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