  The code in
1634 ``XXXGenAsmWriter.inc`` contains an implementation of the ``printInstruction``
1635 method that may call these methods:
1636
1637 * ``printOperand``
1638 * ``printMemOperand``
1639 * ``printCCOperand`` (for conditional statements)
1640 * ``printDataDirective``
1641 * ``printDeclare``
1642 * ``printImplicitDef``
1643 * ``printInlineAsm``
1644
1645 The implementations of ``printDeclare``, ``printImplicitDef``,
1646 ``printInlineAsm``, and ``printLabel`` in ``AsmPrinter.cpp`` are generally
1647 adequate for printing assembly and do not need to be overridden.
1648
1649 The ``printOperand`` method is implemented with a long ``switch``/``case``
1650 statement for the type of operand: register, immediate, basic block, external
1651 symbol, global address, constant pool index, or jump table index.  For an
1652 instruction with a memory address operand, the ``printMemOperand`` method
1653 should be implemented to generate the proper output.  Similarly,
1654 ``printCCOperand`` should be used to print a conditional operand.
1655
1656 ``doFinalization`` should be overridden in ``XXXAsmPrinter``, and it should be
1657 called to shut down the assembly printer.  During ``doFinalization``, global
1658 variables and constants are printed to output.
1659
1660 Subtarget Support
1661 =================
1662
1663 Subtarget support is used to inform the code generation process of instruction
1664 set variations for a given chip set.  For example, the LLVM SPARC
1665 implementation provided covers three major versions of the SPARC microprocessor
1666 architecture: Version 8 (V8, which is a 32-bit architecture), Version 9 (V9, a
1667 64-bit architecture), and the UltraSPARC architecture.  V8 has 16
1668 double-precision floating-point registers that are also usable as either 32
1669 single-precision or 8 quad-precision registers.  V8 is also purely big-endian.
1670 V9 has 32 double-precision floating-point registers that are also usable as 16
1671 quad-precision registers, but cannot be used as single-precision registers.
1672 The UltraSPARC architecture combines V9 with UltraSPARC Visual Instruction Set
1673 extensions.
1674
1675 If subtarget support is needed, you should implement a target-specific
1676 ``XXXSubtarget`` class for your architecture.  This class should process the
1677 command-line options ``-mcpu=`` and ``-mattr=``.
1678
1679 TableGen uses definitions in the ``Target.td`` and ``Sparc.td`` files to
1680 generate code in ``SparcGenSubtarget.inc``.  In ``Target.td``, shown below, the
1681 ``SubtargetFeature`` interface is defined.  The first 4 string parameters of
1682 the ``SubtargetFeature`` interface are a feature name, an attribute set by the
1683 feature, the value of the attribute, and a description of the feature.  (The
1684 fifth parameter is a list of features whose presence is implied, and its
1685 default value is an empty array.)
1686
1687 .. code-block:: llvm
1688
1689   class SubtargetFeature<string n, string a, string v, string d,
1690                          list<SubtargetFeature> i = []> {
1691     string Name = n;
1692     string Attribute = a;
1693     string Value = v;
1694     string Desc = d;
1695     list<SubtargetFeature> Implies = i;
1696   }
1697
1698 In the ``Sparc.td`` file, the ``SubtargetFeature`` is used to define the
1699 following features.
1700
1701 .. code-block:: llvm
1702
1703   def FeatureV9 : SubtargetFeature<"v9", "IsV9", "true",
1704                        "Enable SPARC-V9 instructions">;
1705   def FeatureV8Deprecated : SubtargetFeature<"deprecated-v8",
1706                        "V8DeprecatedInsts", "true",
1707                        "Enable deprecated V8 instructions in V9 mode">;
1708   def FeatureVIS : SubtargetFeature<"vis", "IsVIS", "true",
1709                        "Enable UltraSPARC Visual Instruction Set extensions">;
1710
1711 Elsewhere in ``Sparc.td``, the ``Proc`` class is defined and then is used to
1712 define particular SPARC processor subtypes that may have the previously
1713 described features.
1714
1715 .. code-block:: llvm
1716
1717   class Proc<string Name, list<SubtargetFeature> Features>
1718     : Processor<Name, NoItineraries, Features>;
1719
1720   def : Proc<"generic",         []>;
1721   def : Proc<"v8",              []>;
1722   def : Proc<"supersparc",      []>;
1723   def : Proc<"sparclite",       []>;
1724   def : Proc<"f934",            []>;
1725   def : Proc<"hypersparc",      []>;
1726   def : Proc<"sparclite86x",    []>;
1727   def : Proc<"sparclet",        []>;
1728   def : Proc<"tsc701",          []>;
1729   def : Proc<"v9",              [FeatureV9]>;
1730   def : Proc<"ultrasparc",      [FeatureV9, FeatureV8Deprecated]>;
1731   def : Proc<"ultrasparc3",     [FeatureV9, FeatureV8Deprecated]>;
1732   def : Proc<"ultrasparc3-vis", [FeatureV9, FeatureV8Deprecated, FeatureVIS]>;
1733
1734 From ``Target.td`` and ``Sparc.td`` files, the resulting
1735 ``SparcGenSubtarget.inc`` specifies enum values to identify the features,
1736 arrays of constants to represent the CPU features and CPU subtypes, and the
1737 ``ParseSubtargetFeatures`` method that parses the features string that sets
1738 specified subtarget options.  The generated ``SparcGenSubtarget.inc`` file
1739 should be included in the ``SparcSubtarget.cpp``.  The target-specific
1740 implementation of the ``XXXSubtarget`` method should follow this pseudocode:
1741
1742 .. code-block:: c++
1743
1744   XXXSubtarget::XXXSubtarget(const Module &M, const std::string &FS) {
1745     // Set the default features
1746     // Determine default and user specified characteristics of the CPU
1747     // Call ParseSubtargetFeatures(FS, CPU) to parse the features string
1748     // Perform any additional operations
1749   }
1750
1751 JIT Support
1752 ===========
1753
1754 The implementation of a target machine optionally includes a Just-In-Time (JIT)
1755 code generator that emits machine code and auxiliary structures as binary
1756 output that can be written directly to memory.  To do this, implement JIT code
1757 generation by performing the following steps:
1758
1759 * Write an ``XXXCodeEmitter.cpp`` file that contains a machine function pass
1760   that transforms target-machine instructions into relocatable machine
1761   code.
1762
1763 * Write an ``XXXJITInfo.cpp`` file that implements the JIT interfaces for
1764   target-specific code-generation activities, such as emitting machine code and
1765   stubs.
1766
1767 * Modify ``XXXTargetMachine`` so that it provides a ``TargetJITInfo`` object
1768   through its ``getJITInfo`` method.
1769
1770 There are several different approaches to writing the JIT support code.  For
1771 instance, TableGen and target descriptor files may be used for creating a JIT
1772 code generator, but are not mandatory.  For the Alpha and PowerPC target
1773 machines, TableGen is used to generate ``XXXGenCodeEmitter.inc``, which
1774 contains the binary coding of machine instructions and the
1775 ``getBinaryCodeForInstr`` method to access those codes.  Other JIT
1776 implementations do not.
1777
1778 Both ``XXXJITInfo.cpp`` and ``XXXCodeEmitter.cpp`` must include the
1779 ``llvm/CodeGen/MachineCodeEmitter.h`` header file that defines the
1780 ``MachineCodeEmitter`` class containing code for several callback functions
1781 that write data (in bytes, words, strings, etc.) to the output stream.
1782
1783 Machine Code Emitter
1784 --------------------
1785
1786 In ``XXXCodeEmitter.cpp``, a target-specific of the ``Emitter`` class is
1787 implemented as a function pass (subclass of ``MachineFunctionPass``).  The
1788 target-specific implementation of ``runOnMachineFunction`` (invoked by
1789 ``runOnFunction`` in ``MachineFunctionPass``) iterates through the
1790 ``MachineBasicBlock`` calls ``emitInstruction`` to process each instruction and
1791 emit binary code.  ``emitInstruction`` is largely implemented with case
1792 statements on the instruction types defined in ``XXXInstrInfo.h``.  For
1793 example, in ``X86CodeEmitter.cpp``, the ``emitInstruction`` method is built
1794 around the following ``switch``/``case`` statements:
1795
1796 .. code-block:: c++
1797
1798   switch (Desc->TSFlags & X86::FormMask) {
1799   case X86II::Pseudo:  // for not yet implemented instructions
1800      ...               // or pseudo-instructions
1801      break;
1802   case X86II::RawFrm:  // for instructions with a fixed opcode value
1803      ...
1804      break;
1805   case X86II::AddRegFrm: // for instructions that have one register operand
1806      ...                 // added to their opcode
1807      break;
1808   case X86II::MRMDestReg:// for instructions that use the Mod/RM byte
1809      ...                 // to specify a destination (register)
1810      break;
1811   case X86II::MRMDestMem:// for instructions that use the Mod/RM byte
1812      ...                 // to specify a destination (memory)
1813      break;
1814   case X86II::MRMSrcReg: // for instructions that use the Mod/RM byte
1815      ...                 // to specify a source (register)
1816      break;
1817   case X86II::MRMSrcMem: // for instructions that use the Mod/RM byte
1818      ...                 // to specify a source (memory)
1819      break;
1820   case X86II::MRM0r: case X86II::MRM1r:  // for instructions that operate on
1821   case X86II::MRM2r: case X86II::MRM3r:  // a REGISTER r/m operand and
1822   case X86II::MRM4r: case X86II::MRM5r:  // use the Mod/RM byte and a field
1823   case X86II::MRM6r: case X86II::MRM7r:  // to hold extended opcode data
1824      ...
1825      break;
1826   case X86II::MRM0m: case X86II::MRM1m:  // for instructions that operate on
1827   case X86II::MRM2m: case X86II::MRM3m:  // a MEMORY r/m operand and
1828   case X86II::MRM4m: case X86II::MRM5m:  // use the Mod/RM byte and a field
1829   case X86II::MRM6m: case X86II::MRM7m:  // to hold extended opcode data
1830      ...
1831      break;
1832   case X86II::MRMInitReg: // for instructions whose source and
1833      ...                  // destination are the same register
1834      break;
1835   }
1836
1837 The implementations of these case statements often first emit the opcode and
1838 then get the operand(s).  Then depending upon the operand, helper methods may
1839 be called to process the operand(s).  For example, in ``X86CodeEmitter.cpp``,
1840 for the ``X86II::AddRegFrm`` case, the first data emitted (by ``emitByte``) is
1841 the opcode added to the register operand.  Then an object representing the
1842 machine operand, ``MO1``, is extracted.  The helper methods such as
1843 ``isImmediate``, ``isGlobalAddress``, ``isExternalSymbol``,
1844 ``isConstantPoolIndex``, and ``isJumpTableIndex`` determine the operand type.
1845 (``X86CodeEmitter.cpp`` also has private methods such as ``emitConstant``,
1846 ``emitGlobalAddress``, ``emitExternalSymbolAddress``, ``emitConstPoolAddress``,
1847 and ``emitJumpTableAddress`` that emit the data into the output stream.)
1848
1849 .. code-block:: c++
1850
1851   case X86II::AddRegFrm:
1852     MCE.emitByte(BaseOpcode + getX86RegNum(MI.getOperand(CurOp++).getReg()));
1853
1854     if (CurOp != NumOps) {
1855       const MachineOperand &MO1 = MI.getOperand(CurOp++);
1856       unsigned Size = X86InstrInfo::sizeOfImm(Desc);
1857       if (MO1.isImmediate())
1858         emitConstant(MO1.getImm(), Size);
1859       else {
1860         unsigned rt = Is64BitMode ? X86::reloc_pcrel_word
1861           : (IsPIC ? X86::reloc_picrel_word : X86::reloc_absolute_word);
1862         if (Opcode == X86::MOV64ri)
1863           rt = X86::reloc_absolute_dword;  // FIXME: add X86II flag?
1864         if (MO1.isGlobalAddress()) {
1865           bool NeedStub = isa<Function>(MO1.getGlobal());
1866           bool isLazy = gvNeedsLazyPtr(MO1.getGlobal());
1867           emitGlobalAddress(MO1.getGlobal(), rt, MO1.getOffset(), 0,
1868                             NeedStub, isLazy);
1869         } else if (MO1.isExternalSymbol())
1870           emitExternalSymbolAddress(MO1.getSymbolName(), rt);
1871         else if (MO1.isConstantPoolIndex())
1872           emitConstPoolAddress(MO1.getIndex(), rt);
1873         else if (MO1.isJumpTableIndex())
1874           emitJumpTableAddress(MO1.getIndex(), rt);
1875       }
1876     }
1877     break;
1878
1879 In the previous example, ``XXXCodeEmitter.cpp`` uses the variable ``rt``, which
1880 is a ``RelocationType`` enum that may be used to relocate addresses (for
1881 example, a global address with a PIC base offset).  The ``RelocationType`` enum
1882 for that target is defined in the short target-specific ``XXXRelocations.h``
1883 file.  The ``RelocationType`` is used by the ``relocate`` method defined in
1884 ``XXXJITInfo.cpp`` to rewrite addresses for referenced global symbols.
1885
1886 For example, ``X86Relocations.h`` specifies the following relocation types for
1887 the X86 addresses.  In all four cases, the relocated value is added to the
1888 value already in memory.  For ``reloc_pcrel_word`` and ``reloc_picrel_word``,
1889 there is an additional initial adjustment.
1890
1891 .. code-block:: c++
1892
1893   enum RelocationType {
1894     reloc_pcrel_word = 0,    // add reloc value after adjusting for the PC loc
1895     reloc_picrel_word = 1,   // add reloc value after adjusting for the PIC base
1896     reloc_absolute_word = 2, // absolute relocation; no additional adjustment
1897     reloc_absolute_dword = 3 // absolute relocation; no additional adjustment
1898   };
1899
1900 Target JIT Info
1901 ---------------
1902
1903 ``XXXJITInfo.cpp`` implements the JIT interfaces for target-specific
1904 code-generation activities, such as emitting machine code and stubs.  At
1905 minimum, a target-specific version of ``XXXJITInfo`` implements the following:
1906
1907 * ``getLazyResolverFunction`` --- Initializes the JIT, gives the target a
1908   function that is used for compilation.
1909
1910 * ``emitFunctionStub`` --- Returns a native function with a specified address
1911   for a callback function.
1912
1913 * ``relocate`` --- Changes the addresses of referenced globals, based on
1914   relocation types.
1915
1916 * Callback function that are wrappers to a function stub that is used when the
1917   real target is not initially known.
1918
1919 ``getLazyResolverFunction`` is generally trivial to implement.  It makes the
1920 incoming parameter as the global ``JITCompilerFunction`` and returns the
1921 callback function that will be used a function wrapper.  For the Alpha target
1922 (in ``AlphaJITInfo.cpp``), the ``getLazyResolverFunction`` implementation is
1923 simply:
1924
1925 .. code-block:: c++
1926
1927   TargetJITInfo::LazyResolverFn AlphaJITInfo::getLazyResolverFunction(
1928                                               JITCompilerFn F) {
1929     JITCompilerFunction = F;
1930     return AlphaCompilationCallback;
1931   }
1932
1933 For the X86 target, the ``getLazyResolverFunction`` implementation is a little
1934 more complicated, because it returns a different callback function for
1935 processors with SSE instructions and XMM registers.
1936
1937 The callback function initially saves and later restores the callee register
1938 values, incoming arguments, and frame and return address.  The callback
1939 function needs low-level access to the registers or stack, so it is typically
1940 implemented with assembler.
1941