Recommit r310809 with a fix for the spill problem
[llvm-core.git] / docs / MIRLangRef.rst
blobb4ca8f2347a79973fbf9b266d82fbd3959d7950a
1 ========================================
2 Machine IR (MIR) Format Reference Manual
3 ========================================
5 .. contents::
6    :local:
8 .. warning::
9   This is a work in progress.
11 Introduction
12 ============
14 This document is a reference manual for the Machine IR (MIR) serialization
15 format. MIR is a human readable serialization format that is used to represent
16 LLVM's :ref:`machine specific intermediate representation
17 <machine code representation>`.
19 The MIR serialization format is designed to be used for testing the code
20 generation passes in LLVM.
22 Overview
23 ========
25 The MIR serialization format uses a YAML container. YAML is a standard
26 data serialization language, and the full YAML language spec can be read at
27 `yaml.org
28 <http://www.yaml.org/spec/1.2/spec.html#Introduction>`_.
30 A MIR file is split up into a series of `YAML documents`_. The first document
31 can contain an optional embedded LLVM IR module, and the rest of the documents
32 contain the serialized machine functions.
34 .. _YAML documents: http://www.yaml.org/spec/1.2/spec.html#id2800132
36 MIR Testing Guide
37 =================
39 You can use the MIR format for testing in two different ways:
41 - You can write MIR tests that invoke a single code generation pass using the
42   ``-run-pass`` option in llc.
44 - You can use llc's ``-stop-after`` option with existing or new LLVM assembly
45   tests and check the MIR output of a specific code generation pass.
47 Testing Individual Code Generation Passes
48 -----------------------------------------
50 The ``-run-pass`` option in llc allows you to create MIR tests that invoke just
51 a single code generation pass. When this option is used, llc will parse an
52 input MIR file, run the specified code generation pass(es), and output the
53 resulting MIR code.
55 You can generate an input MIR file for the test by using the ``-stop-after`` or
56 ``-stop-before`` option in llc. For example, if you would like to write a test
57 for the post register allocation pseudo instruction expansion pass, you can
58 specify the machine copy propagation pass in the ``-stop-after`` option, as it
59 runs just before the pass that we are trying to test:
61    ``llc -stop-after=machine-cp bug-trigger.ll > test.mir``
63 After generating the input MIR file, you'll have to add a run line that uses
64 the ``-run-pass`` option to it. In order to test the post register allocation
65 pseudo instruction expansion pass on X86-64, a run line like the one shown
66 below can be used:
68     ``# RUN: llc -o - %s -mtriple=x86_64-- -run-pass=postrapseudos | FileCheck %s``
70 The MIR files are target dependent, so they have to be placed in the target
71 specific test directories (``lib/CodeGen/TARGETNAME``). They also need to
72 specify a target triple or a target architecture either in the run line or in
73 the embedded LLVM IR module.
75 Simplifying MIR files
76 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
78 The MIR code coming out of ``-stop-after``/``-stop-before`` is very verbose;
79 Tests are more accessible and future proof when simplified:
81 - Use the ``-simplify-mir`` option with llc.
83 - Machine function attributes often have default values or the test works just
84   as well with default values. Typical candidates for this are: `alignment:`,
85   `exposesReturnsTwice`, `legalized`, `regBankSelected`, `selected`.
86   The whole `frameInfo` section is often unnecessary if there is no special
87   frame usage in the function. `tracksRegLiveness` on the other hand is often
88   necessary for some passes that care about block livein lists.
90 - The (global) `liveins:` list is typically only interesting for early
91   instruction selection passes and can be removed when testing later passes.
92   The per-block `liveins:` on the other hand are necessary if
93   `tracksRegLiveness` is true.
95 - Branch probability data in block `successors:` lists can be dropped if the
96   test doesn't depend on it. Example:
97   `successors: %bb.1(0x40000000), %bb.2(0x40000000)` can be replaced with
98   `successors: %bb.1, %bb.2`.
100 - MIR code contains a whole IR module. This is necessary because there are
101   no equivalents in MIR for global variables, references to external functions,
102   function attributes, metadata, debug info. Instead some MIR data references
103   the IR constructs. You can often remove them if the test doesn't depend on
104   them.
106 - Alias Analysis is performed on IR values. These are referenced by memory
107   operands in MIR. Example: `:: (load 8 from %ir.foobar, !alias.scope !9)`.
108   If the test doesn't depend on (good) alias analysis the references can be
109   dropped: `:: (load 8)`
111 - MIR blocks can reference IR blocks for debug printing, profile information
112   or debug locations. Example: `bb.42.myblock` in MIR references the IR block
113   `myblock`. It is usually possible to drop the `.myblock` reference and simply
114   use `bb.42`.
116 - If there are no memory operands or blocks referencing the IR then the
117   IR function can be replaced by a parameterless dummy function like
118   `define @func() { ret void }`.
120 - It is possible to drop the whole IR section of the MIR file if it only
121   contains dummy functions (see above). The .mir loader will create the
122   IR functions automatically in this case.
124 Limitations
125 -----------
127 Currently the MIR format has several limitations in terms of which state it
128 can serialize:
130 - The target-specific state in the target-specific ``MachineFunctionInfo``
131   subclasses isn't serialized at the moment.
133 - The target-specific ``MachineConstantPoolValue`` subclasses (in the ARM and
134   SystemZ backends) aren't serialized at the moment.
136 - The ``MCSymbol`` machine operands are only printed, they can't be parsed.
138 - A lot of the state in ``MachineModuleInfo`` isn't serialized - only the CFI
139   instructions and the variable debug information from MMI is serialized right
140   now.
142 These limitations impose restrictions on what you can test with the MIR format.
143 For now, tests that would like to test some behaviour that depends on the state
144 of certain ``MCSymbol``  operands or the exception handling state in MMI, can't
145 use the MIR format. As well as that, tests that test some behaviour that
146 depends on the state of the target specific ``MachineFunctionInfo`` or
147 ``MachineConstantPoolValue`` subclasses can't use the MIR format at the moment.
149 High Level Structure
150 ====================
152 .. _embedded-module:
154 Embedded Module
155 ---------------
157 When the first YAML document contains a `YAML block literal string`_, the MIR
158 parser will treat this string as an LLVM assembly language string that
159 represents an embedded LLVM IR module.
160 Here is an example of a YAML document that contains an LLVM module:
162 .. code-block:: llvm
164        define i32 @inc(i32* %x) {
165        entry:
166          %0 = load i32, i32* %x
167          %1 = add i32 %0, 1
168          store i32 %1, i32* %x
169          ret i32 %1
170        }
172 .. _YAML block literal string: http://www.yaml.org/spec/1.2/spec.html#id2795688
174 Machine Functions
175 -----------------
177 The remaining YAML documents contain the machine functions. This is an example
178 of such YAML document:
180 .. code-block:: text
182      ---
183      name:            inc
184      tracksRegLiveness: true
185      liveins:
186        - { reg: '%rdi' }
187      body: |
188        bb.0.entry:
189          liveins: %rdi
191          %eax = MOV32rm %rdi, 1, _, 0, _
192          %eax = INC32r killed %eax, implicit-def dead %eflags
193          MOV32mr killed %rdi, 1, _, 0, _, %eax
194          RETQ %eax
195      ...
197 The document above consists of attributes that represent the various
198 properties and data structures in a machine function.
200 The attribute ``name`` is required, and its value should be identical to the
201 name of a function that this machine function is based on.
203 The attribute ``body`` is a `YAML block literal string`_. Its value represents
204 the function's machine basic blocks and their machine instructions.
206 Machine Instructions Format Reference
207 =====================================
209 The machine basic blocks and their instructions are represented using a custom,
210 human readable serialization language. This language is used in the
211 `YAML block literal string`_ that corresponds to the machine function's body.
213 A source string that uses this language contains a list of machine basic
214 blocks, which are described in the section below.
216 Machine Basic Blocks
217 --------------------
219 A machine basic block is defined in a single block definition source construct
220 that contains the block's ID.
221 The example below defines two blocks that have an ID of zero and one:
223 .. code-block:: text
225     bb.0:
226       <instructions>
227     bb.1:
228       <instructions>
230 A machine basic block can also have a name. It should be specified after the ID
231 in the block's definition:
233 .. code-block:: text
235     bb.0.entry:       ; This block's name is "entry"
236        <instructions>
238 The block's name should be identical to the name of the IR block that this
239 machine block is based on.
241 Block References
242 ^^^^^^^^^^^^^^^^
244 The machine basic blocks are identified by their ID numbers. Individual
245 blocks are referenced using the following syntax:
247 .. code-block:: text
249     %bb.<id>[.<name>]
251 Examples:
253 .. code-block:: llvm
255     %bb.0
256     %bb.1.then
258 Successors
259 ^^^^^^^^^^
261 The machine basic block's successors have to be specified before any of the
262 instructions:
264 .. code-block:: text
266     bb.0.entry:
267       successors: %bb.1.then, %bb.2.else
268       <instructions>
269     bb.1.then:
270       <instructions>
271     bb.2.else:
272       <instructions>
274 The branch weights can be specified in brackets after the successor blocks.
275 The example below defines a block that has two successors with branch weights
276 of 32 and 16:
278 .. code-block:: text
280     bb.0.entry:
281       successors: %bb.1.then(32), %bb.2.else(16)
283 .. _bb-liveins:
285 Live In Registers
286 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
288 The machine basic block's live in registers have to be specified before any of
289 the instructions:
291 .. code-block:: text
293     bb.0.entry:
294       liveins: %edi, %esi
296 The list of live in registers and successors can be empty. The language also
297 allows multiple live in register and successor lists - they are combined into
298 one list by the parser.
300 Miscellaneous Attributes
301 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
303 The attributes ``IsAddressTaken``, ``IsLandingPad`` and ``Alignment`` can be
304 specified in brackets after the block's definition:
306 .. code-block:: text
308     bb.0.entry (address-taken):
309       <instructions>
310     bb.2.else (align 4):
311       <instructions>
312     bb.3(landing-pad, align 4):
313       <instructions>
315 .. TODO: Describe the way the reference to an unnamed LLVM IR block can be
316    preserved.
318 Machine Instructions
319 --------------------
321 A machine instruction is composed of a name,
322 :ref:`machine operands <machine-operands>`,
323 :ref:`instruction flags <instruction-flags>`, and machine memory operands.
325 The instruction's name is usually specified before the operands. The example
326 below shows an instance of the X86 ``RETQ`` instruction with a single machine
327 operand:
329 .. code-block:: text
331     RETQ %eax
333 However, if the machine instruction has one or more explicitly defined register
334 operands, the instruction's name has to be specified after them. The example
335 below shows an instance of the AArch64 ``LDPXpost`` instruction with three
336 defined register operands:
338 .. code-block:: text
340     %sp, %fp, %lr = LDPXpost %sp, 2
342 The instruction names are serialized using the exact definitions from the
343 target's ``*InstrInfo.td`` files, and they are case sensitive. This means that
344 similar instruction names like ``TSTri`` and ``tSTRi`` represent different
345 machine instructions.
347 .. _instruction-flags:
349 Instruction Flags
350 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
352 The flag ``frame-setup`` can be specified before the instruction's name:
354 .. code-block:: text
356     %fp = frame-setup ADDXri %sp, 0, 0
358 .. _registers:
360 Registers
361 ---------
363 Registers are one of the key primitives in the machine instructions
364 serialization language. They are primarly used in the
365 :ref:`register machine operands <register-operands>`,
366 but they can also be used in a number of other places, like the
367 :ref:`basic block's live in list <bb-liveins>`.
369 The physical registers are identified by their name. They use the following
370 syntax:
372 .. code-block:: text
374     %<name>
376 The example below shows three X86 physical registers:
378 .. code-block:: text
380     %eax
381     %r15
382     %eflags
384 The virtual registers are identified by their ID number. They use the following
385 syntax:
387 .. code-block:: text
389     %<id>
391 Example:
393 .. code-block:: text
395     %0
397 The null registers are represented using an underscore ('``_``'). They can also be
398 represented using a '``%noreg``' named register, although the former syntax
399 is preferred.
401 .. _machine-operands:
403 Machine Operands
404 ----------------
406 There are seventeen different kinds of machine operands, and all of them, except
407 the ``MCSymbol`` operand, can be serialized. The ``MCSymbol`` operands are
408 just printed out - they can't be parsed back yet.
410 Immediate Operands
411 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
413 The immediate machine operands are untyped, 64-bit signed integers. The
414 example below shows an instance of the X86 ``MOV32ri`` instruction that has an
415 immediate machine operand ``-42``:
417 .. code-block:: text
419     %eax = MOV32ri -42
421 .. TODO: Describe the CIMM (Rare) and FPIMM immediate operands.
423 .. _register-operands:
425 Register Operands
426 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
428 The :ref:`register <registers>` primitive is used to represent the register
429 machine operands. The register operands can also have optional
430 :ref:`register flags <register-flags>`,
431 :ref:`a subregister index <subregister-indices>`,
432 and a reference to the tied register operand.
433 The full syntax of a register operand is shown below:
435 .. code-block:: text
437     [<flags>] <register> [ :<subregister-idx-name> ] [ (tied-def <tied-op>) ]
439 This example shows an instance of the X86 ``XOR32rr`` instruction that has
440 5 register operands with different register flags:
442 .. code-block:: text
444   dead %eax = XOR32rr undef %eax, undef %eax, implicit-def dead %eflags, implicit-def %al
446 .. _register-flags:
448 Register Flags
449 ~~~~~~~~~~~~~~
451 The table below shows all of the possible register flags along with the
452 corresponding internal ``llvm::RegState`` representation:
454 .. list-table::
455    :header-rows: 1
457    * - Flag
458      - Internal Value
460    * - ``implicit``
461      - ``RegState::Implicit``
463    * - ``implicit-def``
464      - ``RegState::ImplicitDefine``
466    * - ``def``
467      - ``RegState::Define``
469    * - ``dead``
470      - ``RegState::Dead``
472    * - ``killed``
473      - ``RegState::Kill``
475    * - ``undef``
476      - ``RegState::Undef``
478    * - ``internal``
479      - ``RegState::InternalRead``
481    * - ``early-clobber``
482      - ``RegState::EarlyClobber``
484    * - ``debug-use``
485      - ``RegState::Debug``
487 .. _subregister-indices:
489 Subregister Indices
490 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
492 The register machine operands can reference a portion of a register by using
493 the subregister indices. The example below shows an instance of the ``COPY``
494 pseudo instruction that uses the X86 ``sub_8bit`` subregister index to copy 8
495 lower bits from the 32-bit virtual register 0 to the 8-bit virtual register 1:
497 .. code-block:: text
499     %1 = COPY %0:sub_8bit
501 The names of the subregister indices are target specific, and are typically
502 defined in the target's ``*RegisterInfo.td`` file.
504 Global Value Operands
505 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
507 The global value machine operands reference the global values from the
508 :ref:`embedded LLVM IR module <embedded-module>`.
509 The example below shows an instance of the X86 ``MOV64rm`` instruction that has
510 a global value operand named ``G``:
512 .. code-block:: text
514     %rax = MOV64rm %rip, 1, _, @G, _
516 The named global values are represented using an identifier with the '@' prefix.
517 If the identifier doesn't match the regular expression
518 `[-a-zA-Z$._][-a-zA-Z$._0-9]*`, then this identifier must be quoted.
520 The unnamed global values are represented using an unsigned numeric value with
521 the '@' prefix, like in the following examples: ``@0``, ``@989``.
523 .. TODO: Describe the parsers default behaviour when optional YAML attributes
524    are missing.
525 .. TODO: Describe the syntax for the bundled instructions.
526 .. TODO: Describe the syntax for virtual register YAML definitions.
527 .. TODO: Describe the machine function's YAML flag attributes.
528 .. TODO: Describe the syntax for the external symbol and register
529    mask machine operands.
530 .. TODO: Describe the frame information YAML mapping.
531 .. TODO: Describe the syntax of the stack object machine operands and their
532    YAML definitions.
533 .. TODO: Describe the syntax of the constant pool machine operands and their
534    YAML definitions.
535 .. TODO: Describe the syntax of the jump table machine operands and their
536    YAML definitions.
537 .. TODO: Describe the syntax of the block address machine operands.
538 .. TODO: Describe the syntax of the CFI index machine operands.
539 .. TODO: Describe the syntax of the metadata machine operands, and the
540    instructions debug location attribute.
541 .. TODO: Describe the syntax of the target index machine operands.
542 .. TODO: Describe the syntax of the register live out machine operands.
543 .. TODO: Describe the syntax of the machine memory operands.