Docs: Fix typo: NoIntinerary -> NoItinerary.
[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 itineraries can be queried using MCDesc::getSchedClass(). The
956 value can be named by an enumemation in llvm::XXX::Sched namespace generated
957 by TableGen in XXXGenInstrInfo.inc. The name of the schedule classes are
958 the same as provided in XXXSchedule.td plus a default NoItinerary class.
959
960 Instruction Relation Mapping
961 ----------------------------
962
963 This TableGen feature is used to relate instructions with each other.  It is
964 particularly useful when you have multiple instruction formats and need to
965 switch between them after instruction selection.  This entire feature is driven
966 by relation models which can be defined in ``XXXInstrInfo.td`` files
967 according to the target-specific instruction set.  Relation models are defined
968 using ``InstrMapping`` class as a base.  TableGen parses all the models
969 and generates instruction relation maps using the specified information.
970 Relation maps are emitted as tables in the ``XXXGenInstrInfo.inc`` file
971 along with the functions to query them.  For the detailed information on how to
972 use this feature, please refer to :doc:`HowToUseInstrMappings`.
973
974 Implement a subclass of ``TargetInstrInfo``
975 -------------------------------------------
976
977 The final step is to hand code portions of ``XXXInstrInfo``, which implements
978 the interface described in ``TargetInstrInfo.h`` (see :ref:`TargetInstrInfo`).
979 These functions return ``0`` or a Boolean or they assert, unless overridden.
980 Here's a list of functions that are overridden for the SPARC implementation in
981 ``SparcInstrInfo.cpp``:
982
983 * ``isLoadFromStackSlot`` --- If the specified machine instruction is a direct
984   load from a stack slot, return the register number of the destination and the
985   ``FrameIndex`` of the stack slot.
986
987 * ``isStoreToStackSlot`` --- If the specified machine instruction is a direct
988   store to a stack slot, return the register number of the destination and the
989   ``FrameIndex`` of the stack slot.
990
991 * ``copyPhysReg`` --- Copy values between a pair of physical registers.
992
993 * ``storeRegToStackSlot`` --- Store a register value to a stack slot.
994
995 * ``loadRegFromStackSlot`` --- Load a register value from a stack slot.
996
997 * ``storeRegToAddr`` --- Store a register value to memory.
998
999 * ``loadRegFromAddr`` --- Load a register value from memory.
1000
1001 * ``foldMemoryOperand`` --- Attempt to combine instructions of any load or
1002   store instruction for the specified operand(s).
1003
1004 Branch Folding and If Conversion
1005 --------------------------------
1006
1007 Performance can be improved by combining instructions or by eliminating
1008 instructions that are never reached.  The ``AnalyzeBranch`` method in
1009 ``XXXInstrInfo`` may be implemented to examine conditional instructions and
1010 remove unnecessary instructions.  ``AnalyzeBranch`` looks at the end of a
1011 machine basic block (MBB) for opportunities for improvement, such as branch
1012 folding and if conversion.  The ``BranchFolder`` and ``IfConverter`` machine
1013 function passes (see the source files ``BranchFolding.cpp`` and
1014 ``IfConversion.cpp`` in the ``lib/CodeGen`` directory) call ``AnalyzeBranch``
1015 to improve the control flow graph that represents the instructions.
1016
1017 Several implementations of ``AnalyzeBranch`` (for ARM, Alpha, and X86) can be
1018 examined as models for your own ``AnalyzeBranch`` implementation.  Since SPARC
1019 does not implement a useful ``AnalyzeBranch``, the ARM target implementation is
1020 shown below.
1021
1022 ``AnalyzeBranch`` returns a Boolean value and takes four parameters:
1023
1024 * ``MachineBasicBlock &MBB`` --- The incoming block to be examined.
1025
1026 * ``MachineBasicBlock *&TBB`` --- A destination block that is returned.  For a
1027   conditional branch that evaluates to true, ``TBB`` is the destination.
1028
1029 * ``MachineBasicBlock *&FBB`` --- For a conditional branch that evaluates to
1030   false, ``FBB`` is returned as the destination.
1031
1032 * ``std::vector<MachineOperand> &Cond`` --- List of operands to evaluate a
1033   condition for a conditional branch.
1034
1035 In the simplest case, if a block ends without a branch, then it falls through
1036 to the successor block.  No destination blocks are specified for either ``TBB``
1037 or ``FBB``, so both parameters return ``NULL``.  The start of the
1038 ``AnalyzeBranch`` (see code below for the ARM target) shows the function
1039 parameters and the code for the simplest case.
1040
1041 .. code-block:: c++
1042
1043   bool ARMInstrInfo::AnalyzeBranch(MachineBasicBlock &MBB,
1044                                    MachineBasicBlock *&TBB,
1045                                    MachineBasicBlock *&FBB,
1046                                    std::vector<MachineOperand> &Cond) const
1047   {
1048     MachineBasicBlock::iterator I = MBB.end();
1049     if (I == MBB.begin() || !isUnpredicatedTerminator(--I))
1050       return false;
1051
1052 If a block ends with a single unconditional branch instruction, then
1053 ``AnalyzeBranch`` (shown below) should return the destination of that branch in
1054 the ``TBB`` parameter.
1055
1056 .. code-block:: c++
1057
1058     if (LastOpc == ARM::B || LastOpc == ARM::tB) {
1059       TBB = LastInst->getOperand(0).getMBB();
1060       return false;
1061     }
1062
1063 If a block ends with two unconditional branches, then the second branch is
1064 never reached.  In that situation, as shown below, remove the last branch
1065 instruction and return the penultimate branch in the ``TBB`` parameter.
1066
1067 .. code-block:: c++
1068
1069     if ((SecondLastOpc == ARM::B || SecondLastOpc == ARM::tB) &&
1070         (LastOpc == ARM::B || LastOpc == ARM::tB)) {
1071       TBB = SecondLastInst->getOperand(0).getMBB();
1072       I = LastInst;
1073       I->eraseFromParent();
1074       return false;
1075     }
1076
1077 A block may end with a single conditional branch instruction that falls through
1078 to successor block if the condition evaluates to false.  In that case,
1079 ``AnalyzeBranch`` (shown below) should return the destination of that
1080 conditional branch in the ``TBB`` parameter and a list of operands in the
1081 ``Cond`` parameter to evaluate the condition.
1082
1083 .. code-block:: c++
1084
1085     if (LastOpc == ARM::Bcc || LastOpc == ARM::tBcc) {
1086       // Block ends with fall-through condbranch.
1087       TBB = LastInst->getOperand(0).getMBB();
1088       Cond.push_back(LastInst->getOperand(1));
1089       Cond.push_back(LastInst->getOperand(2));
1090       return false;
1091     }
1092
1093 If a block ends with both a conditional branch and an ensuing unconditional
1094 branch, then ``AnalyzeBranch`` (shown below) should return the conditional
1095 branch destination (assuming it corresponds to a conditional evaluation of
1096 "``true``") in the ``TBB`` parameter and the unconditional branch destination
1097 in the ``FBB`` (corresponding to a conditional evaluation of "``false``").  A
1098 list of operands to evaluate the condition should be returned in the ``Cond``
1099 parameter.
1100
1101 .. code-block:: c++
1102
1103     unsigned SecondLastOpc = SecondLastInst->getOpcode();
1104
1105     if ((SecondLastOpc == ARM::Bcc && LastOpc == ARM::B) ||
1106         (SecondLastOpc == ARM::tBcc && LastOpc == ARM::tB)) {
1107       TBB =  SecondLastInst->getOperand(0).getMBB();
1108       Cond.push_back(SecondLastInst->getOperand(1));
1109       Cond.push_back(SecondLastInst->getOperand(2));
1110       FBB = LastInst->getOperand(0).getMBB();
1111       return false;
1112     }
1113
1114 For the last two cases (ending with a single conditional branch or ending with
1115 one conditional and one unconditional branch), the operands returned in the
1116 ``Cond`` parameter can be passed to methods of other instructions to create new
1117 branches or perform other operations.  An implementation of ``AnalyzeBranch``
1118 requires the helper methods ``RemoveBranch`` and ``InsertBranch`` to manage
1119 subsequent operations.
1120
1121 ``AnalyzeBranch`` should return false indicating success in most circumstances.
1122 ``AnalyzeBranch`` should only return true when the method is stumped about what
1123 to do, for example, if a block has three terminating branches.
1124 ``AnalyzeBranch`` may return true if it encounters a terminator it cannot
1125 handle, such as an indirect branch.
1126
1127 .. _instruction-selector:
1128
1129 Instruction Selector
1130 ====================
1131
1132 LLVM uses a ``SelectionDAG`` to represent LLVM IR instructions, and nodes of
1133 the ``SelectionDAG`` ideally represent native target instructions.  During code
1134 generation, instruction selection passes are performed to convert non-native
1135 DAG instructions into native target-specific instructions.  The pass described
1136 in ``XXXISelDAGToDAG.cpp`` is used to match patterns and perform DAG-to-DAG
1137 instruction selection.  Optionally, a pass may be defined (in
1138 ``XXXBranchSelector.cpp``) to perform similar DAG-to-DAG operations for branch
1139 instructions.  Later, the code in ``XXXISelLowering.cpp`` replaces or removes
1140 operations and data types not supported natively (legalizes) in a
1141 ``SelectionDAG``.
1142
1143 TableGen generates code for instruction selection using the following target
1144 description input files:
1145
1146 * ``XXXInstrInfo.td`` --- Contains definitions of instructions in a
1147   target-specific instruction set, generates ``XXXGenDAGISel.inc``, which is
1148   included in ``XXXISelDAGToDAG.cpp``.
1149
1150 * ``XXXCallingConv.td`` --- Contains the calling and return value conventions
1151   for the target architecture, and it generates ``XXXGenCallingConv.inc``,
1152   which is included in ``XXXISelLowering.cpp``.
1153
1154 The implementation of an instruction selection pass must include a header that
1155 declares the ``FunctionPass`` class or a subclass of ``FunctionPass``.  In
1156 ``XXXTargetMachine.cpp``, a Pass Manager (PM) should add each instruction
1157 selection pass into the queue of passes to run.
1158
1159 The LLVM static compiler (``llc``) is an excellent tool for visualizing the
1160 contents of DAGs.  To display the ``SelectionDAG`` before or after specific
1161 processing phases, use the command line options for ``llc``, described at
1162 :ref:`SelectionDAG-Process`.
1163
1164 To describe instruction selector behavior, you should add patterns for lowering
1165 LLVM code into a ``SelectionDAG`` as the last parameter of the instruction
1166 definitions in ``XXXInstrInfo.td``.  For example, in ``SparcInstrInfo.td``,
1167 this entry defines a register store operation, and the last parameter describes
1168 a pattern with the store DAG operator.
1169
1170 .. code-block:: llvm
1171
1172   def STrr  : F3_1< 3, 0b000100, (outs), (ins MEMrr:$addr, IntRegs:$src),
1173                    "st $src, [$addr]", [(store i32:$src, ADDRrr:$addr)]>;
1174
1175 ``ADDRrr`` is a memory mode that is also defined in ``SparcInstrInfo.td``:
1176
1177 .. code-block:: llvm
1178
1179   def ADDRrr : ComplexPattern<i32, 2, "SelectADDRrr", [], []>;
1180
1181 The definition of ``ADDRrr`` refers to ``SelectADDRrr``, which is a function
1182 defined in an implementation of the Instructor Selector (such as
1183 ``SparcISelDAGToDAG.cpp``).
1184
1185 In ``lib/Target/TargetSelectionDAG.td``, the DAG operator for store is defined
1186 below:
1187
1188 .. code-block:: llvm
1189
1190   def store : PatFrag<(ops node:$val, node:$ptr),
1191                       (st node:$val, node:$ptr), [{
1192     if (StoreSDNode *ST = dyn_cast<StoreSDNode>(N))
1193       return !ST->isTruncatingStore() &&
1194              ST->getAddressingMode() == ISD::UNINDEXED;
1195     return false;
1196   }]>;
1197
1198 ``XXXInstrInfo.td`` also generates (in ``XXXGenDAGISel.inc``) the
1199 ``SelectCode`` method that is used to call the appropriate processing method
1200 for an instruction.  In this example, ``SelectCode`` calls ``Select_ISD_STORE``
1201 for the ``ISD::STORE`` opcode.
1202
1203 .. code-block:: c++
1204
1205   SDNode *SelectCode(SDValue N) {
1206     ...
1207     MVT::ValueType NVT = N.getNode()->getValueType(0);
1208     switch (N.getOpcode()) {
1209     case ISD::STORE: {
1210       switch (NVT) {
1211       default:
1212         return Select_ISD_STORE(N);
1213         break;
1214       }
1215       break;
1216     }
1217     ...
1218
1219 The pattern for ``STrr`` is matched, so elsewhere in ``XXXGenDAGISel.inc``,
1220 code for ``STrr`` is created for ``Select_ISD_STORE``.  The ``Emit_22`` method
1221 is also generated in ``XXXGenDAGISel.inc`` to complete the processing of this
1222 instruction.
1223
1224 .. code-block:: c++
1225
1226   SDNode *Select_ISD_STORE(const SDValue &N) {
1227     SDValue Chain = N.getOperand(0);
1228     if (Predicate_store(N.getNode())) {
1229       SDValue N1 = N.getOperand(1);
1230       SDValue N2 = N.getOperand(2);
1231       SDValue CPTmp0;
1232       SDValue CPTmp1;
1233
1234       // Pattern: (st:void i32:i32:$src,
1235       //           ADDRrr:i32:$addr)<<P:Predicate_store>>
1236       // Emits: (STrr:void ADDRrr:i32:$addr, IntRegs:i32:$src)
1237       // Pattern complexity = 13  cost = 1  size = 0
1238       if (SelectADDRrr(N, N2, CPTmp0, CPTmp1) &&
1239           N1.getNode()->getValueType(0) == MVT::i32 &&
1240           N2.getNode()->getValueType(0) == MVT::i32) {
1241         return Emit_22(N, SP::STrr, CPTmp0, CPTmp1);
1242       }
1243   ...
1244
1245 The SelectionDAG Legalize Phase
1246 -------------------------------
1247
1248 The Legalize phase converts a DAG to use types and operations that are natively
1249 supported by the target.  For natively unsupported types and operations, you
1250 need to add code to the target-specific ``XXXTargetLowering`` implementation to
1251 convert unsupported types and operations to supported ones.
1252
1253 In the constructor for the ``XXXTargetLowering`` class, first use the
1254 ``addRegisterClass`` method to specify which types are supported and which
1255 register classes are associated with them.  The code for the register classes
1256 are generated by TableGen from ``XXXRegisterInfo.td`` and placed in
1257 ``XXXGenRegisterInfo.h.inc``.  For example, the implementation of the
1258 constructor for the SparcTargetLowering class (in ``SparcISelLowering.cpp``)
1259 starts with the following code:
1260
1261 .. code-block:: c++
1262
1263   addRegisterClass(MVT::i32, SP::IntRegsRegisterClass);
1264   addRegisterClass(MVT::f32, SP::FPRegsRegisterClass);
1265   addRegisterClass(MVT::f64, SP::DFPRegsRegisterClass);
1266
1267 You should examine the node types in the ``ISD`` namespace
1268 (``include/llvm/CodeGen/SelectionDAGNodes.h``) and determine which operations
1269 the target natively supports.  For operations that do **not** have native
1270 support, add a callback to the constructor for the ``XXXTargetLowering`` class,
1271 so the instruction selection process knows what to do.  The ``TargetLowering``
1272 class callback methods (declared in ``llvm/Target/TargetLowering.h``) are:
1273
1274 * ``setOperationAction`` --- General operation.
1275 * ``setLoadExtAction`` --- Load with extension.
1276 * ``setTruncStoreAction`` --- Truncating store.
1277 * ``setIndexedLoadAction`` --- Indexed load.
1278 * ``setIndexedStoreAction`` --- Indexed store.
1279 * ``setConvertAction`` --- Type conversion.
1280 * ``setCondCodeAction`` --- Support for a given condition code.
1281
1282 Note: on older releases, ``setLoadXAction`` is used instead of
1283 ``setLoadExtAction``.  Also, on older releases, ``setCondCodeAction`` may not
1284 be supported.  Examine your release to see what methods are specifically
1285 supported.
1286
1287 These callbacks are used to determine that an operation does or does not work
1288 with a specified type (or types).  And in all cases, the third parameter is a
1289 ``LegalAction`` type enum value: ``Promote``, ``Expand``, ``Custom``, or
1290 ``Legal``.  ``SparcISelLowering.cpp`` contains examples of all four
1291 ``LegalAction`` values.
1292
1293 Promote
1294 ^^^^^^^
1295
1296 For an operation without native support for a given type, the specified type
1297 may be promoted to a larger type that is supported.  For example, SPARC does
1298 not support a sign-extending load for Boolean values (``i1`` type), so in
1299 ``SparcISelLowering.cpp`` the third parameter below, ``Promote``, changes
1300 ``i1`` type values to a large type before loading.
1301
1302 .. code-block:: c++
1303
1304   setLoadExtAction(ISD::SEXTLOAD, MVT::i1, Promote);
1305
1306 Expand
1307 ^^^^^^
1308
1309 For a type without native support, a value may need to be broken down further,
1310 rather than promoted.  For an operation without native support, a combination
1311 of other operations may be used to similar effect.  In SPARC, the
1312 floating-point sine and cosine trig operations are supported by expansion to
1313 other operations, as indicated by the third parameter, ``Expand``, to
1314 ``setOperationAction``:
1315
1316 .. code-block:: c++
1317
1318   setOperationAction(ISD::FSIN, MVT::f32, Expand);
1319   setOperationAction(ISD::FCOS, MVT::f32, Expand);
1320
1321 Custom
1322 ^^^^^^
1323
1324 For some operations, simple type promotion or operation expansion may be
1325 insufficient.  In some cases, a special intrinsic function must be implemented.
1326
1327 For example, a constant value may require special treatment, or an operation
1328 may require spilling and restoring registers in the stack and working with
1329 register allocators.
1330
1331 As seen in ``SparcISelLowering.cpp`` code below, to perform a type conversion
1332 from a floating point value to a signed integer, first the
1333 ``setOperationAction`` should be called with ``Custom`` as the third parameter:
1334
1335 .. code-block:: c++
1336
1337   setOperationAction(ISD::FP_TO_SINT, MVT::i32, Custom);
1338
1339 In the ``LowerOperation`` method, for each ``Custom`` operation, a case
1340 statement should be added to indicate what function to call.  In the following
1341 code, an ``FP_TO_SINT`` opcode will call the ``LowerFP_TO_SINT`` method:
1342
1343 .. code-block:: c++
1344
1345   SDValue SparcTargetLowering::LowerOperation(SDValue Op, SelectionDAG &DAG) {
1346     switch (Op.getOpcode()) {
1347     case ISD::FP_TO_SINT: return LowerFP_TO_SINT(Op, DAG);
1348     ...
1349     }
1350   }
1351
1352 Finally, the ``LowerFP_TO_SINT`` method is implemented, using an FP register to
1353 convert the floating-point value to an integer.
1354
1355 .. code-block:: c++
1356
1357   static SDValue LowerFP_TO_SINT(SDValue Op, SelectionDAG &DAG) {
1358     assert(Op.getValueType() == MVT::i32);
1359     Op = DAG.getNode(SPISD::FTOI, MVT::f32, Op.getOperand(0));
1360     return DAG.getNode(ISD::BITCAST, MVT::i32, Op);
1361   }
1362
1363 Legal
1364 ^^^^^
1365
1366 The ``Legal`` ``LegalizeAction`` enum value simply indicates that an operation
1367 **is** natively supported.  ``Legal`` represents the default condition, so it
1368 is rarely used.  In ``SparcISelLowering.cpp``, the action for ``CTPOP`` (an
1369 operation to count the bits set in an integer) is natively supported only for
1370 SPARC v9.  The following code enables the ``Expand`` conversion technique for
1371 non-v9 SPARC implementations.
1372
1373 .. code-block:: c++
1374
1375   setOperationAction(ISD::CTPOP, MVT::i32, Expand);
1376   ...
1377   if (TM.getSubtarget<SparcSubtarget>().isV9())
1378     setOperationAction(ISD::CTPOP, MVT::i32, Legal);
1379
1380 Calling Conventions
1381 -------------------
1382
1383 To support target-specific calling conventions, ``XXXGenCallingConv.td`` uses
1384 interfaces (such as ``CCIfType`` and ``CCAssignToReg``) that are defined in
1385 ``lib/Target/TargetCallingConv.td``.  TableGen can take the target descriptor
1386 file ``XXXGenCallingConv.td`` and generate the header file
1387 ``XXXGenCallingConv.inc``, which is typically included in
1388 ``XXXISelLowering.cpp``.  You can use the interfaces in
1389 ``TargetCallingConv.td`` to specify:
1390
1391 * The order of parameter allocation.
1392
1393 * Where parameters and return values are placed (that is, on the stack or in
1394   registers).
1395
1396 * Which registers may be used.
1397
1398 * Whether the caller or callee unwinds the stack.
1399
1400 The following example demonstrates the use of the ``CCIfType`` and
1401 ``CCAssignToReg`` interfaces.  If the ``CCIfType`` predicate is true (that is,
1402 if the current argument is of type ``f32`` or ``f64``), then the action is
1403 performed.  In this case, the ``CCAssignToReg`` action assigns the argument
1404 value to the first available register: either ``R0`` or ``R1``.
1405
1406 .. code-block:: llvm
1407
1408   CCIfType<[f32,f64], CCAssignToReg<[R0, R1]>>
1409
1410 ``SparcCallingConv.td`` contains definitions for a target-specific return-value
1411 calling convention (``RetCC_Sparc32``) and a basic 32-bit C calling convention
1412 (``CC_Sparc32``).  The definition of ``RetCC_Sparc32`` (shown below) indicates
1413 which registers are used for specified scalar return types.  A single-precision
1414 float is returned to register ``F0``, and a double-precision float goes to
1415 register ``D0``.  A 32-bit integer is returned in register ``I0`` or ``I1``.
1416
1417 .. code-block:: llvm
1418
1419   def RetCC_Sparc32 : CallingConv<[
1420     CCIfType<[i32], CCAssignToReg<[I0, I1]>>,
1421     CCIfType<[f32], CCAssignToReg<[F0]>>,
1422     CCIfType<[f64], CCAssignToReg<[D0]>>
1423   ]>;
1424
1425 The definition of ``CC_Sparc32`` in ``SparcCallingConv.td`` introduces
1426 ``CCAssignToStack``, which assigns the value to a stack slot with the specified
1427 size and alignment.  In the example below, the first parameter, 4, indicates
1428 the size of the slot, and the second parameter, also 4, indicates the stack
1429 alignment along 4-byte units.  (Special cases: if size is zero, then the ABI
1430 size is used; if alignment is zero, then the ABI alignment is used.)
1431
1432 .. code-block:: llvm
1433
1434   def CC_Sparc32 : CallingConv<[
1435     // All arguments get passed in integer registers if there is space.
1436     CCIfType<[i32, f32, f64], CCAssignToReg<[I0, I1, I2, I3, I4, I5]>>,
1437     CCAssignToStack<4, 4>
1438   ]>;
1439
1440 ``CCDelegateTo`` is another commonly used interface, which tries to find a
1441 specified sub-calling convention, and, if a match is found, it is invoked.  In
1442 the following example (in ``X86CallingConv.td``), the definition of
1443 ``RetCC_X86_32_C`` ends with ``CCDelegateTo``.  After the current value is
1444 assigned to the register ``ST0`` or ``ST1``, the ``RetCC_X86Common`` is
1445 invoked.
1446
1447 .. code-block:: llvm
1448
1449   def RetCC_X86_32_C : CallingConv<[
1450     CCIfType<[f32], CCAssignToReg<[ST0, ST1]>>,
1451     CCIfType<[f64], CCAssignToReg<[ST0, ST1]>>,
1452     CCDelegateTo<RetCC_X86Common>
1453   ]>;
1454
1455 ``CCIfCC`` is an interface that attempts to match the given name to the current
1456 calling convention.  If the name identifies the current calling convention,
1457 then a specified action is invoked.  In the following example (in
1458 ``X86CallingConv.td``), if the ``Fast`` calling convention is in use, then
1459 ``RetCC_X86_32_Fast`` is invoked.  If the ``SSECall`` calling convention is in
1460 use, then ``RetCC_X86_32_SSE`` is invoked.
1461
1462 .. code-block:: llvm
1463
1464   def RetCC_X86_32 : CallingConv<[
1465     CCIfCC<"CallingConv::Fast", CCDelegateTo<RetCC_X86_32_Fast>>,
1466     CCIfCC<"CallingConv::X86_SSECall", CCDelegateTo<RetCC_X86_32_SSE>>,
1467     CCDelegateTo<RetCC_X86_32_C>
1468   ]>;
1469
1470 Other calling convention interfaces include:
1471
1472 * ``CCIf <predicate, action>`` --- If the predicate matches, apply the action.
1473
1474 * ``CCIfInReg <action>`` --- If the argument is marked with the "``inreg``"
1475   attribute, then apply the action.
1476
1477 * ``CCIfNest <action>`` --- If the argument is marked with the "``nest``"
1478   attribute, then apply the action.
1479
1480 * ``CCIfNotVarArg <action>`` --- If the current function does not take a
1481   variable number of arguments, apply the action.
1482
1483 * ``CCAssignToRegWithShadow <registerList, shadowList>`` --- similar to
1484   ``CCAssignToReg``, but with a shadow list of registers.
1485
1486 * ``CCPassByVal <size, align>`` --- Assign value to a stack slot with the
1487   minimum specified size and alignment.
1488
1489 * ``CCPromoteToType <type>`` --- Promote the current value to the specified
1490   type.
1491
1492 * ``CallingConv <[actions]>`` --- Define each calling convention that is
1493   supported.
1494
1495 Assembly Printer
1496 ================
1497
1498 During the code emission stage, the code generator may utilize an LLVM pass to
1499 produce assembly output.  To do this, you want to implement the code for a
1500 printer that converts LLVM IR to a GAS-format assembly language for your target
1501 machine, using the following steps:
1502
1503 * Define all the assembly strings for your target, adding them to the
1504   instructions defined in the ``XXXInstrInfo.td`` file.  (See
1505   :ref:`instruction-set`.)  TableGen will produce an output file
1506   (``XXXGenAsmWriter.inc``) with an implementation of the ``printInstruction``
1507   method for the ``XXXAsmPrinter`` class.
1508
1509 * Write ``XXXTargetAsmInfo.h``, which contains the bare-bones declaration of
1510   the ``XXXTargetAsmInfo`` class (a subclass of ``TargetAsmInfo``).
1511
1512 * Write ``XXXTargetAsmInfo.cpp``, which contains target-specific values for
1513   ``TargetAsmInfo`` properties and sometimes new implementations for methods.
1514
1515 * Write ``XXXAsmPrinter.cpp``, which implements the ``AsmPrinter`` class that
1516   performs the LLVM-to-assembly conversion.
1517
1518 The code in ``XXXTargetAsmInfo.h`` is usually a trivial declaration of the
1519 ``XXXTargetAsmInfo`` class for use in ``XXXTargetAsmInfo.cpp``.  Similarly,
1520 ``XXXTargetAsmInfo.cpp`` usually has a few declarations of ``XXXTargetAsmInfo``
1521 replacement values that override the default values in ``TargetAsmInfo.cpp``.
1522 For example in ``SparcTargetAsmInfo.cpp``:
1523
1524 .. code-block:: c++
1525
1526   SparcTargetAsmInfo::SparcTargetAsmInfo(const SparcTargetMachine &TM) {
1527     Data16bitsDirective = "\t.half\t";
1528     Data32bitsDirective = "\t.word\t";
1529     Data64bitsDirective = 0;  // .xword is only supported by V9.
1530     ZeroDirective = "\t.skip\t";
1531     CommentString = "!";
1532     ConstantPoolSection = "\t.section \".rodata\",#alloc\n";
1533   }
1534
1535 The X86 assembly printer implementation (``X86TargetAsmInfo``) is an example
1536 where the target specific ``TargetAsmInfo`` class uses an overridden methods:
1537 ``ExpandInlineAsm``.
1538
1539 A target-specific implementation of ``AsmPrinter`` is written in
1540 ``XXXAsmPrinter.cpp``, which implements the ``AsmPrinter`` class that converts
1541 the LLVM to printable assembly.  The implementation must include the following
1542 headers that have declarations for the ``AsmPrinter`` and
1543 ``MachineFunctionPass`` classes.  The ``MachineFunctionPass`` is a subclass of
1544 ``FunctionPass``.
1545
1546 .. code-block:: c++
1547
1548   #include "llvm/CodeGen/AsmPrinter.h"
1549   #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
1550
1551 As a ``FunctionPass``, ``AsmPrinter`` first calls ``doInitialization`` to set
1552 up the ``AsmPrinter``.  In ``SparcAsmPrinter``, a ``Mangler`` object is
1553 instantiated to process variable names.
1554
1555 In ``XXXAsmPrinter.cpp``, the ``runOnMachineFunction`` method (declared in
1556 ``MachineFunctionPass``) must be implemented for ``XXXAsmPrinter``.  In
1557 ``MachineFunctionPass``, the ``runOnFunction`` method invokes
1558 ``runOnMachineFunction``.  Target-specific implementations of
1559 ``runOnMachineFunction`` differ, but generally do the following to process each
1560 machine function:
1561
1562 * Call ``SetupMachineFunction`` to perform initialization.
1563
1564 * Call ``EmitConstantPool`` to print out (to the output stream) constants which
1565   have been spilled to memory.
1566
1567 * Call ``EmitJumpTableInfo`` to print out jump tables used by the current
1568   function.
1569
1570 * Print out the label for the current function.
1571
1572 * Print out the code for the function, including basic block labels and the
1573   assembly for the instruction (using ``printInstruction``)
1574
1575 The ``XXXAsmPrinter`` implementation must also include the code generated by
1576 TableGen that is output in the ``XXXGenAsmWriter.inc`` file.  The code in
1577 ``XXXGenAsmWriter.inc`` contains an implementation of the ``printInstruction``
1578 method that may call these methods:
1579
1580 * ``printOperand``
1581 * ``printMemOperand``
1582 * ``printCCOperand`` (for conditional statements)
1583 * ``printDataDirective``
1584 * ``printDeclare``
1585 * ``printImplicitDef``
1586 * ``printInlineAsm``
1587
1588 The implementations of ``printDeclare``, ``printImplicitDef``,
1589 ``printInlineAsm``, and ``printLabel`` in ``AsmPrinter.cpp`` are generally
1590 adequate for printing assembly and do not need to be overridden.
1591
1592 The ``printOperand`` method is implemented with a long ``switch``/``case``
1593 statement for the type of operand: register, immediate, basic block, external
1594 symbol, global address, constant pool index, or jump table index.  For an
1595 instruction with a memory address operand, the ``printMemOperand`` method
1596 should be implemented to generate the proper output.  Similarly,
1597 ``printCCOperand`` should be used to print a conditional operand.
1598
1599 ``doFinalization`` should be overridden in ``XXXAsmPrinter``, and it should be
1600 called to shut down the assembly printer.  During ``doFinalization``, global
1601 variables and constants are printed to output.
1602
1603 Subtarget Support
1604 =================
1605
1606 Subtarget support is used to inform the code generation process of instruction
1607 set variations for a given chip set.  For example, the LLVM SPARC
1608 implementation provided covers three major versions of the SPARC microprocessor
1609 architecture: Version 8 (V8, which is a 32-bit architecture), Version 9 (V9, a
1610 64-bit architecture), and the UltraSPARC architecture.  V8 has 16
1611 double-precision floating-point registers that are also usable as either 32
1612 single-precision or 8 quad-precision registers.  V8 is also purely big-endian.
1613 V9 has 32 double-precision floating-point registers that are also usable as 16
1614 quad-precision registers, but cannot be used as single-precision registers.
1615 The UltraSPARC architecture combines V9 with UltraSPARC Visual Instruction Set
1616 extensions.
1617
1618 If subtarget support is needed, you should implement a target-specific
1619 ``XXXSubtarget`` class for your architecture.  This class should process the
1620 command-line options ``-mcpu=`` and ``-mattr=``.
1621
1622 TableGen uses definitions in the ``Target.td`` and ``Sparc.td`` files to
1623 generate code in ``SparcGenSubtarget.inc``.  In ``Target.td``, shown below, the
1624 ``SubtargetFeature`` interface is defined.  The first 4 string parameters of
1625 the ``SubtargetFeature`` interface are a feature name, an attribute set by the
1626 feature, the value of the attribute, and a description of the feature.  (The
1627 fifth parameter is a list of features whose presence is implied, and its
1628 default value is an empty array.)
1629
1630 .. code-block:: llvm
1631
1632   class SubtargetFeature<string n, string a, string v, string d,
1633                          list<SubtargetFeature> i = []> {
1634     string Name = n;
1635     string Attribute = a;
1636     string Value = v;
1637     string Desc = d;
1638     list<SubtargetFeature> Implies = i;
1639   }
1640
1641 In the ``Sparc.td`` file, the ``SubtargetFeature`` is used to define the
1642 following features.
1643
1644 .. code-block:: llvm
1645
1646   def FeatureV9 : SubtargetFeature<"v9", "IsV9", "true",
1647                        "Enable SPARC-V9 instructions">;
1648   def FeatureV8Deprecated : SubtargetFeature<"deprecated-v8",
1649                        "V8DeprecatedInsts", "true",
1650                        "Enable deprecated V8 instructions in V9 mode">;
1651   def FeatureVIS : SubtargetFeature<"vis", "IsVIS", "true",
1652                        "Enable UltraSPARC Visual Instruction Set extensions">;
1653
1654 Elsewhere in ``Sparc.td``, the ``Proc`` class is defined and then is used to
1655 define particular SPARC processor subtypes that may have the previously
1656 described features.
1657
1658 .. code-block:: llvm
1659
1660   class Proc<string Name, list<SubtargetFeature> Features>
1661     : Processor<Name, NoItineraries, Features>;
1662
1663   def : Proc<"generic",         []>;
1664   def : Proc<"v8",              []>;
1665   def : Proc<"supersparc",      []>;
1666   def : Proc<"sparclite",       []>;
1667   def : Proc<"f934",            []>;
1668   def : Proc<"hypersparc",      []>;
1669   def : Proc<"sparclite86x",    []>;
1670   def : Proc<"sparclet",        []>;
1671   def : Proc<"tsc701",          []>;
1672   def : Proc<"v9",              [FeatureV9]>;
1673   def : Proc<"ultrasparc",      [FeatureV9, FeatureV8Deprecated]>;
1674   def : Proc<"ultrasparc3",     [FeatureV9, FeatureV8Deprecated]>;
1675   def : Proc<"ultrasparc3-vis", [FeatureV9, FeatureV8Deprecated, FeatureVIS]>;
1676
1677 From ``Target.td`` and ``Sparc.td`` files, the resulting
1678 ``SparcGenSubtarget.inc`` specifies enum values to identify the features,
1679 arrays of constants to represent the CPU features and CPU subtypes, and the
1680 ``ParseSubtargetFeatures`` method that parses the features string that sets
1681 specified subtarget options.  The generated ``SparcGenSubtarget.inc`` file
1682 should be included in the ``SparcSubtarget.cpp``.  The target-specific
1683 implementation of the ``XXXSubtarget`` method should follow this pseudocode:
1684
1685 .. code-block:: c++
1686
1687   XXXSubtarget::XXXSubtarget(const Module &M, const std::string &FS) {
1688     // Set the default features
1689     // Determine default and user specified characteristics of the CPU
1690     // Call ParseSubtargetFeatures(FS, CPU) to parse the features string
1691     // Perform any additional operations
1692   }
1693
1694 JIT Support
1695 ===========
1696
1697 The implementation of a target machine optionally includes a Just-In-Time (JIT)
1698 code generator that emits machine code and auxiliary structures as binary
1699 output that can be written directly to memory.  To do this, implement JIT code
1700 generation by performing the following steps:
1701
1702 * Write an ``XXXCodeEmitter.cpp`` file that contains a machine function pass
1703   that transforms target-machine instructions into relocatable machine
1704   code.
1705
1706 * Write an ``XXXJITInfo.cpp`` file that implements the JIT interfaces for
1707   target-specific code-generation activities, such as emitting machine code and
1708   stubs.
1709
1710 * Modify ``XXXTargetMachine`` so that it provides a ``TargetJITInfo`` object
1711   through its ``getJITInfo`` method.
1712
1713 There are several different approaches to writing the JIT support code.  For
1714 instance, TableGen and target descriptor files may be used for creating a JIT
1715 code generator, but are not mandatory.  For the Alpha and PowerPC target
1716 machines, TableGen is used to generate ``XXXGenCodeEmitter.inc``, which
1717 contains the binary coding of machine instructions and the
1718 ``getBinaryCodeForInstr`` method to access those codes.  Other JIT
1719 implementations do not.
1720
1721 Both ``XXXJITInfo.cpp`` and ``XXXCodeEmitter.cpp`` must include the
1722 ``llvm/CodeGen/MachineCodeEmitter.h`` header file that defines the
1723 ``MachineCodeEmitter`` class containing code for several callback functions
1724 that write data (in bytes, words, strings, etc.) to the output stream.
1725
1726 Machine Code Emitter
1727 --------------------
1728
1729 In ``XXXCodeEmitter.cpp``, a target-specific of the ``Emitter`` class is
1730 implemented as a function pass (subclass of ``MachineFunctionPass``).  The
1731 target-specific implementation of ``runOnMachineFunction`` (invoked by
1732 ``runOnFunction`` in ``MachineFunctionPass``) iterates through the
1733 ``MachineBasicBlock`` calls ``emitInstruction`` to process each instruction and
1734 emit binary code.  ``emitInstruction`` is largely implemented with case
1735 statements on the instruction types defined in ``XXXInstrInfo.h``.  For
1736 example, in ``X86CodeEmitter.cpp``, the ``emitInstruction`` method is built
1737 around the following ``switch``/``case`` statements:
1738
1739 .. code-block:: c++
1740
1741   switch (Desc->TSFlags & X86::FormMask) {
1742   case X86II::Pseudo:  // for not yet implemented instructions
1743      ...               // or pseudo-instructions
1744      break;
1745   case X86II::RawFrm:  // for instructions with a fixed opcode value
1746      ...
1747      break;
1748   case X86II::AddRegFrm: // for instructions that have one register operand
1749      ...                 // added to their opcode
1750      break;
1751   case X86II::MRMDestReg:// for instructions that use the Mod/RM byte
1752      ...                 // to specify a destination (register)
1753      break;
1754   case X86II::MRMDestMem:// for instructions that use the Mod/RM byte
1755      ...                 // to specify a destination (memory)
1756      break;
1757   case X86II::MRMSrcReg: // for instructions that use the Mod/RM byte
1758      ...                 // to specify a source (register)
1759      break;
1760   case X86II::MRMSrcMem: // for instructions that use the Mod/RM byte
1761      ...                 // to specify a source (memory)
1762      break;
1763   case X86II::MRM0r: case X86II::MRM1r:  // for instructions that operate on
1764   case X86II::MRM2r: case X86II::MRM3r:  // a REGISTER r/m operand and
1765   case X86II::MRM4r: case X86II::MRM5r:  // use the Mod/RM byte and a field
1766   case X86II::MRM6r: case X86II::MRM7r:  // to hold extended opcode data
1767      ...
1768      break;
1769   case X86II::MRM0m: case X86II::MRM1m:  // for instructions that operate on
1770   case X86II::MRM2m: case X86II::MRM3m:  // a MEMORY r/m operand and
1771   case X86II::MRM4m: case X86II::MRM5m:  // use the Mod/RM byte and a field
1772   case X86II::MRM6m: case X86II::MRM7m:  // to hold extended opcode data
1773      ...
1774      break;
1775   case X86II::MRMInitReg: // for instructions whose source and
1776      ...                  // destination are the same register
1777      break;
1778   }
1779
1780 The implementations of these case statements often first emit the opcode and
1781 then get the operand(s).  Then depending upon the operand, helper methods may
1782 be called to process the operand(s).  For example, in ``X86CodeEmitter.cpp``,
1783 for the ``X86II::AddRegFrm`` case, the first data emitted (by ``emitByte``) is
1784 the opcode added to the register operand.  Then an object representing the
1785 machine operand, ``MO1``, is extracted.  The helper methods such as
1786 ``isImmediate``, ``isGlobalAddress``, ``isExternalSymbol``,
1787 ``isConstantPoolIndex``, and ``isJumpTableIndex`` determine the operand type.
1788 (``X86CodeEmitter.cpp`` also has private methods such as ``emitConstant``,
1789 ``emitGlobalAddress``, ``emitExternalSymbolAddress``, ``emitConstPoolAddress``,
1790 and ``emitJumpTableAddress`` that emit the data into the output stream.)
1791
1792 .. code-block:: c++
1793
1794   case X86II::AddRegFrm:
1795     MCE.emitByte(BaseOpcode + getX86RegNum(MI.getOperand(CurOp++).getReg()));
1796
1797     if (CurOp != NumOps) {
1798       const MachineOperand &MO1 = MI.getOperand(CurOp++);
1799       unsigned Size = X86InstrInfo::sizeOfImm(Desc);
1800       if (MO1.isImmediate())
1801         emitConstant(MO1.getImm(), Size);
1802       else {
1803         unsigned rt = Is64BitMode ? X86::reloc_pcrel_word
1804           : (IsPIC ? X86::reloc_picrel_word : X86::reloc_absolute_word);
1805         if (Opcode == X86::MOV64ri)
1806           rt = X86::reloc_absolute_dword;  // FIXME: add X86II flag?
1807         if (MO1.isGlobalAddress()) {
1808           bool NeedStub = isa<Function>(MO1.getGlobal());
1809           bool isLazy = gvNeedsLazyPtr(MO1.getGlobal());
1810           emitGlobalAddress(MO1.getGlobal(), rt, MO1.getOffset(), 0,
1811                             NeedStub, isLazy);
1812         } else if (MO1.isExternalSymbol())
1813           emitExternalSymbolAddress(MO1.getSymbolName(), rt);
1814         else if (MO1.isConstantPoolIndex())
1815           emitConstPoolAddress(MO1.getIndex(), rt);
1816         else if (MO1.isJumpTableIndex())
1817           emitJumpTableAddress(MO1.getIndex(), rt);
1818       }
1819     }
1820     break;
1821
1822 In the previous example, ``XXXCodeEmitter.cpp`` uses the variable ``rt``, which
1823 is a ``RelocationType`` enum that may be used to relocate addresses (for
1824 example, a global address with a PIC base offset).  The ``RelocationType`` enum
1825 for that target is defined in the short target-specific ``XXXRelocations.h``
1826 file.  The ``RelocationType`` is used by the ``relocate`` method defined in
1827 ``XXXJITInfo.cpp`` to rewrite addresses for referenced global symbols.
1828
1829 For example, ``X86Relocations.h`` specifies the following relocation types for
1830 the X86 addresses.  In all four cases, the relocated value is added to the
1831 value already in memory.  For ``reloc_pcrel_word`` and ``reloc_picrel_word``,
1832 there is an additional initial adjustment.
1833
1834 .. code-block:: c++
1835
1836   enum RelocationType {
1837     reloc_pcrel_word = 0,    // add reloc value after adjusting for the PC loc
1838     reloc_picrel_word = 1,   // add reloc value after adjusting for the PIC base
1839     reloc_absolute_word = 2, // absolute relocation; no additional adjustment
1840     reloc_absolute_dword = 3 // absolute relocation; no additional adjustment
1841   };
1842
1843 Target JIT Info
1844 ---------------
1845
1846 ``XXXJITInfo.cpp`` implements the JIT interfaces for target-specific
1847 code-generation activities, such as emitting machine code and stubs.  At
1848 minimum, a target-specific version of ``XXXJITInfo`` implements the following:
1849
1850 * ``getLazyResolverFunction`` --- Initializes the JIT, gives the target a
1851   function that is used for compilation.
1852
1853 * ``emitFunctionStub`` --- Returns a native function with a specified address
1854   for a callback function.
1855
1856 * ``relocate`` --- Changes the addresses of referenced globals, based on
1857   relocation types.
1858
1859 * Callback function that are wrappers to a function stub that is used when the
1860   real target is not initially known.
1861
1862 ``getLazyResolverFunction`` is generally trivial to implement.  It makes the
1863 incoming parameter as the global ``JITCompilerFunction`` and returns the
1864 callback function that will be used a function wrapper.  For the Alpha target
1865 (in ``AlphaJITInfo.cpp``), the ``getLazyResolverFunction`` implementation is
1866 simply:
1867
1868 .. code-block:: c++
1869
1870   TargetJITInfo::LazyResolverFn AlphaJITInfo::getLazyResolverFunction(
1871                                               JITCompilerFn F) {
1872     JITCompilerFunction = F;
1873     return AlphaCompilationCallback;
1874   }
1875
1876 For the X86 target, the ``getLazyResolverFunction`` implementation is a little
1877 more complicated, because it returns a different callback function for
1878 processors with SSE instructions and XMM registers.
1879
1880 The callback function initially saves and later restores the callee register
1881 values, incoming arguments, and frame and return address.  The callback
1882 function needs low-level access to the registers or stack, so it is typically
1883 implemented with assembler.
1884