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