Remove the default clause from a fully-covering switch
[llvm-core.git] / docs / TableGen / LangIntro.rst
blob460ff9067f201afa184370f4de9e7beff5ccf69c
1 ==============================
2 TableGen Language Introduction
3 ==============================
5 .. contents::
6    :local:
8 .. warning::
9    This document is extremely rough. If you find something lacking, please
10    fix it, file a documentation bug, or ask about it on llvm-dev.
12 Introduction
13 ============
15 This document is not meant to be a normative spec about the TableGen language
16 in and of itself (i.e. how to understand a given construct in terms of how
17 it affects the final set of records represented by the TableGen file). For
18 the formal language specification, see :doc:`LangRef`.
20 TableGen syntax
21 ===============
23 TableGen doesn't care about the meaning of data (that is up to the backend to
24 define), but it does care about syntax, and it enforces a simple type system.
25 This section describes the syntax and the constructs allowed in a TableGen file.
27 TableGen primitives
28 -------------------
30 TableGen comments
31 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
33 TableGen supports C++ style "``//``" comments, which run to the end of the
34 line, and it also supports **nestable** "``/* */``" comments.
36 .. _TableGen type:
38 The TableGen type system
39 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
41 TableGen files are strongly typed, in a simple (but complete) type-system.
42 These types are used to perform automatic conversions, check for errors, and to
43 help interface designers constrain the input that they allow.  Every `value
44 definition`_ is required to have an associated type.
46 TableGen supports a mixture of very low-level types (such as ``bit``) and very
47 high-level types (such as ``dag``).  This flexibility is what allows it to
48 describe a wide range of information conveniently and compactly.  The TableGen
49 types are:
51 ``bit``
52     A 'bit' is a boolean value that can hold either 0 or 1.
54 ``int``
55     The 'int' type represents a simple 32-bit integer value, such as 5.
57 ``string``
58     The 'string' type represents an ordered sequence of characters of arbitrary
59     length.
61 ``code``
62     The `code` type represents a code fragment, which can be single/multi-line
63     string literal.
65 ``bits<n>``
66     A 'bits' type is an arbitrary, but fixed, size integer that is broken up
67     into individual bits.  This type is useful because it can handle some bits
68     being defined while others are undefined.
70 ``list<ty>``
71     This type represents a list whose elements are some other type.  The
72     contained type is arbitrary: it can even be another list type.
74 Class type
75     Specifying a class name in a type context means that the defined value must
76     be a subclass of the specified class.  This is useful in conjunction with
77     the ``list`` type, for example, to constrain the elements of the list to a
78     common base class (e.g., a ``list<Register>`` can only contain definitions
79     derived from the "``Register``" class).
81 ``dag``
82     This type represents a nestable directed graph of elements.
84 To date, these types have been sufficient for describing things that TableGen
85 has been used for, but it is straight-forward to extend this list if needed.
87 .. _TableGen expressions:
89 TableGen values and expressions
90 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
92 TableGen allows for a pretty reasonable number of different expression forms
93 when building up values.  These forms allow the TableGen file to be written in a
94 natural syntax and flavor for the application.  The current expression forms
95 supported include:
97 ``?``
98     uninitialized field
100 ``0b1001011``
101     binary integer value.
102     Note that this is sized by the number of bits given and will not be
103     silently extended/truncated.
105 ``7``
106     decimal integer value
108 ``0x7F``
109     hexadecimal integer value
111 ``"foo"``
112     a single-line string value, can be assigned to ``string`` or ``code`` variable.
114 ``[{ ... }]``
115     usually called a "code fragment", but is just a multiline string literal
117 ``[ X, Y, Z ]<type>``
118     list value.  <type> is the type of the list element and is usually optional.
119     In rare cases, TableGen is unable to deduce the element type in which case
120     the user must specify it explicitly.
122 ``{ a, b, 0b10 }``
123     initializer for a "bits<4>" value.
124     1-bit from "a", 1-bit from "b", 2-bits from 0b10.
126 ``value``
127     value reference
129 ``value{17}``
130     access to one bit of a value
132 ``value{15-17}``
133     access to an ordered sequence of bits of a value, in particular ``value{15-17}``
134     produces an order that is the reverse of ``value{17-15}``.
136 ``DEF``
137     reference to a record definition
139 ``CLASS<val list>``
140     reference to a new anonymous definition of CLASS with the specified template
141     arguments.
143 ``X.Y``
144     reference to the subfield of a value
146 ``list[4-7,17,2-3]``
147     A slice of the 'list' list, including elements 4,5,6,7,17,2, and 3 from it.
148     Elements may be included multiple times.
150 ``foreach <var> = [ <list> ] in { <body> }``
152 ``foreach <var> = [ <list> ] in <def>``
153     Replicate <body> or <def>, replacing instances of <var> with each value
154     in <list>.  <var> is scoped at the level of the ``foreach`` loop and must
155     not conflict with any other object introduced in <body> or <def>.  Currently
156     only ``def``\s are expanded within <body>.
158 ``foreach <var> = 0-15 in ...``
160 ``foreach <var> = {0-15,32-47} in ...``
161     Loop over ranges of integers. The braces are required for multiple ranges.
163 ``(DEF a, b)``
164     a dag value.  The first element is required to be a record definition, the
165     remaining elements in the list may be arbitrary other values, including
166     nested ```dag``' values.
168 ``!listconcat(a, b, ...)``
169     A list value that is the result of concatenating the 'a' and 'b' lists.
170     The lists must have the same element type.
171     More than two arguments are accepted with the result being the concatenation
172     of all the lists given.
174 ``!strconcat(a, b, ...)``
175     A string value that is the result of concatenating the 'a' and 'b' strings.
176     More than two arguments are accepted with the result being the concatenation
177     of all the strings given.
179 ``str1#str2``
180     "#" (paste) is a shorthand for !strconcat.  It may concatenate things that
181     are not quoted strings, in which case an implicit !cast<string> is done on
182     the operand of the paste.
184 ``!cast<type>(a)``
185     A symbol of type *type* obtained by looking up the string 'a' in the symbol
186     table.  If the type of 'a' does not match *type*, TableGen aborts with an
187     error. !cast<string> is a special case in that the argument must be an
188     object defined by a 'def' construct.
190 ``!subst(a, b, c)``
191     If 'a' and 'b' are of string type or are symbol references, substitute 'b'
192     for 'a' in 'c.'  This operation is analogous to $(subst) in GNU make.
194 ``!foreach(a, b, c)``
195     For each member of dag or list 'b' apply operator 'c.'  'a' is a dummy
196     variable that should be declared as a member variable of an instantiated
197     class.  This operation is analogous to $(foreach) in GNU make.
199 ``!head(a)``
200     The first element of list 'a.'
202 ``!tail(a)``
203     The 2nd-N elements of list 'a.'
205 ``!empty(a)``
206     An integer {0,1} indicating whether list 'a' is empty.
208 ``!if(a,b,c)``
209   'b' if the result of 'int' or 'bit' operator 'a' is nonzero, 'c' otherwise.
211 ``!eq(a,b)``
212     'bit 1' if string a is equal to string b, 0 otherwise.  This only operates
213     on string, int and bit objects.  Use !cast<string> to compare other types of
214     objects.
216 ``!shl(a,b)`` ``!srl(a,b)`` ``!sra(a,b)`` ``!add(a,b)`` ``!and(a,b)``
217     The usual binary and arithmetic operators.
219 Note that all of the values have rules specifying how they convert to values
220 for different types.  These rules allow you to assign a value like "``7``"
221 to a "``bits<4>``" value, for example.
223 Classes and definitions
224 -----------------------
226 As mentioned in the :doc:`introduction <index>`, classes and definitions (collectively known as
227 'records') in TableGen are the main high-level unit of information that TableGen
228 collects.  Records are defined with a ``def`` or ``class`` keyword, the record
229 name, and an optional list of "`template arguments`_".  If the record has
230 superclasses, they are specified as a comma separated list that starts with a
231 colon character ("``:``").  If `value definitions`_ or `let expressions`_ are
232 needed for the class, they are enclosed in curly braces ("``{}``"); otherwise,
233 the record ends with a semicolon.
235 Here is a simple TableGen file:
237 .. code-block:: text
239   class C { bit V = 1; }
240   def X : C;
241   def Y : C {
242     string Greeting = "hello";
243   }
245 This example defines two definitions, ``X`` and ``Y``, both of which derive from
246 the ``C`` class.  Because of this, they both get the ``V`` bit value.  The ``Y``
247 definition also gets the Greeting member as well.
249 In general, classes are useful for collecting together the commonality between a
250 group of records and isolating it in a single place.  Also, classes permit the
251 specification of default values for their subclasses, allowing the subclasses to
252 override them as they wish.
254 .. _value definition:
255 .. _value definitions:
257 Value definitions
258 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
260 Value definitions define named entries in records.  A value must be defined
261 before it can be referred to as the operand for another value definition or
262 before the value is reset with a `let expression`_.  A value is defined by
263 specifying a `TableGen type`_ and a name.  If an initial value is available, it
264 may be specified after the type with an equal sign.  Value definitions require
265 terminating semicolons.
267 .. _let expression:
268 .. _let expressions:
269 .. _"let" expressions within a record:
271 'let' expressions
272 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
274 A record-level let expression is used to change the value of a value definition
275 in a record.  This is primarily useful when a superclass defines a value that a
276 derived class or definition wants to override.  Let expressions consist of the
277 '``let``' keyword followed by a value name, an equal sign ("``=``"), and a new
278 value.  For example, a new class could be added to the example above, redefining
279 the ``V`` field for all of its subclasses:
281 .. code-block:: text
283   class D : C { let V = 0; }
284   def Z : D;
286 In this case, the ``Z`` definition will have a zero value for its ``V`` value,
287 despite the fact that it derives (indirectly) from the ``C`` class, because the
288 ``D`` class overrode its value.
290 .. _template arguments:
292 Class template arguments
293 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
295 TableGen permits the definition of parameterized classes as well as normal
296 concrete classes.  Parameterized TableGen classes specify a list of variable
297 bindings (which may optionally have defaults) that are bound when used.  Here is
298 a simple example:
300 .. code-block:: text
302   class FPFormat<bits<3> val> {
303     bits<3> Value = val;
304   }
305   def NotFP      : FPFormat<0>;
306   def ZeroArgFP  : FPFormat<1>;
307   def OneArgFP   : FPFormat<2>;
308   def OneArgFPRW : FPFormat<3>;
309   def TwoArgFP   : FPFormat<4>;
310   def CompareFP  : FPFormat<5>;
311   def CondMovFP  : FPFormat<6>;
312   def SpecialFP  : FPFormat<7>;
314 In this case, template arguments are used as a space efficient way to specify a
315 list of "enumeration values", each with a "``Value``" field set to the specified
316 integer.
318 The more esoteric forms of `TableGen expressions`_ are useful in conjunction
319 with template arguments.  As an example:
321 .. code-block:: text
323   class ModRefVal<bits<2> val> {
324     bits<2> Value = val;
325   }
327   def None   : ModRefVal<0>;
328   def Mod    : ModRefVal<1>;
329   def Ref    : ModRefVal<2>;
330   def ModRef : ModRefVal<3>;
332   class Value<ModRefVal MR> {
333     // Decode some information into a more convenient format, while providing
334     // a nice interface to the user of the "Value" class.
335     bit isMod = MR.Value{0};
336     bit isRef = MR.Value{1};
338     // other stuff...
339   }
341   // Example uses
342   def bork : Value<Mod>;
343   def zork : Value<Ref>;
344   def hork : Value<ModRef>;
346 This is obviously a contrived example, but it shows how template arguments can
347 be used to decouple the interface provided to the user of the class from the
348 actual internal data representation expected by the class.  In this case,
349 running ``llvm-tblgen`` on the example prints the following definitions:
351 .. code-block:: text
353   def bork {      // Value
354     bit isMod = 1;
355     bit isRef = 0;
356   }
357   def hork {      // Value
358     bit isMod = 1;
359     bit isRef = 1;
360   }
361   def zork {      // Value
362     bit isMod = 0;
363     bit isRef = 1;
364   }
366 This shows that TableGen was able to dig into the argument and extract a piece
367 of information that was requested by the designer of the "Value" class.  For
368 more realistic examples, please see existing users of TableGen, such as the X86
369 backend.
371 Multiclass definitions and instances
372 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
374 While classes with template arguments are a good way to factor commonality
375 between two instances of a definition, multiclasses allow a convenient notation
376 for defining multiple definitions at once (instances of implicitly constructed
377 classes).  For example, consider an 3-address instruction set whose instructions
378 come in two forms: "``reg = reg op reg``" and "``reg = reg op imm``"
379 (e.g. SPARC). In this case, you'd like to specify in one place that this
380 commonality exists, then in a separate place indicate what all the ops are.
382 Here is an example TableGen fragment that shows this idea:
384 .. code-block:: text
386   def ops;
387   def GPR;
388   def Imm;
389   class inst<int opc, string asmstr, dag operandlist>;
391   multiclass ri_inst<int opc, string asmstr> {
392     def _rr : inst<opc, !strconcat(asmstr, " $dst, $src1, $src2"),
393                    (ops GPR:$dst, GPR:$src1, GPR:$src2)>;
394     def _ri : inst<opc, !strconcat(asmstr, " $dst, $src1, $src2"),
395                    (ops GPR:$dst, GPR:$src1, Imm:$src2)>;
396   }
398   // Instantiations of the ri_inst multiclass.
399   defm ADD : ri_inst<0b111, "add">;
400   defm SUB : ri_inst<0b101, "sub">;
401   defm MUL : ri_inst<0b100, "mul">;
402   ...
404 The name of the resultant definitions has the multidef fragment names appended
405 to them, so this defines ``ADD_rr``, ``ADD_ri``, ``SUB_rr``, etc.  A defm may
406 inherit from multiple multiclasses, instantiating definitions from each
407 multiclass.  Using a multiclass this way is exactly equivalent to instantiating
408 the classes multiple times yourself, e.g. by writing:
410 .. code-block:: text
412   def ops;
413   def GPR;
414   def Imm;
415   class inst<int opc, string asmstr, dag operandlist>;
417   class rrinst<int opc, string asmstr>
418     : inst<opc, !strconcat(asmstr, " $dst, $src1, $src2"),
419            (ops GPR:$dst, GPR:$src1, GPR:$src2)>;
421   class riinst<int opc, string asmstr>
422     : inst<opc, !strconcat(asmstr, " $dst, $src1, $src2"),
423            (ops GPR:$dst, GPR:$src1, Imm:$src2)>;
425   // Instantiations of the ri_inst multiclass.
426   def ADD_rr : rrinst<0b111, "add">;
427   def ADD_ri : riinst<0b111, "add">;
428   def SUB_rr : rrinst<0b101, "sub">;
429   def SUB_ri : riinst<0b101, "sub">;
430   def MUL_rr : rrinst<0b100, "mul">;
431   def MUL_ri : riinst<0b100, "mul">;
432   ...
434 A ``defm`` can also be used inside a multiclass providing several levels of
435 multiclass instantiations.
437 .. code-block:: text
439   class Instruction<bits<4> opc, string Name> {
440     bits<4> opcode = opc;
441     string name = Name;
442   }
444   multiclass basic_r<bits<4> opc> {
445     def rr : Instruction<opc, "rr">;
446     def rm : Instruction<opc, "rm">;
447   }
449   multiclass basic_s<bits<4> opc> {
450     defm SS : basic_r<opc>;
451     defm SD : basic_r<opc>;
452     def X : Instruction<opc, "x">;
453   }
455   multiclass basic_p<bits<4> opc> {
456     defm PS : basic_r<opc>;
457     defm PD : basic_r<opc>;
458     def Y : Instruction<opc, "y">;
459   }
461   defm ADD : basic_s<0xf>, basic_p<0xf>;
462   ...
464   // Results
465   def ADDPDrm { ...
466   def ADDPDrr { ...
467   def ADDPSrm { ...
468   def ADDPSrr { ...
469   def ADDSDrm { ...
470   def ADDSDrr { ...
471   def ADDY { ...
472   def ADDX { ...
474 ``defm`` declarations can inherit from classes too, the rule to follow is that
475 the class list must start after the last multiclass, and there must be at least
476 one multiclass before them.
478 .. code-block:: text
480   class XD { bits<4> Prefix = 11; }
481   class XS { bits<4> Prefix = 12; }
483   class I<bits<4> op> {
484     bits<4> opcode = op;
485   }
487   multiclass R {
488     def rr : I<4>;
489     def rm : I<2>;
490   }
492   multiclass Y {
493     defm SS : R, XD;
494     defm SD : R, XS;
495   }
497   defm Instr : Y;
499   // Results
500   def InstrSDrm {
501     bits<4> opcode = { 0, 0, 1, 0 };
502     bits<4> Prefix = { 1, 1, 0, 0 };
503   }
504   ...
505   def InstrSSrr {
506     bits<4> opcode = { 0, 1, 0, 0 };
507     bits<4> Prefix = { 1, 0, 1, 1 };
508   }
510 File scope entities
511 -------------------
513 File inclusion
514 ^^^^^^^^^^^^^^
516 TableGen supports the '``include``' token, which textually substitutes the
517 specified file in place of the include directive.  The filename should be
518 specified as a double quoted string immediately after the '``include``' keyword.
519 Example:
521 .. code-block:: text
523   include "foo.td"
525 'let' expressions
526 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
528 "Let" expressions at file scope are similar to `"let" expressions within a
529 record`_, except they can specify a value binding for multiple records at a
530 time, and may be useful in certain other cases.  File-scope let expressions are
531 really just another way that TableGen allows the end-user to factor out
532 commonality from the records.
534 File-scope "let" expressions take a comma-separated list of bindings to apply,
535 and one or more records to bind the values in.  Here are some examples:
537 .. code-block:: text
539   let isTerminator = 1, isReturn = 1, isBarrier = 1, hasCtrlDep = 1 in
540     def RET : I<0xC3, RawFrm, (outs), (ins), "ret", [(X86retflag 0)]>;
542   let isCall = 1 in
543     // All calls clobber the non-callee saved registers...
544     let Defs = [EAX, ECX, EDX, FP0, FP1, FP2, FP3, FP4, FP5, FP6, ST0,
545                 MM0, MM1, MM2, MM3, MM4, MM5, MM6, MM7,
546                 XMM0, XMM1, XMM2, XMM3, XMM4, XMM5, XMM6, XMM7, EFLAGS] in {
547       def CALLpcrel32 : Ii32<0xE8, RawFrm, (outs), (ins i32imm:$dst,variable_ops),
548                              "call\t${dst:call}", []>;
549       def CALL32r     : I<0xFF, MRM2r, (outs), (ins GR32:$dst, variable_ops),
550                           "call\t{*}$dst", [(X86call GR32:$dst)]>;
551       def CALL32m     : I<0xFF, MRM2m, (outs), (ins i32mem:$dst, variable_ops),
552                           "call\t{*}$dst", []>;
553     }
555 File-scope "let" expressions are often useful when a couple of definitions need
556 to be added to several records, and the records do not otherwise need to be
557 opened, as in the case with the ``CALL*`` instructions above.
559 It's also possible to use "let" expressions inside multiclasses, providing more
560 ways to factor out commonality from the records, specially if using several
561 levels of multiclass instantiations. This also avoids the need of using "let"
562 expressions within subsequent records inside a multiclass.
564 .. code-block:: text
566   multiclass basic_r<bits<4> opc> {
567     let Predicates = [HasSSE2] in {
568       def rr : Instruction<opc, "rr">;
569       def rm : Instruction<opc, "rm">;
570     }
571     let Predicates = [HasSSE3] in
572       def rx : Instruction<opc, "rx">;
573   }
575   multiclass basic_ss<bits<4> opc> {
576     let IsDouble = 0 in
577       defm SS : basic_r<opc>;
579     let IsDouble = 1 in
580       defm SD : basic_r<opc>;
581   }
583   defm ADD : basic_ss<0xf>;
585 Looping
586 ^^^^^^^
588 TableGen supports the '``foreach``' block, which textually replicates the loop
589 body, substituting iterator values for iterator references in the body.
590 Example:
592 .. code-block:: text
594   foreach i = [0, 1, 2, 3] in {
595     def R#i : Register<...>;
596     def F#i : Register<...>;
597   }
599 This will create objects ``R0``, ``R1``, ``R2`` and ``R3``.  ``foreach`` blocks
600 may be nested. If there is only one item in the body the braces may be
601 elided:
603 .. code-block:: text
605   foreach i = [0, 1, 2, 3] in
606     def R#i : Register<...>;
608 Code Generator backend info
609 ===========================
611 Expressions used by code generator to describe instructions and isel patterns:
613 ``(implicit a)``
614     an implicitly defined physical register.  This tells the dag instruction
615     selection emitter the input pattern's extra definitions matches implicit
616     physical register definitions.