[Frontend] Remove unused includes (NFC) (#116927)
[llvm-project.git] / mlir / docs / TargetLLVMIR.md
blob96a4589eb80e753879fcc8d19114ecbd41a53b6f
1 # LLVM IR Target
3 This document describes the mechanisms of producing LLVM IR from MLIR. The
4 overall flow is two-stage:
6 1.  **conversion** of the IR to a set of dialects translatable to LLVM IR, for
7     example [LLVM Dialect](Dialects/LLVM.md) or one of the hardware-specific
8     dialects derived from LLVM IR intrinsics such as [AMX](Dialects/AMX.md),
9     [X86Vector](Dialects/X86Vector.md) or [ArmNeon](Dialects/ArmNeon.md);
10 2.  **translation** of MLIR dialects to LLVM IR.
12 This flow allows the non-trivial transformation to be performed within MLIR
13 using MLIR APIs and makes the translation between MLIR and LLVM IR *simple* and
14 potentially bidirectional. As a corollary, dialect ops translatable to LLVM IR
15 are expected to closely match the corresponding LLVM IR instructions and
16 intrinsics. This minimizes the dependency on LLVM IR libraries in MLIR as well
17 as reduces the churn in case of changes.
19 Note that many different dialects can be lowered to LLVM but are provided as
20 different sets of patterns and have different passes available to mlir-opt.
21 However, this is primarily useful for testing and prototyping, and using the
22 collection of patterns together is highly recommended. One place this is
23 important and visible is the ControlFlow dialect's branching operations which
24 will fail to apply if their types mismatch with the blocks they jump to in the
25 parent op.
27 SPIR-V to LLVM dialect conversion has a
28 [dedicated document](SPIRVToLLVMDialectConversion.md).
30 [TOC]
32 ## Conversion to the LLVM Dialect
34 Conversion to the LLVM dialect from other dialects is the first step to produce
35 LLVM IR. All non-trivial IR modifications are expected to happen at this stage
36 or before. The conversion is *progressive*: most passes convert one dialect to
37 the LLVM dialect and keep operations from other dialects intact. For example,
38 the `-finalize-memref-to-llvm` pass will only convert operations from the
39 `memref` dialect but will not convert operations from other dialects even if
40 they use or produce `memref`-typed values.
42 The process relies on the [Dialect Conversion](DialectConversion.md)
43 infrastructure and, in particular, on the
44 [materialization](DialectConversion.md/#type-conversion) hooks of `TypeConverter`
45 to support progressive lowering by injecting `unrealized_conversion_cast`
46 operations between converted and unconverted operations. After multiple partial
47 conversions to the LLVM dialect are performed, the cast operations that became
48 noop can be removed by the `-reconcile-unrealized-casts` pass. The latter pass
49 is not specific to the LLVM dialect and can remove any noop casts.
51 ### Conversion of Built-in Types
53 Built-in types have a default conversion to LLVM dialect types provided by the
54 `LLVMTypeConverter` class. Users targeting the LLVM dialect can reuse and extend
55 this type converter to support other types. Extra care must be taken if the
56 conversion rules for built-in types are overridden: all conversion must use the
57 same type converter.
59 #### LLVM Dialect-compatible Types
61 The types [compatible](Dialects/LLVM.md/#built-in-type-compatibility) with the
62 LLVM dialect are kept as is.
64 #### Complex Type
66 Complex type is converted into an LLVM dialect literal structure type with two
67 elements:
69 -   real part;
70 -   imaginary part.
72 The elemental type is converted recursively using these rules.
74 Example:
76 ```mlir
77   complex<f32>
78   // ->
79   !llvm.struct<(f32, f32)>
80 ```
82 #### Index Type
84 Index type is converted into an LLVM dialect integer type with the bitwidth
85 specified by the [data layout](DataLayout.md) of the closest module. For
86 example, on x86-64 CPUs it converts to i64. This behavior can be overridden by
87 the type converter configuration, which is often exposed as a pass option by
88 conversion passes.
90 Example:
92 ```mlir
93   index
94   // -> on x86_64
95   i64
96 ```
98 #### Ranked MemRef Types
100 Ranked memref types are converted into an LLVM dialect literal structure type
101 that contains the dynamic information associated with the memref object,
102 referred to as *descriptor*. Only memrefs in the
103 **[strided form](Dialects/Builtin.md/#strided-memref)** can be converted to the
104 LLVM dialect with the default descriptor format. Memrefs with other, less
105 trivial layouts should be converted into the strided form first, e.g., by
106 materializing the non-trivial address remapping due to layout as `affine.apply`
107 operations.
109 The default memref descriptor is a struct with the following fields:
111 1.  The pointer to the data buffer as allocated, referred to as "allocated
112     pointer". This is only useful for deallocating the memref.
113 2.  The pointer to the properly aligned data pointer that the memref indexes,
114     referred to as "aligned pointer".
115 3.  A lowered converted `index`-type integer containing the distance in number
116     of elements between the beginning of the (aligned) buffer and the first
117     element to be accessed through the memref, referred to as "offset".
118 4.  An array containing as many converted `index`-type integers as the rank of
119     the memref: the array represents the size, in number of elements, of the
120     memref along the given dimension.
121 5.  A second array containing as many converted `index`-type integers as the
122     rank of memref: the second array represents the "stride" (in tensor
123     abstraction sense), i.e. the number of consecutive elements of the
124     underlying buffer one needs to jump over to get to the next logically
125     indexed element.
127 For constant memref dimensions, the corresponding size entry is a constant whose
128 runtime value matches the static value. This normalization serves as an ABI for
129 the memref type to interoperate with externally linked functions. In the
130 particular case of rank `0` memrefs, the size and stride arrays are omitted,
131 resulting in a struct containing two pointers + offset.
133 Examples:
135 ```mlir
136 // Assuming index is converted to i64.
138 memref<f32> -> !llvm.struct<(ptr , ptr, i64)>
139 memref<1 x f32> -> !llvm.struct<(ptr, ptr, i64,
140                                  array<1 x i64>, array<1 x i64>)>
141 memref<? x f32> -> !llvm.struct<(ptr, ptr, i64
142                                  array<1 x i64>, array<1 x i64>)>
143 memref<10x42x42x43x123 x f32> -> !llvm.struct<(ptr, ptr, i64
144                                                array<5 x i64>, array<5 x i64>)>
145 memref<10x?x42x?x123 x f32> -> !llvm.struct<(ptr, ptr, i64
146                                              array<5 x i64>, array<5 x i64>)>
148 // Memref types can have vectors as element types
149 memref<1x? x vector<4xf32>> -> !llvm.struct<(ptr, ptr, i64, array<2 x i64>,
150                                              array<2 x i64>)>
153 #### Unranked MemRef Types
155 Unranked memref types are converted to LLVM dialect literal structure type that
156 contains the dynamic information associated with the memref object, referred to
157 as *unranked descriptor*. It contains:
159 1.  a converted `index`-typed integer representing the dynamic rank of the
160     memref;
161 2.  a type-erased pointer (`!llvm.ptr`) to a ranked memref descriptor with
162     the contents listed above.
164 This descriptor is primarily intended for interfacing with rank-polymorphic
165 library functions. The pointer to the ranked memref descriptor points to some
166 *allocated* memory, which may reside on stack of the current function or in
167 heap. Conversion patterns for operations producing unranked memrefs are expected
168 to manage the allocation. Note that this may lead to stack allocations
169 (`llvm.alloca`) being performed in a loop and not reclaimed until the end of the
170 current function.
172 #### Function Types
174 Function types are converted to LLVM dialect function types as follows:
176 -   function argument and result types are converted recursively using these
177     rules;
178 -   if a function type has multiple results, they are wrapped into an LLVM
179     dialect literal structure type since LLVM function types must have exactly
180     one result;
181 -   if a function type has no results, the corresponding LLVM dialect function
182     type will have one `!llvm.void` result since LLVM function types must have a
183     result;
184 -   function types used in arguments of another function type are wrapped in an
185     LLVM dialect pointer type to comply with LLVM IR expectations;
186 -   the structs corresponding to `memref` types, both ranked and unranked,
187     appearing as function arguments are unbundled into individual function
188     arguments to allow for specifying metadata such as aliasing information on
189     individual pointers;
190 -   the conversion of `memref`-typed arguments is subject to
191     [calling conventions](#calling-conventions).
192 -   if a function type has boolean attribute `func.varargs` being set, the
193     converted LLVM function will be variadic.
195 Examples:
197 ```mlir
198 // Zero-ary function type with no results:
199 () -> ()
200 // is converted to a zero-ary function with `void` result.
201 !llvm.func<void ()>
203 // Unary function with one result:
204 (i32) -> (i64)
205 // has its argument and result type converted, before creating the LLVM dialect
206 // function type.
207 !llvm.func<i64 (i32)>
209 // Binary function with one result:
210 (i32, f32) -> (i64)
211 // has its arguments handled separately
212 !llvm.func<i64 (i32, f32)>
214 // Binary function with two results:
215 (i32, f32) -> (i64, f64)
216 // has its result aggregated into a structure type.
217 !llvm.func<struct<(i64, f64)> (i32, f32)>
219 // Function-typed arguments or results in higher-order functions:
220 (() -> ()) -> (() -> ())
221 // are converted into opaque pointers.
222 !llvm.func<ptr (ptr)>
224 // A memref descriptor appearing as function argument:
225 (memref<f32>) -> ()
226 // gets converted into a list of individual scalar components of a descriptor.
227 !llvm.func<void (ptr, ptr, i64)>
229 // The list of arguments is linearized and one can freely mix memref and other
230 // types in this list:
231 (memref<f32>, f32) -> ()
232 // which gets converted into a flat list.
233 !llvm.func<void (ptr, ptr, i64, f32)>
235 // For nD ranked memref descriptors:
236 (memref<?x?xf32>) -> ()
237 // the converted signature will contain 2n+1 `index`-typed integer arguments,
238 // offset, n sizes and n strides, per memref argument type.
239 !llvm.func<void (ptr, ptr, i64, i64, i64, i64, i64)>
241 // Same rules apply to unranked descriptors:
242 (memref<*xf32>) -> ()
243 // which get converted into their components.
244 !llvm.func<void (i64, ptr)>
246 // However, returning a memref from a function is not affected:
247 () -> (memref<?xf32>)
248 // gets converted to a function returning a descriptor structure.
249 !llvm.func<struct<(ptr, ptr, i64, array<1xi64>, array<1xi64>)> ()>
251 // If multiple memref-typed results are returned:
252 () -> (memref<f32>, memref<f64>)
253 // their descriptor structures are additionally packed into another structure,
254 // potentially with other non-memref typed results.
255 !llvm.func<struct<(struct<(ptr, ptr, i64)>,
256                    struct<(ptr, ptr, i64)>)> ()>
258 // If "func.varargs" attribute is set:
259 (i32) -> () attributes { "func.varargs" = true }
260 // the corresponding LLVM function will be variadic:
261 !llvm.func<void (i32, ...)>
264 Conversion patterns are available to convert built-in function operations and
265 standard call operations targeting those functions using these conversion rules.
267 #### Multi-dimensional Vector Types
269 LLVM IR only supports *one-dimensional* vectors, unlike MLIR where vectors can
270 be multi-dimensional. Vector types cannot be nested in either IR. In the
271 one-dimensional case, MLIR vectors are converted to LLVM IR vectors of the same
272 size with element type converted using these conversion rules. In the
273 n-dimensional case, MLIR vectors are converted to (n-1)-dimensional array types
274 of one-dimensional vectors.
276 Examples:
279 vector<4x8 x f32>
280 // ->
281 !llvm.array<4 x vector<8 x f32>>
283 memref<2 x vector<4x8 x f32>
284 // ->
285 !llvm.struct<(ptr, ptr, i64, array<1 x i64>, array<1 x i64>)>
288 #### Tensor Types
290 Tensor types cannot be converted to the LLVM dialect. Operations on tensors must
291 be [bufferized](Bufferization.md) before being converted.
293 ### Conversion of LLVM Container Types with Non-Compatible Element Types
295 Progressive lowering may result in there LLVM container types, such
296 as LLVM dialect structures, containing non-compatible types:
297 `!llvm.struct<(index)>`. Such types are converted recursively using the rules
298 described above.
300 Identified structures are converted to _new_ structures that have their
301 identifiers prefixed with `_Converted.` since the bodies of identified types
302 cannot be updated once initialized. Such names are considered _reserved_ and
303 must not appear in the input code (in practice, C reserves names starting with
304 `_` and a capital, and `.` cannot appear in valid C types anyway). If they do
305 and have a different body than the result of the conversion, the type conversion
306 will stop.
308 ### Calling Conventions
310 Calling conventions provides a mechanism to customize the conversion of function
311 and function call operations without changing how individual types are handled
312 elsewhere. They are implemented simultaneously by the default type converter and
313 by the conversion patterns for the relevant operations.
315 #### Function Result Packing
317 In case of multi-result functions, the returned values are inserted into a
318 structure-typed value before being returned and extracted from it at the call
319 site. This transformation is a part of the conversion and is transparent to the
320 defines and uses of the values being returned.
322 Example:
324 ```mlir
325 func.func @foo(%arg0: i32, %arg1: i64) -> (i32, i64) {
326   return %arg0, %arg1 : i32, i64
328 func.func @bar() {
329   %0 = arith.constant 42 : i32
330   %1 = arith.constant 17 : i64
331   %2:2 = call @foo(%0, %1) : (i32, i64) -> (i32, i64)
332   "use_i32"(%2#0) : (i32) -> ()
333   "use_i64"(%2#1) : (i64) -> ()
336 // is transformed into
338 llvm.func @foo(%arg0: i32, %arg1: i64) -> !llvm.struct<(i32, i64)> {
339   // insert the values into a structure
340   %0 = llvm.mlir.undef : !llvm.struct<(i32, i64)>
341   %1 = llvm.insertvalue %arg0, %0[0] : !llvm.struct<(i32, i64)>
342   %2 = llvm.insertvalue %arg1, %1[1] : !llvm.struct<(i32, i64)>
344   // return the structure value
345   llvm.return %2 : !llvm.struct<(i32, i64)>
347 llvm.func @bar() {
348   %0 = llvm.mlir.constant(42 : i32) : i32
349   %1 = llvm.mlir.constant(17 : i64) : i64
351   // call and extract the values from the structure
352   %2 = llvm.call @foo(%0, %1)
353      : (i32, i64) -> !llvm.struct<(i32, i64)>
354   %3 = llvm.extractvalue %2[0] : !llvm.struct<(i32, i64)>
355   %4 = llvm.extractvalue %2[1] : !llvm.struct<(i32, i64)>
357   // use as before
358   "use_i32"(%3) : (i32) -> ()
359   "use_i64"(%4) : (i64) -> ()
363 #### Default Calling Convention for Ranked MemRef
365 The default calling convention converts `memref`-typed function arguments to
366 LLVM dialect literal structs
367 [defined above](#ranked-memref-types) before unbundling them into
368 individual scalar arguments.
370 Examples:
372 This convention is implemented in the conversion of `func.func` and `func.call` to
373 the LLVM dialect, with the former unpacking the descriptor into a set of
374 individual values and the latter packing those values back into a descriptor so
375 as to make it transparently usable by other operations. Conversions from other
376 dialects should take this convention into account.
378 This specific convention is motivated by the necessity to specify alignment and
379 aliasing attributes on the raw pointers underpinning the memref.
381 Examples:
383 ```mlir
384 func.func @foo(%arg0: memref<?xf32>) -> () {
385   "use"(%arg0) : (memref<?xf32>) -> ()
386   return
389 // Gets converted to the following
390 // (using type alias for brevity):
391 !llvm.memref_1d = !llvm.struct<(ptr, ptr, i64, array<1xi64>, array<1xi64>)>
393 llvm.func @foo(%arg0: !llvm.ptr,       // Allocated pointer.
394                %arg1: !llvm.ptr,       // Aligned pointer.
395                %arg2: i64,             // Offset.
396                %arg3: i64,             // Size in dim 0.
397                %arg4: i64) {           // Stride in dim 0.
398   // Populate memref descriptor structure.
399   %0 = llvm.mlir.undef : !llvm.memref_1d
400   %1 = llvm.insertvalue %arg0, %0[0] : !llvm.memref_1d
401   %2 = llvm.insertvalue %arg1, %1[1] : !llvm.memref_1d
402   %3 = llvm.insertvalue %arg2, %2[2] : !llvm.memref_1d
403   %4 = llvm.insertvalue %arg3, %3[3, 0] : !llvm.memref_1d
404   %5 = llvm.insertvalue %arg4, %4[4, 0] : !llvm.memref_1d
406   // Descriptor is now usable as a single value.
407   "use"(%5) : (!llvm.memref_1d) -> ()
408   llvm.return
412 ```mlir
413 func.func @bar() {
414   %0 = "get"() : () -> (memref<?xf32>)
415   call @foo(%0) : (memref<?xf32>) -> ()
416   return
419 // Gets converted to the following
420 // (using type alias for brevity):
421 !llvm.memref_1d = !llvm.struct<(ptr, ptr, i64, array<1xi64>, array<1xi64>)>
423 llvm.func @bar() {
424   %0 = "get"() : () -> !llvm.memref_1d
426   // Unpack the memref descriptor.
427   %1 = llvm.extractvalue %0[0] : !llvm.memref_1d
428   %2 = llvm.extractvalue %0[1] : !llvm.memref_1d
429   %3 = llvm.extractvalue %0[2] : !llvm.memref_1d
430   %4 = llvm.extractvalue %0[3, 0] : !llvm.memref_1d
431   %5 = llvm.extractvalue %0[4, 0] : !llvm.memref_1d
433   // Pass individual values to the callee.
434   llvm.call @foo(%1, %2, %3, %4, %5) : (!llvm.memref_1d) -> ()
435   llvm.return
439 #### Default Calling Convention for Unranked MemRef
441 For unranked memrefs, the list of function arguments always contains two
442 elements, same as the unranked memref descriptor: an integer rank, and a
443 type-erased (`!llvm.ptr`) pointer to the ranked memref descriptor. Note that
444 while the *calling convention* does not require allocation, *casting* to
445 unranked memref does since one cannot take an address of an SSA value containing
446 the ranked memref, which must be stored in some memory instead. The caller is in
447 charge of ensuring the thread safety and management of the allocated memory, in
448 particular the deallocation.
450 Example
452 ```mlir
453 llvm.func @foo(%arg0: memref<*xf32>) -> () {
454   "use"(%arg0) : (memref<*xf32>) -> ()
455   return
458 // Gets converted to the following.
460 llvm.func @foo(%arg0: i64              // Rank.
461                %arg1: !llvm.ptr) { // Type-erased pointer to descriptor.
462   // Pack the unranked memref descriptor.
463   %0 = llvm.mlir.undef : !llvm.struct<(i64, ptr)>
464   %1 = llvm.insertvalue %arg0, %0[0] : !llvm.struct<(i64, ptr)>
465   %2 = llvm.insertvalue %arg1, %1[1] : !llvm.struct<(i64, ptr)>
467   "use"(%2) : (!llvm.struct<(i64, ptr)>) -> ()
468   llvm.return
472 ```mlir
473 llvm.func @bar() {
474   %0 = "get"() : () -> (memref<*xf32>)
475   call @foo(%0): (memref<*xf32>) -> ()
476   return
479 // Gets converted to the following.
481 llvm.func @bar() {
482   %0 = "get"() : () -> (!llvm.struct<(i64, ptr)>)
484   // Unpack the memref descriptor.
485   %1 = llvm.extractvalue %0[0] : !llvm.struct<(i64, ptr)>
486   %2 = llvm.extractvalue %0[1] : !llvm.struct<(i64, ptr)>
488   // Pass individual values to the callee.
489   llvm.call @foo(%1, %2) : (i64, !llvm.ptr)
490   llvm.return
494 **Lifetime.** The second element of the unranked memref descriptor points to
495 some memory in which the ranked memref descriptor is stored. By convention, this
496 memory is allocated on stack and has the lifetime of the function. (*Note:* due
497 to function-length lifetime, creation of multiple unranked memref descriptors,
498 e.g., in a loop, may lead to stack overflows.) If an unranked descriptor has to
499 be returned from a function, the ranked descriptor it points to is copied into
500 dynamically allocated memory, and the pointer in the unranked descriptor is
501 updated accordingly. The allocation happens immediately before returning. It is
502 the responsibility of the caller to free the dynamically allocated memory. The
503 default conversion of `func.call` and `func.call_indirect` copies the ranked
504 descriptor to newly allocated memory on the caller's stack. Thus, the convention
505 of the ranked memref descriptor pointed to by an unranked memref descriptor
506 being stored on stack is respected.
508 #### Bare Pointer Calling Convention for Ranked MemRef
510 The "bare pointer" calling convention converts `memref`-typed function arguments
511 to a *single* pointer to the aligned data. Note that this does *not* apply to
512 uses of `memref` outside of function signatures, the default descriptor
513 structures are still used. This convention further restricts the supported cases
514 to the following.
516 -   `memref` types with default layout.
517 -   `memref` types with all dimensions statically known.
518 -   `memref` values allocated in such a way that the allocated and aligned
519     pointer match. Alternatively, the same function must handle allocation and
520     deallocation since only one pointer is passed to any callee.
522 Examples:
525 func.func @callee(memref<2x4xf32>)
527 func.func @caller(%0 : memref<2x4xf32>) {
528   call @callee(%0) : (memref<2x4xf32>) -> ()
531 // ->
533 !descriptor = !llvm.struct<(ptr, ptr, i64,
534                             array<2xi64>, array<2xi64>)>
536 llvm.func @callee(!llvm.ptr)
538 llvm.func @caller(%arg0: !llvm.ptr) {
539   // A descriptor value is defined at the function entry point.
540   %0 = llvm.mlir.undef : !descriptor
542   // Both the allocated and aligned pointer are set up to the same value.
543   %1 = llvm.insertelement %arg0, %0[0] : !descriptor
544   %2 = llvm.insertelement %arg0, %1[1] : !descriptor
546   // The offset is set up to zero.
547   %3 = llvm.mlir.constant(0 : index) : i64
548   %4 = llvm.insertelement %3, %2[2] : !descriptor
550   // The sizes and strides are derived from the statically known values.
551   %5 = llvm.mlir.constant(2 : index) : i64
552   %6 = llvm.mlir.constant(4 : index) : i64
553   %7 = llvm.insertelement %5, %4[3, 0] : !descriptor
554   %8 = llvm.insertelement %6, %7[3, 1] : !descriptor
555   %9 = llvm.mlir.constant(1 : index) : i64
556   %10 = llvm.insertelement %9, %8[4, 0] : !descriptor
557   %11 = llvm.insertelement %10, %9[4, 1] : !descriptor
559   // The function call corresponds to extracting the aligned data pointer.
560   %12 = llvm.extractelement %11[1] : !descriptor
561   llvm.call @callee(%12) : (!llvm.ptr) -> ()
565 #### Bare Pointer Calling Convention For Unranked MemRef
567 The "bare pointer" calling convention does not support unranked memrefs as their
568 shape cannot be known at compile time.
570 ### Generic alloction and deallocation functions
572 When converting the Memref dialect, allocations and deallocations are converted
573 into calls to `malloc` (`aligned_alloc` if aligned allocations are requested)
574 and `free`. However, it is possible to convert them to more generic functions
575 which can be implemented by a runtime library, thus allowing custom allocation
576 strategies or runtime profiling. When the conversion pass is  instructed to
577 perform such operation, the names of the calles are
578 `_mlir_memref_to_llvm_alloc`, `_mlir_memref_to_llvm_aligned_alloc` and
579 `_mlir_memref_to_llvm_free`. Their signatures are the same of `malloc`,
580 `aligned_alloc` and `free`.
582 ### C-compatible wrapper emission
584 In practical cases, it may be desirable to have externally-facing functions with
585 a single attribute corresponding to a MemRef argument. When interfacing with
586 LLVM IR produced from C, the code needs to respect the corresponding calling
587 convention. The conversion to the LLVM dialect provides an option to generate
588 wrapper functions that take memref descriptors as pointers-to-struct compatible
589 with data types produced by Clang when compiling C sources. The generation of
590 such wrapper functions can additionally be controlled at a function granularity
591 by setting the `llvm.emit_c_interface` unit attribute.
593 More specifically, a memref argument is converted into a pointer-to-struct
594 argument of type `{T*, T*, i64, i64[N], i64[N]}*` in the wrapper function, where
595 `T` is the converted element type and `N` is the memref rank. This type is
596 compatible with that produced by Clang for the following C++ structure template
597 instantiations or their equivalents in C.
599 ```cpp
600 template<typename T, size_t N>
601 struct MemRefDescriptor {
602   T *allocated;
603   T *aligned;
604   intptr_t offset;
605   intptr_t sizes[N];
606   intptr_t strides[N];
610 Furthermore, we also rewrite function results to pointer parameters if the
611 rewritten function result has a struct type. The special result parameter is
612 added as the first parameter and is of pointer-to-struct type.
614 If enabled, the option will do the following. For *external* functions declared
615 in the MLIR module.
617 1.  Declare a new function `_mlir_ciface_<original name>` where memref arguments
618     are converted to pointer-to-struct and the remaining arguments are converted
619     as usual. Results are converted to a special argument if they are of struct
620     type.
621 2.  Add a body to the original function (making it non-external) that
622     1.  allocates memref descriptors,
623     2.  populates them,
624     3.  potentially allocates space for the result struct, and
625     4.  passes the pointers to these into the newly declared interface function,
626         then
627     5.  collects the result of the call (potentially from the result struct),
628         and
629     6.  returns it to the caller.
631 For (non-external) functions defined in the MLIR module.
633 1.  Define a new function `_mlir_ciface_<original name>` where memref arguments
634     are converted to pointer-to-struct and the remaining arguments are converted
635     as usual. Results are converted to a special argument if they are of struct
636     type.
637 2.  Populate the body of the newly defined function with IR that
638     1.  loads descriptors from pointers;
639     2.  unpacks descriptor into individual non-aggregate values;
640     3.  passes these values into the original function;
641     4.  collects the results of the call and
642     5.  either copies the results into the result struct or returns them to the
643         caller.
645 Examples:
647 ```mlir
649 func.func @qux(%arg0: memref<?x?xf32>)
651 // Gets converted into the following
652 // (using type alias for brevity):
653 !llvm.memref_2d = !llvm.struct<(ptr, ptr, i64, array<2xi64>, array<2xi64>)>
655 // Function with unpacked arguments.
656 llvm.func @qux(%arg0: !llvm.ptr, %arg1: !llvm.ptr,
657                %arg2: i64, %arg3: i64, %arg4: i64,
658                %arg5: i64, %arg6: i64) {
659   // Populate memref descriptor (as per calling convention).
660   %0 = llvm.mlir.undef : !llvm.memref_2d
661   %1 = llvm.insertvalue %arg0, %0[0] : !llvm.memref_2d
662   %2 = llvm.insertvalue %arg1, %1[1] : !llvm.memref_2d
663   %3 = llvm.insertvalue %arg2, %2[2] : !llvm.memref_2d
664   %4 = llvm.insertvalue %arg3, %3[3, 0] : !llvm.memref_2d
665   %5 = llvm.insertvalue %arg5, %4[4, 0] : !llvm.memref_2d
666   %6 = llvm.insertvalue %arg4, %5[3, 1] : !llvm.memref_2d
667   %7 = llvm.insertvalue %arg6, %6[4, 1] : !llvm.memref_2d
669   // Store the descriptor in a stack-allocated space.
670   %8 = llvm.mlir.constant(1 : index) : i64
671   %9 = llvm.alloca %8 x !llvm.memref_2d
672      : (i64) -> !llvm.ptr
673   llvm.store %7, %9 : !llvm.memref_2d, !llvm.ptr
675   // Call the interface function.
676   llvm.call @_mlir_ciface_qux(%9) : (!llvm.ptr) -> ()
678   // The stored descriptor will be freed on return.
679   llvm.return
682 // Interface function.
683 llvm.func @_mlir_ciface_qux(!llvm.ptr)
686 ```mlir
687 func.func @foo(%arg0: memref<?x?xf32>) {
688   return
691 // Gets converted into the following
692 // (using type alias for brevity):
693 !llvm.memref_2d = !llvm.struct<(ptr, ptr, i64, array<2xi64>, array<2xi64>)>
695 // Function with unpacked arguments.
696 llvm.func @foo(%arg0: !llvm.ptr, %arg1: !llvm.ptr,
697                %arg2: i64, %arg3: i64, %arg4: i64,
698                %arg5: i64, %arg6: i64) {
699   llvm.return
702 // Interface function callable from C.
703 llvm.func @_mlir_ciface_foo(%arg0: !llvm.ptr) {
704   // Load the descriptor.
705   %0 = llvm.load %arg0 : !llvm.ptr -> !llvm.memref_2d
707   // Unpack the descriptor as per calling convention.
708   %1 = llvm.extractvalue %0[0] : !llvm.memref_2d
709   %2 = llvm.extractvalue %0[1] : !llvm.memref_2d
710   %3 = llvm.extractvalue %0[2] : !llvm.memref_2d
711   %4 = llvm.extractvalue %0[3, 0] : !llvm.memref_2d
712   %5 = llvm.extractvalue %0[3, 1] : !llvm.memref_2d
713   %6 = llvm.extractvalue %0[4, 0] : !llvm.memref_2d
714   %7 = llvm.extractvalue %0[4, 1] : !llvm.memref_2d
715   llvm.call @foo(%1, %2, %3, %4, %5, %6, %7)
716     : (!llvm.ptr, !llvm.ptr, i64, i64, i64,
717        i64, i64) -> ()
718   llvm.return
722 ```mlir
723 func.func @foo(%arg0: memref<?x?xf32>) -> memref<?x?xf32> {
724   return %arg0 : memref<?x?xf32>
727 // Gets converted into the following
728 // (using type alias for brevity):
729 !llvm.memref_2d = !llvm.struct<(ptr, ptr, i64, array<2xi64>, array<2xi64>)>
731 // Function with unpacked arguments.
732 llvm.func @foo(%arg0: !llvm.ptr, %arg1: !llvm.ptr, %arg2: i64,
733                %arg3: i64, %arg4: i64, %arg5: i64, %arg6: i64)
734     -> !llvm.memref_2d {
735   %0 = llvm.mlir.undef : !llvm.memref_2d
736   %1 = llvm.insertvalue %arg0, %0[0] : !llvm.memref_2d
737   %2 = llvm.insertvalue %arg1, %1[1] : !llvm.memref_2d
738   %3 = llvm.insertvalue %arg2, %2[2] : !llvm.memref_2d
739   %4 = llvm.insertvalue %arg3, %3[3, 0] : !llvm.memref_2d
740   %5 = llvm.insertvalue %arg5, %4[4, 0] : !llvm.memref_2d
741   %6 = llvm.insertvalue %arg4, %5[3, 1] : !llvm.memref_2d
742   %7 = llvm.insertvalue %arg6, %6[4, 1] : !llvm.memref_2d
743   llvm.return %7 : !llvm.memref_2d
746 // Interface function callable from C.
747 llvm.func @_mlir_ciface_foo(%arg0: !llvm.ptr, %arg1: !llvm.ptr) {
748   %0 = llvm.load %arg1 : !llvm.ptr
749   %1 = llvm.extractvalue %0[0] : !llvm.memref_2d
750   %2 = llvm.extractvalue %0[1] : !llvm.memref_2d
751   %3 = llvm.extractvalue %0[2] : !llvm.memref_2d
752   %4 = llvm.extractvalue %0[3, 0] : !llvm.memref_2d
753   %5 = llvm.extractvalue %0[3, 1] : !llvm.memref_2d
754   %6 = llvm.extractvalue %0[4, 0] : !llvm.memref_2d
755   %7 = llvm.extractvalue %0[4, 1] : !llvm.memref_2d
756   %8 = llvm.call @foo(%1, %2, %3, %4, %5, %6, %7)
757     : (!llvm.ptr, !llvm.ptr, i64, i64, i64, i64, i64) -> !llvm.memref_2d
758   llvm.store %8, %arg0 : !llvm.memref_2d, !llvm.ptr
759   llvm.return
763 Rationale: Introducing auxiliary functions for C-compatible interfaces is
764 preferred to modifying the calling convention since it will minimize the effect
765 of C compatibility on intra-module calls or calls between MLIR-generated
766 functions. In particular, when calling external functions from an MLIR module in
767 a (parallel) loop, the fact of storing a memref descriptor on stack can lead to
768 stack exhaustion and/or concurrent access to the same address. Auxiliary
769 interface function serves as an allocation scope in this case. Furthermore, when
770 targeting accelerators with separate memory spaces such as GPUs, stack-allocated
771 descriptors passed by pointer would have to be transferred to the device memory,
772 which introduces significant overhead. In such situations, auxiliary interface
773 functions are executed on host and only pass the values through device function
774 invocation mechanism.
776 Limitation: Right now we cannot generate C interface for variadic functions,
777 regardless of being non-external or external. Because C functions are unable to
778 "forward" variadic arguments like this:
779 ```c
780 void bar(int, ...);
782 void foo(int x, ...) {
783   // ERROR: no way to forward variadic arguments.
784   void bar(x, ...);
788 ### Address Computation
790 Accesses to a memref element are transformed into an access to an element of the
791 buffer pointed to by the descriptor. The position of the element in the buffer
792 is calculated by linearizing memref indices in row-major order (lexically first
793 index is the slowest varying, similar to C, but accounting for strides). The
794 computation of the linear address is emitted as arithmetic operation in the LLVM
795 IR dialect. Strides are extracted from the memref descriptor.
797 Examples:
799 An access to a memref with indices:
801 ```mlir
802 %0 = memref.load %m[%1,%2,%3,%4] : memref<?x?x4x8xf32, offset: ?>
805 is transformed into the equivalent of the following code:
807 ```mlir
808 // Compute the linearized index from strides.
809 // When strides or, in absence of explicit strides, the corresponding sizes are
810 // dynamic, extract the stride value from the descriptor.
811 %stride1 = llvm.extractvalue[4, 0] : !llvm.struct<(ptr, ptr, i64,
812                                                    array<4xi64>, array<4xi64>)>
813 %addr1 = arith.muli %stride1, %1 : i64
815 // When the stride or, in absence of explicit strides, the trailing sizes are
816 // known statically, this value is used as a constant. The natural value of
817 // strides is the product of all sizes following the current dimension.
818 %stride2 = llvm.mlir.constant(32 : index) : i64
819 %addr2 = arith.muli %stride2, %2 : i64
820 %addr3 = arith.addi %addr1, %addr2 : i64
822 %stride3 = llvm.mlir.constant(8 : index) : i64
823 %addr4 = arith.muli %stride3, %3 : i64
824 %addr5 = arith.addi %addr3, %addr4 : i64
826 // Multiplication with the known unit stride can be omitted.
827 %addr6 = arith.addi %addr5, %4 : i64
829 // If the linear offset is known to be zero, it can also be omitted. If it is
830 // dynamic, it is extracted from the descriptor.
831 %offset = llvm.extractvalue[2] : !llvm.struct<(ptr, ptr, i64,
832                                                array<4xi64>, array<4xi64>)>
833 %addr7 = arith.addi %addr6, %offset : i64
835 // All accesses are based on the aligned pointer.
836 %aligned = llvm.extractvalue[1] : !llvm.struct<(ptr, ptr, i64,
837                                                 array<4xi64>, array<4xi64>)>
839 // Get the address of the data pointer.
840 %ptr = llvm.getelementptr %aligned[%addr7]
841      : !llvm.struct<(ptr, ptr, i64, array<4xi64>, array<4xi64>)> -> !llvm.ptr
843 // Perform the actual load.
844 %0 = llvm.load %ptr : !llvm.ptr -> f32
847 For stores, the address computation code is identical and only the actual store
848 operation is different.
850 Note: the conversion does not perform any sort of common subexpression
851 elimination when emitting memref accesses.
853 ### Utility Classes
855 Utility classes common to many conversions to the LLVM dialect can be found
856 under `lib/Conversion/LLVMCommon`. They include the following.
858 -   `LLVMConversionTarget` specifies all LLVM dialect operations as legal.
859 -   `LLVMTypeConverter` implements the default type conversion as described
860     above.
861 -   `ConvertOpToLLVMPattern` extends the conversion pattern class with LLVM
862     dialect-specific functionality.
863 -   `VectorConvertOpToLLVMPattern` extends the previous class to automatically
864     unroll operations on higher-dimensional vectors into lists of operations on
865     one-dimensional vectors before.
866 -   `StructBuilder` provides a convenient API for building IR that creates or
867     accesses values of LLVM dialect structure types; it is derived by
868     `MemRefDescriptor`, `UrankedMemrefDescriptor` and `ComplexBuilder` for the
869     built-in types convertible to LLVM dialect structure types.
871 ## Translation to LLVM IR
873 MLIR modules containing `llvm.func`, `llvm.mlir.global` and `llvm.metadata`
874 operations can be translated to LLVM IR modules using the following scheme.
876 -   Module-level globals are translated to LLVM IR global values.
877 -   Module-level metadata are translated to LLVM IR metadata, which can be later
878     augmented with additional metadata defined on specific ops.
879 -   All functions are declared in the module so that they can be referenced.
880 -   Each function is then translated separately and has access to the complete
881     mappings between MLIR and LLVM IR globals, metadata, and functions.
882 -   Within a function, blocks are traversed in topological order and translated
883     to LLVM IR basic blocks. In each basic block, PHI nodes are created for each
884     of the block arguments, but not connected to their source blocks.
885 -   Within each block, operations are translated in their order. Each operation
886     has access to the same mappings as the function and additionally to the
887     mapping of values between MLIR and LLVM IR, including PHI nodes. Operations
888     with regions are responsible for translated the regions they contain.
889 -   After operations in a function are translated, the PHI nodes of blocks in
890     this function are connected to their source values, which are now available.
892 The translation mechanism provides extension hooks for translating custom
893 operations to LLVM IR via a dialect interface `LLVMTranslationDialectInterface`:
895 -   `convertOperation` translates an operation that belongs to the current
896     dialect to LLVM IR given an `IRBuilderBase` and various mappings;
897 -   `amendOperation` performs additional actions on an operation if it contains
898     a dialect attribute that belongs to the current dialect, for example sets up
899     instruction-level metadata.
901 Dialects containing operations or attributes that want to be translated to LLVM
902 IR must provide an implementation of this interface and register it with the
903 system. Note that registration may happen without creating the dialect, for
904 example, in a separate library to avoid the need for the "main" dialect library
905 to depend on LLVM IR libraries. The implementations of these methods may used
907 [`ModuleTranslation`](https://mlir.llvm.org/doxygen/classmlir_1_1LLVM_1_1ModuleTranslation.html)
908 object provided to them which holds the state of the translation and contains
909 numerous utilities.
911 Note that this extension mechanism is *intentionally restrictive*. LLVM IR has a
912 small, relatively stable set of instructions and types that MLIR intends to
913 model fully. Therefore, the extension mechanism is provided only for LLVM IR
914 constructs that are more often extended -- intrinsics and metadata. The primary
915 goal of the extension mechanism is to support sets of intrinsics, for example
916 those representing a particular instruction set. The extension mechanism does
917 not allow for customizing type or block translation, nor does it support custom
918 module-level operations. Such transformations should be performed within MLIR
919 and target the corresponding MLIR constructs.
921 ## Translation from LLVM IR
923 An experimental flow allows one to import a substantially limited subset of LLVM
924 IR into MLIR, producing LLVM dialect operations.
927   mlir-translate -import-llvm filename.ll