lib/Target/X86/MCTargetDesc/X86AsmBackend.cpp

   1 //===-- X86AsmBackend.cpp - X86 Assembler Backend -------------------------===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
   6 // License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9
  10 #include "llvm/MC/MCAsmBackend.h"
  11 #include "MCTargetDesc/X86BaseInfo.h"
  12 #include "MCTargetDesc/X86FixupKinds.h"
  13 #include "llvm/ADT/Twine.h"
  14 #include "llvm/MC/MCAssembler.h"
  15 #include "llvm/MC/MCELFObjectWriter.h"
  16 #include "llvm/MC/MCExpr.h"
  17 #include "llvm/MC/MCFixupKindInfo.h"
  18 #include "llvm/MC/MCMachObjectWriter.h"
  19 #include "llvm/MC/MCObjectWriter.h"
  20 #include "llvm/MC/MCSectionCOFF.h"
  21 #include "llvm/MC/MCSectionELF.h"
  22 #include "llvm/MC/MCSectionMachO.h"
  23 #include "llvm/Object/MachOFormat.h"
  24 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  25 #include "llvm/Support/ELF.h"
  26 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
  27 #include "llvm/Support/TargetRegistry.h"
  28 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  29 using namespace llvm;
  30
  31 // Option to allow disabling arithmetic relaxation to workaround PR9807, which
  32 // is useful when running bitwise comparison experiments on Darwin. We should be
  33 // able to remove this once PR9807 is resolved.
  34 static cl::opt<bool>
  35 MCDisableArithRelaxation("mc-x86-disable-arith-relaxation",
  36          cl::desc("Disable relaxation of arithmetic instruction for X86"));
  37
  38 static unsigned getFixupKindLog2Size(unsigned Kind) {
  39   switch (Kind) {
  40   default: llvm_unreachable("invalid fixup kind!");
  41   case FK_PCRel_1:
  42   case FK_SecRel_1:
  43   case FK_Data_1: return 0;
  44   case FK_PCRel_2:
  45   case FK_SecRel_2:
  46   case FK_Data_2: return 1;
  47   case FK_PCRel_4:
  48   case X86::reloc_riprel_4byte:
  49   case X86::reloc_riprel_4byte_movq_load:
  50   case X86::reloc_signed_4byte:
  51   case X86::reloc_global_offset_table:
  52   case FK_SecRel_4:
  53   case FK_Data_4: return 2;
  54   case FK_PCRel_8:
  55   case FK_SecRel_8:
  56   case FK_Data_8: return 3;
  57   }
  58 }
  59
  60 namespace {
  61
  62 class X86ELFObjectWriter : public MCELFObjectTargetWriter {
  63 public:
  64   X86ELFObjectWriter(bool is64Bit, uint8_t OSABI, uint16_t EMachine,
  65                      bool HasRelocationAddend, bool foobar)
  66     : MCELFObjectTargetWriter(is64Bit, OSABI, EMachine, HasRelocationAddend) {}
  67 };
  68
  69 class X86AsmBackend : public MCAsmBackend {
  70 public:
  71   X86AsmBackend(const Target &T)
  72     : MCAsmBackend() {}
  73
  74   unsigned getNumFixupKinds() const {
  75     return X86::NumTargetFixupKinds;
  76   }
  77
  78   const MCFixupKindInfo &getFixupKindInfo(MCFixupKind Kind) const {
  79     const static MCFixupKindInfo Infos[X86::NumTargetFixupKinds] = {
  80       { "reloc_riprel_4byte", 0, 4 * 8, MCFixupKindInfo::FKF_IsPCRel },
  81       { "reloc_riprel_4byte_movq_load", 0, 4 * 8, MCFixupKindInfo::FKF_IsPCRel},
  82       { "reloc_signed_4byte", 0, 4 * 8, 0},
  83       { "reloc_global_offset_table", 0, 4 * 8, 0}
  84     };
  85
  86     if (Kind < FirstTargetFixupKind)
  87       return MCAsmBackend::getFixupKindInfo(Kind);
  88
  89     assert(unsigned(Kind - FirstTargetFixupKind) < getNumFixupKinds() &&
  90            "Invalid kind!");
  91     return Infos[Kind - FirstTargetFixupKind];
  92   }
  93
  94   void applyFixup(const MCFixup &Fixup, char *Data, unsigned DataSize,
  95                   uint64_t Value) const {
  96     unsigned Size = 1 << getFixupKindLog2Size(Fixup.getKind());
  97
  98     assert(Fixup.getOffset() + Size <= DataSize &&
  99            "Invalid fixup offset!");
 100
 101     // Check that uppper bits are either all zeros or all ones.
 102     // Specifically ignore overflow/underflow as long as the leakage is
 103     // limited to the lower bits. This is to remain compatible with
 104     // other assemblers.
 105     assert(isIntN(Size * 8 + 1, Value) &&
 106            "Value does not fit in the Fixup field");
 107
 108     for (unsigned i = 0; i != Size; ++i)
 109       Data[Fixup.getOffset() + i] = uint8_t(Value >> (i * 8));
 110   }
 111
 112   bool mayNeedRelaxation(const MCInst &Inst) const;
 113
 114   bool fixupNeedsRelaxation(const MCFixup &Fixup,
 115                             uint64_t Value,
 116                             const MCInstFragment *DF,
 117                             const MCAsmLayout &Layout) const;
 118
 119   void relaxInstruction(const MCInst &Inst, MCInst &Res) const;
 120
 121   bool writeNopData(uint64_t Count, MCObjectWriter *OW) const;
 122 };
 123 } // end anonymous namespace
 124
 125 static unsigned getRelaxedOpcodeBranch(unsigned Op) {
 126   switch (Op) {
 127   default:
 128     return Op;
 129
 130   case X86::JAE_1: return X86::JAE_4;
 131   case X86::JA_1:  return X86::JA_4;
 132   case X86::JBE_1: return X86::JBE_4;
 133   case X86::JB_1:  return X86::JB_4;
 134   case X86::JE_1:  return X86::JE_4;
 135   case X86::JGE_1: return X86::JGE_4;
 136   case X86::JG_1:  return X86::JG_4;
 137   case X86::JLE_1: return X86::JLE_4;
 138   case X86::JL_1:  return X86::JL_4;
 139   case X86::JMP_1: return X86::JMP_4;
 140   case X86::JNE_1: return X86::JNE_4;
 141   case X86::JNO_1: return X86::JNO_4;
 142   case X86::JNP_1: return X86::JNP_4;
 143   case X86::JNS_1: return X86::JNS_4;
 144   case X86::JO_1:  return X86::JO_4;
 145   case X86::JP_1:  return X86::JP_4;
 146   case X86::JS_1:  return X86::JS_4;
 147   }
 148 }
 149
 150 static unsigned getRelaxedOpcodeArith(unsigned Op) {
 151   switch (Op) {
 152   default:
 153     return Op;
 154
 155     // IMUL
 156   case X86::IMUL16rri8: return X86::IMUL16rri;
 157   case X86::IMUL16rmi8: return X86::IMUL16rmi;
 158   case X86::IMUL32rri8: return X86::IMUL32rri;
 159   case X86::IMUL32rmi8: return X86::IMUL32rmi;
 160   case X86::IMUL64rri8: return X86::IMUL64rri32;
 161   case X86::IMUL64rmi8: return X86::IMUL64rmi32;
 162
 163     // AND
 164   case X86::AND16ri8: return X86::AND16ri;
 165   case X86::AND16mi8: return X86::AND16mi;
 166   case X86::AND32ri8: return X86::AND32ri;
 167   case X86::AND32mi8: return X86::AND32mi;
 168   case X86::AND64ri8: return X86::AND64ri32;
 169   case X86::AND64mi8: return X86::AND64mi32;
 170
 171     // OR
 172   case X86::OR16ri8: return X86::OR16ri;
 173   case X86::OR16mi8: return X86::OR16mi;
 174   case X86::OR32ri8: return X86::OR32ri;
 175   case X86::OR32mi8: return X86::OR32mi;
 176   case X86::OR64ri8: return X86::OR64ri32;
 177   case X86::OR64mi8: return X86::OR64mi32;
 178
 179     // XOR
 180   case X86::XOR16ri8: return X86::XOR16ri;
 181   case X86::XOR16mi8: return X86::XOR16mi;
 182   case X86::XOR32ri8: return X86::XOR32ri;
 183   case X86::XOR32mi8: return X86::XOR32mi;
 184   case X86::XOR64ri8: return X86::XOR64ri32;
 185   case X86::XOR64mi8: return X86::XOR64mi32;
 186
 187     // ADD
 188   case X86::ADD16ri8: return X86::ADD16ri;
 189   case X86::ADD16mi8: return X86::ADD16mi;
 190   case X86::ADD32ri8: return X86::ADD32ri;
 191   case X86::ADD32mi8: return X86::ADD32mi;
 192   case X86::ADD64ri8: return X86::ADD64ri32;
 193   case X86::ADD64mi8: return X86::ADD64mi32;
 194
 195     // SUB
 196   case X86::SUB16ri8: return X86::SUB16ri;
 197   case X86::SUB16mi8: return X86::SUB16mi;
 198   case X86::SUB32ri8: return X86::SUB32ri;
 199   case X86::SUB32mi8: return X86::SUB32mi;
 200   case X86::SUB64ri8: return X86::SUB64ri32;
 201   case X86::SUB64mi8: return X86::SUB64mi32;
 202
 203     // CMP
 204   case X86::CMP16ri8: return X86::CMP16ri;
 205   case X86::CMP16mi8: return X86::CMP16mi;
 206   case X86::CMP32ri8: return X86::CMP32ri;
 207   case X86::CMP32mi8: return X86::CMP32mi;
 208   case X86::CMP64ri8: return X86::CMP64ri32;
 209   case X86::CMP64mi8: return X86::CMP64mi32;
 210
 211     // PUSH
 212   case X86::PUSHi8: return X86::PUSHi32;
 213   case X86::PUSHi16: return X86::PUSHi32;
 214   case X86::PUSH64i8: return X86::PUSH64i32;
 215   case X86::PUSH64i16: return X86::PUSH64i32;
 216   }
 217 }
 218
 219 static unsigned getRelaxedOpcode(unsigned Op) {
 220   unsigned R = getRelaxedOpcodeArith(Op);
 221   if (R != Op)
 222     return R;
 223   return getRelaxedOpcodeBranch(Op);
 224 }
 225
 226 bool X86AsmBackend::mayNeedRelaxation(const MCInst &Inst) const {
 227   // Branches can always be relaxed.
 228   if (getRelaxedOpcodeBranch(Inst.getOpcode()) != Inst.getOpcode())
 229     return true;
 230
 231   if (MCDisableArithRelaxation)
 232     return false;
 233
 234   // Check if this instruction is ever relaxable.
 235   if (getRelaxedOpcodeArith(Inst.getOpcode()) == Inst.getOpcode())
 236     return false;
 237
 238
 239   // Check if it has an expression and is not RIP relative.
 240   bool hasExp = false;
 241   bool hasRIP = false;
 242   for (unsigned i = 0; i < Inst.getNumOperands(); ++i) {
 243     const MCOperand &Op = Inst.getOperand(i);
 244     if (Op.isExpr())
 245       hasExp = true;
 246
 247     if (Op.isReg() && Op.getReg() == X86::RIP)
 248       hasRIP = true;
 249   }
 250
 251   // FIXME: Why exactly do we need the !hasRIP? Is it just a limitation on
 252   // how we do relaxations?
 253   return hasExp && !hasRIP;
 254 }
 255
 256 bool X86AsmBackend::fixupNeedsRelaxation(const MCFixup &Fixup,
 257                                          uint64_t Value,
 258                                          const MCInstFragment *DF,
 259                                          const MCAsmLayout &Layout) const {
 260   // Relax if the value is too big for a (signed) i8.
 261   return int64_t(Value) != int64_t(int8_t(Value));
 262 }
 263
 264 // FIXME: Can tblgen help at all here to verify there aren't other instructions
 265 // we can relax?
 266 void X86AsmBackend::relaxInstruction(const MCInst &Inst, MCInst &Res) const {
 267   // The only relaxations X86 does is from a 1byte pcrel to a 4byte pcrel.
 268   unsigned RelaxedOp = getRelaxedOpcode(Inst.getOpcode());
 269
 270   if (RelaxedOp == Inst.getOpcode()) {
 271     SmallString<256> Tmp;
 272     raw_svector_ostream OS(Tmp);
 273     Inst.dump_pretty(OS);
 274     OS << "\n";
 275     report_fatal_error("unexpected instruction to relax: " + OS.str());
 276   }
 277
 278   Res = Inst;
 279   Res.setOpcode(RelaxedOp);
 280 }
 281
 282 /// writeNopData - Write optimal nops to the output file for the \arg Count
 283 /// bytes.  This returns the number of bytes written.  It may return 0 if
 284 /// the \arg Count is more than the maximum optimal nops.
 285 bool X86AsmBackend::writeNopData(uint64_t Count, MCObjectWriter *OW) const {
 286   static const uint8_t Nops[10][10] = {
 287     // nop
 288     {0x90},
 289     // xchg %ax,%ax
 290     {0x66, 0x90},
 291     // nopl (%[re]ax)
 292     {0x0f, 0x1f, 0x00},
 293     // nopl 0(%[re]ax)
 294     {0x0f, 0x1f, 0x40, 0x00},
 295     // nopl 0(%[re]ax,%[re]ax,1)
 296     {0x0f, 0x1f, 0x44, 0x00, 0x00},
 297     // nopw 0(%[re]ax,%[re]ax,1)
 298     {0x66, 0x0f, 0x1f, 0x44, 0x00, 0x00},
 299     // nopl 0L(%[re]ax)
 300     {0x0f, 0x1f, 0x80, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00},
 301     // nopl 0L(%[re]ax,%[re]ax,1)
 302     {0x0f, 0x1f, 0x84, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00},
 303     // nopw 0L(%[re]ax,%[re]ax,1)
 304     {0x66, 0x0f, 0x1f, 0x84, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00},
 305     // nopw %cs:0L(%[re]ax,%[re]ax,1)
 306     {0x66, 0x2e, 0x0f, 0x1f, 0x84, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00},
 307   };
 308
 309   // Write an optimal sequence for the first 15 bytes.
 310   const uint64_t OptimalCount = (Count < 16) ? Count : 15;
 311   const uint64_t Prefixes = OptimalCount <= 10 ? 0 : OptimalCount - 10;
 312   for (uint64_t i = 0, e = Prefixes; i != e; i++)
 313     OW->Write8(0x66);
 314   const uint64_t Rest = OptimalCount - Prefixes;
 315   for (uint64_t i = 0, e = Rest; i != e; i++)
 316     OW->Write8(Nops[Rest - 1][i]);
 317
 318   // Finish with single byte nops.
 319   for (uint64_t i = OptimalCount, e = Count; i != e; ++i)
 320    OW->Write8(0x90);
 321
 322   return true;
 323 }
 324
 325 /* *** */
 326
 327 namespace {
 328 class ELFX86AsmBackend : public X86AsmBackend {
 329 public:
 330   uint8_t OSABI;
 331   ELFX86AsmBackend(const Target &T, uint8_t _OSABI)
 332     : X86AsmBackend(T), OSABI(_OSABI) {
 333     HasReliableSymbolDifference = true;
 334   }
 335
 336   virtual bool doesSectionRequireSymbols(const MCSection &Section) const {
 337     const MCSectionELF &ES = static_cast<const MCSectionELF&>(Section);
 338     return ES.getFlags() & ELF::SHF_MERGE;
 339   }
 340 };
 341
 342 class ELFX86_32AsmBackend : public ELFX86AsmBackend {
 343 public:
 344   ELFX86_32AsmBackend(const Target &T, uint8_t OSABI)
 345     : ELFX86AsmBackend(T, OSABI) {}
 346
 347   MCObjectWriter *createObjectWriter(raw_ostream &OS) const {
 348     return createX86ELFObjectWriter(OS, /*Is64Bit*/ false, OSABI);
 349   }
 350 };
 351
 352 class ELFX86_64AsmBackend : public ELFX86AsmBackend {
 353 public:
 354   ELFX86_64AsmBackend(const Target &T, uint8_t OSABI)
 355     : ELFX86AsmBackend(T, OSABI) {}
 356
 357   MCObjectWriter *createObjectWriter(raw_ostream &OS) const {
 358     return createX86ELFObjectWriter(OS, /*Is64Bit*/ true, OSABI);
 359   }
 360 };
 361
 362 class WindowsX86AsmBackend : public X86AsmBackend {
 363   bool Is64Bit;
 364
 365 public:
 366   WindowsX86AsmBackend(const Target &T, bool is64Bit)
 367     : X86AsmBackend(T)
 368     , Is64Bit(is64Bit) {
 369   }
 370
 371   MCObjectWriter *createObjectWriter(raw_ostream &OS) const {
 372     return createX86WinCOFFObjectWriter(OS, Is64Bit);
 373   }
 374 };
 375
 376 class DarwinX86AsmBackend : public X86AsmBackend {
 377 public:
 378   DarwinX86AsmBackend(const Target &T)
 379     : X86AsmBackend(T) { }
 380 };
 381
 382 class DarwinX86_32AsmBackend : public DarwinX86AsmBackend {
 383 public:
 384   DarwinX86_32AsmBackend(const Target &T)
 385     : DarwinX86AsmBackend(T) {}
 386
 387   MCObjectWriter *createObjectWriter(raw_ostream &OS) const {
 388     return createX86MachObjectWriter(OS, /*Is64Bit=*/false,
 389                                      object::mach::CTM_i386,
 390                                      object::mach::CSX86_ALL);
 391   }
 392 };
 393
 394 class DarwinX86_64AsmBackend : public DarwinX86AsmBackend {
 395 public:
 396   DarwinX86_64AsmBackend(const Target &T)
 397     : DarwinX86AsmBackend(T) {
 398     HasReliableSymbolDifference = true;
 399   }
 400
 401   MCObjectWriter *createObjectWriter(raw_ostream &OS) const {
 402     return createX86MachObjectWriter(OS, /*Is64Bit=*/true,
 403                                      object::mach::CTM_x86_64,
 404                                      object::mach::CSX86_ALL);
 405   }
 406
 407   virtual bool doesSectionRequireSymbols(const MCSection &Section) const {
 408     // Temporary labels in the string literals sections require symbols. The
 409     // issue is that the x86_64 relocation format does not allow symbol +
 410     // offset, and so the linker does not have enough information to resolve the
 411     // access to the appropriate atom unless an external relocation is used. For
 412     // non-cstring sections, we expect the compiler to use a non-temporary label
 413     // for anything that could have an addend pointing outside the symbol.
 414     //
 415     // See <rdar://problem/4765733>.
 416     const MCSectionMachO &SMO = static_cast<const MCSectionMachO&>(Section);
 417     return SMO.getType() == MCSectionMachO::S_CSTRING_LITERALS;
 418   }
 419
 420   virtual bool isSectionAtomizable(const MCSection &Section) const {
 421     const MCSectionMachO &SMO = static_cast<const MCSectionMachO&>(Section);
 422     // Fixed sized data sections are uniqued, they cannot be diced into atoms.
 423     switch (SMO.getType()) {
 424     default:
 425       return true;
 426
 427     case MCSectionMachO::S_4BYTE_LITERALS:
 428     case MCSectionMachO::S_8BYTE_LITERALS:
 429     case MCSectionMachO::S_16BYTE_LITERALS:
 430     case MCSectionMachO::S_LITERAL_POINTERS:
 431     case MCSectionMachO::S_NON_LAZY_SYMBOL_POINTERS:
 432     case MCSectionMachO::S_LAZY_SYMBOL_POINTERS:
 433     case MCSectionMachO::S_MOD_INIT_FUNC_POINTERS:
 434     case MCSectionMachO::S_MOD_TERM_FUNC_POINTERS:
 435     case MCSectionMachO::S_INTERPOSING:
 436       return false;
 437     }
 438   }
 439 };
 440
 441 } // end anonymous namespace
 442
 443 MCAsmBackend *llvm::createX86_32AsmBackend(const Target &T, StringRef TT) {
 444   Triple TheTriple(TT);
 445
 446   if (TheTriple.isOSDarwin() || TheTriple.getEnvironment() == Triple::MachO)
 447     return new DarwinX86_32AsmBackend(T);
 448
 449   if (TheTriple.isOSWindows())
 450     return new WindowsX86AsmBackend(T, false);
 451
 452   uint8_t OSABI = MCELFObjectTargetWriter::getOSABI(TheTriple.getOS());
 453   return new ELFX86_32AsmBackend(T, OSABI);
 454 }
 455
 456 MCAsmBackend *llvm::createX86_64AsmBackend(const Target &T, StringRef TT) {
 457   Triple TheTriple(TT);
 458
 459   if (TheTriple.isOSDarwin() || TheTriple.getEnvironment() == Triple::MachO)
 460     return new DarwinX86_64AsmBackend(T);
 461
 462   if (TheTriple.isOSWindows())
 463     return new WindowsX86AsmBackend(T, true);
 464
 465   uint8_t OSABI = MCELFObjectTargetWriter::getOSABI(TheTriple.getOS());
 466   return new ELFX86_64AsmBackend(T, OSABI);
 467 }