[llvm-exegesis] Program should succeed if benchmark returns StringError.
[llvm-core.git] / docs / MIRLangRef.rst
blob3c299de5725e6d862332b65c4587aac3f267adfc
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:
126 Limitations
127 -----------
129 Currently the MIR format has several limitations in terms of which state it
130 can serialize:
132 - The target-specific state in the target-specific ``MachineFunctionInfo``
133   subclasses isn't serialized at the moment.
135 - The target-specific ``MachineConstantPoolValue`` subclasses (in the ARM and
136   SystemZ backends) aren't serialized at the moment.
138 - The ``MCSymbol`` machine operands are only printed, they can't be parsed.
140 - A lot of the state in ``MachineModuleInfo`` isn't serialized - only the CFI
141   instructions and the variable debug information from MMI is serialized right
142   now.
144 These limitations impose restrictions on what you can test with the MIR format.
145 For now, tests that would like to test some behaviour that depends on the state
146 of certain ``MCSymbol``  operands or the exception handling state in MMI, can't
147 use the MIR format. As well as that, tests that test some behaviour that
148 depends on the state of the target specific ``MachineFunctionInfo`` or
149 ``MachineConstantPoolValue`` subclasses can't use the MIR format at the moment.
151 High Level Structure
152 ====================
154 .. _embedded-module:
156 Embedded Module
157 ---------------
159 When the first YAML document contains a `YAML block literal string`_, the MIR
160 parser will treat this string as an LLVM assembly language string that
161 represents an embedded LLVM IR module.
162 Here is an example of a YAML document that contains an LLVM module:
164 .. code-block:: llvm
166        define i32 @inc(i32* %x) {
167        entry:
168          %0 = load i32, i32* %x
169          %1 = add i32 %0, 1
170          store i32 %1, i32* %x
171          ret i32 %1
172        }
174 .. _YAML block literal string: http://www.yaml.org/spec/1.2/spec.html#id2795688
176 Machine Functions
177 -----------------
179 The remaining YAML documents contain the machine functions. This is an example
180 of such YAML document:
182 .. code-block:: text
184      ---
185      name:            inc
186      tracksRegLiveness: true
187      liveins:
188        - { reg: '$rdi' }
189      body: |
190        bb.0.entry:
191          liveins: $rdi
193          $eax = MOV32rm $rdi, 1, _, 0, _
194          $eax = INC32r killed $eax, implicit-def dead $eflags
195          MOV32mr killed $rdi, 1, _, 0, _, $eax
196          RETQ $eax
197      ...
199 The document above consists of attributes that represent the various
200 properties and data structures in a machine function.
202 The attribute ``name`` is required, and its value should be identical to the
203 name of a function that this machine function is based on.
205 The attribute ``body`` is a `YAML block literal string`_. Its value represents
206 the function's machine basic blocks and their machine instructions.
208 Machine Instructions Format Reference
209 =====================================
211 The machine basic blocks and their instructions are represented using a custom,
212 human readable serialization language. This language is used in the
213 `YAML block literal string`_ that corresponds to the machine function's body.
215 A source string that uses this language contains a list of machine basic
216 blocks, which are described in the section below.
218 Machine Basic Blocks
219 --------------------
221 A machine basic block is defined in a single block definition source construct
222 that contains the block's ID.
223 The example below defines two blocks that have an ID of zero and one:
225 .. code-block:: text
227     bb.0:
228       <instructions>
229     bb.1:
230       <instructions>
232 A machine basic block can also have a name. It should be specified after the ID
233 in the block's definition:
235 .. code-block:: text
237     bb.0.entry:       ; This block's name is "entry"
238        <instructions>
240 The block's name should be identical to the name of the IR block that this
241 machine block is based on.
243 .. _block-references:
245 Block References
246 ^^^^^^^^^^^^^^^^
248 The machine basic blocks are identified by their ID numbers. Individual
249 blocks are referenced using the following syntax:
251 .. code-block:: text
253     %bb.<id>
255 Example:
257 .. code-block:: llvm
259     %bb.0
261 The following syntax is also supported, but the former syntax is preferred for
262 block references:
264 .. code-block:: text
266     %bb.<id>[.<name>]
268 Example:
270 .. code-block:: llvm
272     %bb.1.then
274 Successors
275 ^^^^^^^^^^
277 The machine basic block's successors have to be specified before any of the
278 instructions:
280 .. code-block:: text
282     bb.0.entry:
283       successors: %bb.1.then, %bb.2.else
284       <instructions>
285     bb.1.then:
286       <instructions>
287     bb.2.else:
288       <instructions>
290 The branch weights can be specified in brackets after the successor blocks.
291 The example below defines a block that has two successors with branch weights
292 of 32 and 16:
294 .. code-block:: text
296     bb.0.entry:
297       successors: %bb.1.then(32), %bb.2.else(16)
299 .. _bb-liveins:
301 Live In Registers
302 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
304 The machine basic block's live in registers have to be specified before any of
305 the instructions:
307 .. code-block:: text
309     bb.0.entry:
310       liveins: $edi, $esi
312 The list of live in registers and successors can be empty. The language also
313 allows multiple live in register and successor lists - they are combined into
314 one list by the parser.
316 Miscellaneous Attributes
317 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
319 The attributes ``IsAddressTaken``, ``IsLandingPad`` and ``Alignment`` can be
320 specified in brackets after the block's definition:
322 .. code-block:: text
324     bb.0.entry (address-taken):
325       <instructions>
326     bb.2.else (align 4):
327       <instructions>
328     bb.3(landing-pad, align 4):
329       <instructions>
331 .. TODO: Describe the way the reference to an unnamed LLVM IR block can be
332    preserved.
334 Machine Instructions
335 --------------------
337 A machine instruction is composed of a name,
338 :ref:`machine operands <machine-operands>`,
339 :ref:`instruction flags <instruction-flags>`, and machine memory operands.
341 The instruction's name is usually specified before the operands. The example
342 below shows an instance of the X86 ``RETQ`` instruction with a single machine
343 operand:
345 .. code-block:: text
347     RETQ $eax
349 However, if the machine instruction has one or more explicitly defined register
350 operands, the instruction's name has to be specified after them. The example
351 below shows an instance of the AArch64 ``LDPXpost`` instruction with three
352 defined register operands:
354 .. code-block:: text
356     $sp, $fp, $lr = LDPXpost $sp, 2
358 The instruction names are serialized using the exact definitions from the
359 target's ``*InstrInfo.td`` files, and they are case sensitive. This means that
360 similar instruction names like ``TSTri`` and ``tSTRi`` represent different
361 machine instructions.
363 .. _instruction-flags:
365 Instruction Flags
366 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
368 The flag ``frame-setup`` or ``frame-destroy`` can be specified before the
369 instruction's name:
371 .. code-block:: text
373     $fp = frame-setup ADDXri $sp, 0, 0
375 .. code-block:: text
377     $x21, $x20 = frame-destroy LDPXi $sp
379 .. _registers:
381 Bundled Instructions
382 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
384 The syntax for bundled instructions is the following:
386 .. code-block:: text
388     BUNDLE implicit-def $r0, implicit-def $r1, implicit $r2 {
389       $r0 = SOME_OP $r2
390       $r1 = ANOTHER_OP internal $r0
391     }
393 The first instruction is often a bundle header. The instructions between ``{``
394 and ``}`` are bundled with the first instruction.
396 Registers
397 ---------
399 Registers are one of the key primitives in the machine instructions
400 serialization language. They are primarly used in the
401 :ref:`register machine operands <register-operands>`,
402 but they can also be used in a number of other places, like the
403 :ref:`basic block's live in list <bb-liveins>`.
405 The physical registers are identified by their name and by the '$' prefix sigil.
406 They use the following syntax:
408 .. code-block:: text
410     $<name>
412 The example below shows three X86 physical registers:
414 .. code-block:: text
416     $eax
417     $r15
418     $eflags
420 The virtual registers are identified by their ID number and by the '%' sigil.
421 They use the following syntax:
423 .. code-block:: text
425     %<id>
427 Example:
429 .. code-block:: text
431     %0
433 The null registers are represented using an underscore ('``_``'). They can also be
434 represented using a '``$noreg``' named register, although the former syntax
435 is preferred.
437 .. _machine-operands:
439 Machine Operands
440 ----------------
442 There are seventeen different kinds of machine operands, and all of them, except
443 the ``MCSymbol`` operand, can be serialized. The ``MCSymbol`` operands are
444 just printed out - they can't be parsed back yet.
446 Immediate Operands
447 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
449 The immediate machine operands are untyped, 64-bit signed integers. The
450 example below shows an instance of the X86 ``MOV32ri`` instruction that has an
451 immediate machine operand ``-42``:
453 .. code-block:: text
455     $eax = MOV32ri -42
457 An immediate operand is also used to represent a subregister index when the
458 machine instruction has one of the following opcodes:
460 - ``EXTRACT_SUBREG``
462 - ``INSERT_SUBREG``
464 - ``REG_SEQUENCE``
466 - ``SUBREG_TO_REG``
468 In case this is true, the Machine Operand is printed according to the target.
470 For example:
472 In AArch64RegisterInfo.td:
474 .. code-block:: text
476   def sub_32 : SubRegIndex<32>;
478 If the third operand is an immediate with the value ``15`` (target-dependent
479 value), based on the instruction's opcode and the operand's index the operand
480 will be printed as ``%subreg.sub_32``:
482 .. code-block:: text
484     %1:gpr64 = SUBREG_TO_REG 0, %0, %subreg.sub_32
486 For integers > 64bit, we use a special machine operand, ``MO_CImmediate``,
487 which stores the immediate in a ``ConstantInt`` using an ``APInt`` (LLVM's
488 arbitrary precision integers).
490 .. TODO: Describe the FPIMM immediate operands.
492 .. _register-operands:
494 Register Operands
495 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
497 The :ref:`register <registers>` primitive is used to represent the register
498 machine operands. The register operands can also have optional
499 :ref:`register flags <register-flags>`,
500 :ref:`a subregister index <subregister-indices>`,
501 and a reference to the tied register operand.
502 The full syntax of a register operand is shown below:
504 .. code-block:: text
506     [<flags>] <register> [ :<subregister-idx-name> ] [ (tied-def <tied-op>) ]
508 This example shows an instance of the X86 ``XOR32rr`` instruction that has
509 5 register operands with different register flags:
511 .. code-block:: text
513   dead $eax = XOR32rr undef $eax, undef $eax, implicit-def dead $eflags, implicit-def $al
515 .. _register-flags:
517 Register Flags
518 ~~~~~~~~~~~~~~
520 The table below shows all of the possible register flags along with the
521 corresponding internal ``llvm::RegState`` representation:
523 .. list-table::
524    :header-rows: 1
526    * - Flag
527      - Internal Value
529    * - ``implicit``
530      - ``RegState::Implicit``
532    * - ``implicit-def``
533      - ``RegState::ImplicitDefine``
535    * - ``def``
536      - ``RegState::Define``
538    * - ``dead``
539      - ``RegState::Dead``
541    * - ``killed``
542      - ``RegState::Kill``
544    * - ``undef``
545      - ``RegState::Undef``
547    * - ``internal``
548      - ``RegState::InternalRead``
550    * - ``early-clobber``
551      - ``RegState::EarlyClobber``
553    * - ``debug-use``
554      - ``RegState::Debug``
556    * - ``renamable``
557      - ``RegState::Renamable``
559 .. _subregister-indices:
561 Subregister Indices
562 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
564 The register machine operands can reference a portion of a register by using
565 the subregister indices. The example below shows an instance of the ``COPY``
566 pseudo instruction that uses the X86 ``sub_8bit`` subregister index to copy 8
567 lower bits from the 32-bit virtual register 0 to the 8-bit virtual register 1:
569 .. code-block:: text
571     %1 = COPY %0:sub_8bit
573 The names of the subregister indices are target specific, and are typically
574 defined in the target's ``*RegisterInfo.td`` file.
576 Constant Pool Indices
577 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
579 A constant pool index (CPI) operand is printed using its index in the
580 function's ``MachineConstantPool`` and an offset.
582 For example, a CPI with the index 1 and offset 8:
584 .. code-block:: text
586     %1:gr64 = MOV64ri %const.1 + 8
588 For a CPI with the index 0 and offset -12:
590 .. code-block:: text
592     %1:gr64 = MOV64ri %const.0 - 12
594 A constant pool entry is bound to a LLVM IR ``Constant`` or a target-specific
595 ``MachineConstantPoolValue``. When serializing all the function's constants the
596 following format is used:
598 .. code-block:: text
600     constants:
601       - id:               <index>
602         value:            <value>
603         alignment:        <alignment>
604         isTargetSpecific: <target-specific>
606 where ``<index>`` is a 32-bit unsigned integer, ``<value>`` is a `LLVM IR Constant
607 <https://www.llvm.org/docs/LangRef.html#constants>`_, alignment is a 32-bit
608 unsigned integer, and ``<target-specific>`` is either true or false.
610 Example:
612 .. code-block:: text
614     constants:
615       - id:               0
616         value:            'double 3.250000e+00'
617         alignment:        8
618       - id:               1
619         value:            'g-(LPC0+8)'
620         alignment:        4
621         isTargetSpecific: true
623 Global Value Operands
624 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
626 The global value machine operands reference the global values from the
627 :ref:`embedded LLVM IR module <embedded-module>`.
628 The example below shows an instance of the X86 ``MOV64rm`` instruction that has
629 a global value operand named ``G``:
631 .. code-block:: text
633     $rax = MOV64rm $rip, 1, _, @G, _
635 The named global values are represented using an identifier with the '@' prefix.
636 If the identifier doesn't match the regular expression
637 `[-a-zA-Z$._][-a-zA-Z$._0-9]*`, then this identifier must be quoted.
639 The unnamed global values are represented using an unsigned numeric value with
640 the '@' prefix, like in the following examples: ``@0``, ``@989``.
642 Target-dependent Index Operands
643 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
645 A target index operand is a target-specific index and an offset. The
646 target-specific index is printed using target-specific names and a positive or
647 negative offset.
649 For example, the ``amdgpu-constdata-start`` is associated with the index ``0``
650 in the AMDGPU backend. So if we have a target index operand with the index 0
651 and the offset 8:
653 .. code-block:: text
655     $sgpr2 = S_ADD_U32 _, target-index(amdgpu-constdata-start) + 8, implicit-def _, implicit-def _
657 Jump-table Index Operands
658 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
660 A jump-table index operand with the index 0 is printed as following:
662 .. code-block:: text
664     tBR_JTr killed $r0, %jump-table.0
666 A machine jump-table entry contains a list of ``MachineBasicBlocks``. When serializing all the function's jump-table entries, the following format is used:
668 .. code-block:: text
670     jumpTable:
671       kind:             <kind>
672       entries:
673         - id:             <index>
674           blocks:         [ <bbreference>, <bbreference>, ... ]
676 where ``<kind>`` is describing how the jump table is represented and emitted (plain address, relocations, PIC, etc.), and each ``<index>`` is a 32-bit unsigned integer and ``blocks`` contains a list of :ref:`machine basic block references <block-references>`.
678 Example:
680 .. code-block:: text
682     jumpTable:
683       kind:             inline
684       entries:
685         - id:             0
686           blocks:         [ '%bb.3', '%bb.9', '%bb.4.d3' ]
687         - id:             1
688           blocks:         [ '%bb.7', '%bb.7', '%bb.4.d3', '%bb.5' ]
690 External Symbol Operands
691 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
693 An external symbol operand is represented using an identifier with the ``&``
694 prefix. The identifier is surrounded with ""'s and escaped if it has any
695 special non-printable characters in it.
697 Example:
699 .. code-block:: text
701     CALL64pcrel32 &__stack_chk_fail, csr_64, implicit $rsp, implicit-def $rsp
703 MCSymbol Operands
704 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
706 A MCSymbol operand is holding a pointer to a ``MCSymbol``. For the limitations
707 of this operand in MIR, see :ref:`limitations <limitations>`.
709 The syntax is:
711 .. code-block:: text
713     EH_LABEL <mcsymbol Ltmp1>
715 CFIIndex Operands
716 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
718 A CFI Index operand is holding an index into a per-function side-table,
719 ``MachineFunction::getFrameInstructions()``, which references all the frame
720 instructions in a ``MachineFunction``. A ``CFI_INSTRUCTION`` may look like it
721 contains multiple operands, but the only operand it contains is the CFI Index.
722 The other operands are tracked by the ``MCCFIInstruction`` object.
724 The syntax is:
726 .. code-block:: text
728     CFI_INSTRUCTION offset $w30, -16
730 which may be emitted later in the MC layer as:
732 .. code-block:: text
734     .cfi_offset w30, -16
736 IntrinsicID Operands
737 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
739 An Intrinsic ID operand contains a generic intrinsic ID or a target-specific ID.
741 The syntax for the ``returnaddress`` intrinsic is:
743 .. code-block:: text
745    $x0 = COPY intrinsic(@llvm.returnaddress)
747 Predicate Operands
748 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
750 A Predicate operand contains an IR predicate from ``CmpInst::Predicate``, like
751 ``ICMP_EQ``, etc.
753 For an int eq predicate ``ICMP_EQ``, the syntax is:
755 .. code-block:: text
757    %2:gpr(s32) = G_ICMP intpred(eq), %0, %1
759 .. TODO: Describe the parsers default behaviour when optional YAML attributes
760    are missing.
761 .. TODO: Describe the syntax for virtual register YAML definitions.
762 .. TODO: Describe the machine function's YAML flag attributes.
763 .. TODO: Describe the syntax for the register mask machine operands.
764 .. TODO: Describe the frame information YAML mapping.
765 .. TODO: Describe the syntax of the stack object machine operands and their
766    YAML definitions.
767 .. TODO: Describe the syntax of the block address machine operands.
768 .. TODO: Describe the syntax of the metadata machine operands, and the
769    instructions debug location attribute.
770 .. TODO: Describe the syntax of the register live out machine operands.
771 .. TODO: Describe the syntax of the machine memory operands.