workflows/pr-subscriber: Use our own custom concurrency implementation (#66263)
[llvm-project.git] / llvm / docs / CodeGenerator.rst
blob27889b150d0f6d985edf1be2664c38b78547d21c
1 ==========================================
2 The LLVM Target-Independent Code Generator
3 ==========================================
5 .. role:: raw-html(raw)
6    :format: html
8 .. raw:: html
10   <style>
11     .unknown { background-color: #C0C0C0; text-align: center; }
12     .unknown:before { content: "?" }
13     .no { background-color: #C11B17 }
14     .no:before { content: "N" }
15     .partial { background-color: #F88017 }
16     .yes { background-color: #0F0; }
17     .yes:before { content: "Y" }
18     .na { background-color: #6666FF; }
19     .na:before { content: "N/A" }
20   </style>
22 .. contents::
23    :local:
25 .. warning::
26   This is a work in progress.
28 Introduction
29 ============
31 The LLVM target-independent code generator is a framework that provides a suite
32 of reusable components for translating the LLVM internal representation to the
33 machine code for a specified target---either in assembly form (suitable for a
34 static compiler) or in binary machine code format (usable for a JIT
35 compiler). The LLVM target-independent code generator consists of six main
36 components:
38 1. `Abstract target description`_ interfaces which capture important properties
39    about various aspects of the machine, independently of how they will be used.
40    These interfaces are defined in ``include/llvm/Target/``.
42 2. Classes used to represent the `code being generated`_ for a target.  These
43    classes are intended to be abstract enough to represent the machine code for
44    *any* target machine.  These classes are defined in
45    ``include/llvm/CodeGen/``. At this level, concepts like "constant pool
46    entries" and "jump tables" are explicitly exposed.
48 3. Classes and algorithms used to represent code at the object file level, the
49    `MC Layer`_.  These classes represent assembly level constructs like labels,
50    sections, and instructions.  At this level, concepts like "constant pool
51    entries" and "jump tables" don't exist.
53 4. `Target-independent algorithms`_ used to implement various phases of native
54    code generation (register allocation, scheduling, stack frame representation,
55    etc).  This code lives in ``lib/CodeGen/``.
57 5. `Implementations of the abstract target description interfaces`_ for
58    particular targets.  These machine descriptions make use of the components
59    provided by LLVM, and can optionally provide custom target-specific passes,
60    to build complete code generators for a specific target.  Target descriptions
61    live in ``lib/Target/``.
63 6. The target-independent JIT components.  The LLVM JIT is completely target
64    independent (it uses the ``TargetJITInfo`` structure to interface for
65    target-specific issues.  The code for the target-independent JIT lives in
66    ``lib/ExecutionEngine/JIT``.
68 Depending on which part of the code generator you are interested in working on,
69 different pieces of this will be useful to you.  In any case, you should be
70 familiar with the `target description`_ and `machine code representation`_
71 classes.  If you want to add a backend for a new target, you will need to
72 `implement the target description`_ classes for your new target and understand
73 the :doc:`LLVM code representation <LangRef>`.  If you are interested in
74 implementing a new `code generation algorithm`_, it should only depend on the
75 target-description and machine code representation classes, ensuring that it is
76 portable.
78 Required components in the code generator
79 -----------------------------------------
81 The two pieces of the LLVM code generator are the high-level interface to the
82 code generator and the set of reusable components that can be used to build
83 target-specific backends.  The two most important interfaces (:raw-html:`<tt>`
84 `TargetMachine`_ :raw-html:`</tt>` and :raw-html:`<tt>` `DataLayout`_
85 :raw-html:`</tt>`) are the only ones that are required to be defined for a
86 backend to fit into the LLVM system, but the others must be defined if the
87 reusable code generator components are going to be used.
89 This design has two important implications.  The first is that LLVM can support
90 completely non-traditional code generation targets.  For example, the C backend
91 does not require register allocation, instruction selection, or any of the other
92 standard components provided by the system.  As such, it only implements these
93 two interfaces, and does its own thing. Note that C backend was removed from the
94 trunk since LLVM 3.1 release. Another example of a code generator like this is a
95 (purely hypothetical) backend that converts LLVM to the GCC RTL form and uses
96 GCC to emit machine code for a target.
98 This design also implies that it is possible to design and implement radically
99 different code generators in the LLVM system that do not make use of any of the
100 built-in components.  Doing so is not recommended at all, but could be required
101 for radically different targets that do not fit into the LLVM machine
102 description model: FPGAs for example.
104 .. _high-level design of the code generator:
106 The high-level design of the code generator
107 -------------------------------------------
109 The LLVM target-independent code generator is designed to support efficient and
110 quality code generation for standard register-based microprocessors.  Code
111 generation in this model is divided into the following stages:
113 1. `Instruction Selection`_ --- This phase determines an efficient way to
114    express the input LLVM code in the target instruction set.  This stage
115    produces the initial code for the program in the target instruction set, then
116    makes use of virtual registers in SSA form and physical registers that
117    represent any required register assignments due to target constraints or
118    calling conventions.  This step turns the LLVM code into a DAG of target
119    instructions.
121 2. `Scheduling and Formation`_ --- This phase takes the DAG of target
122    instructions produced by the instruction selection phase, determines an
123    ordering of the instructions, then emits the instructions as :raw-html:`<tt>`
124    `MachineInstr`_\s :raw-html:`</tt>` with that ordering.  Note that we
125    describe this in the `instruction selection section`_ because it operates on
126    a `SelectionDAG`_.
128 3. `SSA-based Machine Code Optimizations`_ --- This optional stage consists of a
129    series of machine-code optimizations that operate on the SSA-form produced by
130    the instruction selector.  Optimizations like modulo-scheduling or peephole
131    optimization work here.
133 4. `Register Allocation`_ --- The target code is transformed from an infinite
134    virtual register file in SSA form to the concrete register file used by the
135    target.  This phase introduces spill code and eliminates all virtual register
136    references from the program.
138 5. `Prolog/Epilog Code Insertion`_ --- Once the machine code has been generated
139    for the function and the amount of stack space required is known (used for
140    LLVM alloca's and spill slots), the prolog and epilog code for the function
141    can be inserted and "abstract stack location references" can be eliminated.
142    This stage is responsible for implementing optimizations like frame-pointer
143    elimination and stack packing.
145 6. `Late Machine Code Optimizations`_ --- Optimizations that operate on "final"
146    machine code can go here, such as spill code scheduling and peephole
147    optimizations.
149 7. `Code Emission`_ --- The final stage actually puts out the code for the
150    current function, either in the target assembler format or in machine
151    code.
153 The code generator is based on the assumption that the instruction selector will
154 use an optimal pattern matching selector to create high-quality sequences of
155 native instructions.  Alternative code generator designs based on pattern
156 expansion and aggressive iterative peephole optimization are much slower.  This
157 design permits efficient compilation (important for JIT environments) and
158 aggressive optimization (used when generating code offline) by allowing
159 components of varying levels of sophistication to be used for any step of
160 compilation.
162 In addition to these stages, target implementations can insert arbitrary
163 target-specific passes into the flow.  For example, the X86 target uses a
164 special pass to handle the 80x87 floating point stack architecture.  Other
165 targets with unusual requirements can be supported with custom passes as needed.
167 Using TableGen for target description
168 -------------------------------------
170 The target description classes require a detailed description of the target
171 architecture.  These target descriptions often have a large amount of common
172 information (e.g., an ``add`` instruction is almost identical to a ``sub``
173 instruction).  In order to allow the maximum amount of commonality to be
174 factored out, the LLVM code generator uses the
175 :doc:`TableGen/index` tool to describe big chunks of the
176 target machine, which allows the use of domain-specific and target-specific
177 abstractions to reduce the amount of repetition.
179 As LLVM continues to be developed and refined, we plan to move more and more of
180 the target description to the ``.td`` form.  Doing so gives us a number of
181 advantages.  The most important is that it makes it easier to port LLVM because
182 it reduces the amount of C++ code that has to be written, and the surface area
183 of the code generator that needs to be understood before someone can get
184 something working.  Second, it makes it easier to change things. In particular,
185 if tables and other things are all emitted by ``tblgen``, we only need a change
186 in one place (``tblgen``) to update all of the targets to a new interface.
188 .. _Abstract target description:
189 .. _target description:
191 Target description classes
192 ==========================
194 The LLVM target description classes (located in the ``include/llvm/Target``
195 directory) provide an abstract description of the target machine independent of
196 any particular client.  These classes are designed to capture the *abstract*
197 properties of the target (such as the instructions and registers it has), and do
198 not incorporate any particular pieces of code generation algorithms.
200 All of the target description classes (except the :raw-html:`<tt>` `DataLayout`_
201 :raw-html:`</tt>` class) are designed to be subclassed by the concrete target
202 implementation, and have virtual methods implemented.  To get to these
203 implementations, the :raw-html:`<tt>` `TargetMachine`_ :raw-html:`</tt>` class
204 provides accessors that should be implemented by the target.
206 .. _TargetMachine:
208 The ``TargetMachine`` class
209 ---------------------------
211 The ``TargetMachine`` class provides virtual methods that are used to access the
212 target-specific implementations of the various target description classes via
213 the ``get*Info`` methods (``getInstrInfo``, ``getRegisterInfo``,
214 ``getFrameInfo``, etc.).  This class is designed to be specialized by a concrete
215 target implementation (e.g., ``X86TargetMachine``) which implements the various
216 virtual methods.  The only required target description class is the
217 :raw-html:`<tt>` `DataLayout`_ :raw-html:`</tt>` class, but if the code
218 generator components are to be used, the other interfaces should be implemented
219 as well.
221 .. _DataLayout:
223 The ``DataLayout`` class
224 ------------------------
226 The ``DataLayout`` class is the only required target description class, and it
227 is the only class that is not extensible (you cannot derive a new class from
228 it).  ``DataLayout`` specifies information about how the target lays out memory
229 for structures, the alignment requirements for various data types, the size of
230 pointers in the target, and whether the target is little-endian or
231 big-endian.
233 .. _TargetLowering:
235 The ``TargetLowering`` class
236 ----------------------------
238 The ``TargetLowering`` class is used by SelectionDAG based instruction selectors
239 primarily to describe how LLVM code should be lowered to SelectionDAG
240 operations.  Among other things, this class indicates:
242 * an initial register class to use for various ``ValueType``\s,
244 * which operations are natively supported by the target machine,
246 * the return type of ``setcc`` operations,
248 * the type to use for shift amounts, and
250 * various high-level characteristics, like whether it is profitable to turn
251   division by a constant into a multiplication sequence.
253 .. _TargetRegisterInfo:
255 The ``TargetRegisterInfo`` class
256 --------------------------------
258 The ``TargetRegisterInfo`` class is used to describe the register file of the
259 target and any interactions between the registers.
261 Registers are represented in the code generator by unsigned integers.  Physical
262 registers (those that actually exist in the target description) are unique
263 small numbers, and virtual registers are generally large.  Note that
264 register ``#0`` is reserved as a flag value.
266 Each register in the processor description has an associated
267 ``TargetRegisterDesc`` entry, which provides a textual name for the register
268 (used for assembly output and debugging dumps) and a set of aliases (used to
269 indicate whether one register overlaps with another).
271 In addition to the per-register description, the ``TargetRegisterInfo`` class
272 exposes a set of processor specific register classes (instances of the
273 ``TargetRegisterClass`` class).  Each register class contains sets of registers
274 that have the same properties (for example, they are all 32-bit integer
275 registers).  Each SSA virtual register created by the instruction selector has
276 an associated register class.  When the register allocator runs, it replaces
277 virtual registers with a physical register in the set.
279 The target-specific implementations of these classes is auto-generated from a
280 :doc:`TableGen/index` description of the register file.
282 .. _TargetInstrInfo:
284 The ``TargetInstrInfo`` class
285 -----------------------------
287 The ``TargetInstrInfo`` class is used to describe the machine instructions
288 supported by the target.  Descriptions define things like the mnemonic for
289 the opcode, the number of operands, the list of implicit register uses and defs,
290 whether the instruction has certain target-independent properties (accesses
291 memory, is commutable, etc), and holds any target-specific flags.
293 The ``TargetFrameLowering`` class
294 ---------------------------------
296 The ``TargetFrameLowering`` class is used to provide information about the stack
297 frame layout of the target. It holds the direction of stack growth, the known
298 stack alignment on entry to each function, and the offset to the local area.
299 The offset to the local area is the offset from the stack pointer on function
300 entry to the first location where function data (local variables, spill
301 locations) can be stored.
303 The ``TargetSubtarget`` class
304 -----------------------------
306 The ``TargetSubtarget`` class is used to provide information about the specific
307 chip set being targeted.  A sub-target informs code generation of which
308 instructions are supported, instruction latencies and instruction execution
309 itinerary; i.e., which processing units are used, in what order, and for how
310 long.
312 The ``TargetJITInfo`` class
313 ---------------------------
315 The ``TargetJITInfo`` class exposes an abstract interface used by the
316 Just-In-Time code generator to perform target-specific activities, such as
317 emitting stubs.  If a ``TargetMachine`` supports JIT code generation, it should
318 provide one of these objects through the ``getJITInfo`` method.
320 .. _code being generated:
321 .. _machine code representation:
323 Machine code description classes
324 ================================
326 At the high-level, LLVM code is translated to a machine specific representation
327 formed out of :raw-html:`<tt>` `MachineFunction`_ :raw-html:`</tt>`,
328 :raw-html:`<tt>` `MachineBasicBlock`_ :raw-html:`</tt>`, and :raw-html:`<tt>`
329 `MachineInstr`_ :raw-html:`</tt>` instances (defined in
330 ``include/llvm/CodeGen``).  This representation is completely target agnostic,
331 representing instructions in their most abstract form: an opcode and a series of
332 operands.  This representation is designed to support both an SSA representation
333 for machine code, as well as a register allocated, non-SSA form.
335 .. _MachineInstr:
337 The ``MachineInstr`` class
338 --------------------------
340 Target machine instructions are represented as instances of the ``MachineInstr``
341 class.  This class is an extremely abstract way of representing machine
342 instructions.  In particular, it only keeps track of an opcode number and a set
343 of operands.
345 The opcode number is a simple unsigned integer that only has meaning to a
346 specific backend.  All of the instructions for a target should be defined in the
347 ``*InstrInfo.td`` file for the target. The opcode enum values are auto-generated
348 from this description.  The ``MachineInstr`` class does not have any information
349 about how to interpret the instruction (i.e., what the semantics of the
350 instruction are); for that you must refer to the :raw-html:`<tt>`
351 `TargetInstrInfo`_ :raw-html:`</tt>` class.
353 The operands of a machine instruction can be of several different types: a
354 register reference, a constant integer, a basic block reference, etc.  In
355 addition, a machine operand should be marked as a def or a use of the value
356 (though only registers are allowed to be defs).
358 By convention, the LLVM code generator orders instruction operands so that all
359 register definitions come before the register uses, even on architectures that
360 are normally printed in other orders.  For example, the SPARC add instruction:
361 "``add %i1, %i2, %i3``" adds the "%i1", and "%i2" registers and stores the
362 result into the "%i3" register.  In the LLVM code generator, the operands should
363 be stored as "``%i3, %i1, %i2``": with the destination first.
365 Keeping destination (definition) operands at the beginning of the operand list
366 has several advantages.  In particular, the debugging printer will print the
367 instruction like this:
369 .. code-block:: llvm
371   %r3 = add %i1, %i2
373 Also if the first operand is a def, it is easier to `create instructions`_ whose
374 only def is the first operand.
376 .. _create instructions:
378 Using the ``MachineInstrBuilder.h`` functions
379 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
381 Machine instructions are created by using the ``BuildMI`` functions, located in
382 the ``include/llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h`` file.  The ``BuildMI``
383 functions make it easy to build arbitrary machine instructions.  Usage of the
384 ``BuildMI`` functions look like this:
386 .. code-block:: c++
388   // Create a 'DestReg = mov 42' (rendered in X86 assembly as 'mov DestReg, 42')
389   // instruction and insert it at the end of the given MachineBasicBlock.
390   const TargetInstrInfo &TII = ...
391   MachineBasicBlock &MBB = ...
392   DebugLoc DL;
393   MachineInstr *MI = BuildMI(MBB, DL, TII.get(X86::MOV32ri), DestReg).addImm(42);
395   // Create the same instr, but insert it before a specified iterator point.
396   MachineBasicBlock::iterator MBBI = ...
397   BuildMI(MBB, MBBI, DL, TII.get(X86::MOV32ri), DestReg).addImm(42);
399   // Create a 'cmp Reg, 0' instruction, no destination reg.
400   MI = BuildMI(MBB, DL, TII.get(X86::CMP32ri8)).addReg(Reg).addImm(42);
402   // Create an 'sahf' instruction which takes no operands and stores nothing.
403   MI = BuildMI(MBB, DL, TII.get(X86::SAHF));
405   // Create a self looping branch instruction.
406   BuildMI(MBB, DL, TII.get(X86::JNE)).addMBB(&MBB);
408 If you need to add a definition operand (other than the optional destination
409 register), you must explicitly mark it as such:
411 .. code-block:: c++
413   MI.addReg(Reg, RegState::Define);
415 Fixed (preassigned) registers
416 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
418 One important issue that the code generator needs to be aware of is the presence
419 of fixed registers.  In particular, there are often places in the instruction
420 stream where the register allocator *must* arrange for a particular value to be
421 in a particular register.  This can occur due to limitations of the instruction
422 set (e.g., the X86 can only do a 32-bit divide with the ``EAX``/``EDX``
423 registers), or external factors like calling conventions.  In any case, the
424 instruction selector should emit code that copies a virtual register into or out
425 of a physical register when needed.
427 For example, consider this simple LLVM example:
429 .. code-block:: llvm
431   define i32 @test(i32 %X, i32 %Y) {
432     %Z = sdiv i32 %X, %Y
433     ret i32 %Z
434   }
436 The X86 instruction selector might produce this machine code for the ``div`` and
437 ``ret``:
439 .. code-block:: text
441   ;; Start of div
442   %EAX = mov %reg1024           ;; Copy X (in reg1024) into EAX
443   %reg1027 = sar %reg1024, 31
444   %EDX = mov %reg1027           ;; Sign extend X into EDX
445   idiv %reg1025                 ;; Divide by Y (in reg1025)
446   %reg1026 = mov %EAX           ;; Read the result (Z) out of EAX
448   ;; Start of ret
449   %EAX = mov %reg1026           ;; 32-bit return value goes in EAX
450   ret
452 By the end of code generation, the register allocator would coalesce the
453 registers and delete the resultant identity moves producing the following
454 code:
456 .. code-block:: text
458   ;; X is in EAX, Y is in ECX
459   mov %EAX, %EDX
460   sar %EDX, 31
461   idiv %ECX
462   ret
464 This approach is extremely general (if it can handle the X86 architecture, it
465 can handle anything!) and allows all of the target specific knowledge about the
466 instruction stream to be isolated in the instruction selector.  Note that
467 physical registers should have a short lifetime for good code generation, and
468 all physical registers are assumed dead on entry to and exit from basic blocks
469 (before register allocation).  Thus, if you need a value to be live across basic
470 block boundaries, it *must* live in a virtual register.
472 Call-clobbered registers
473 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
475 Some machine instructions, like calls, clobber a large number of physical
476 registers.  Rather than adding ``<def,dead>`` operands for all of them, it is
477 possible to use an ``MO_RegisterMask`` operand instead.  The register mask
478 operand holds a bit mask of preserved registers, and everything else is
479 considered to be clobbered by the instruction.
481 Machine code in SSA form
482 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
484 ``MachineInstr``'s are initially selected in SSA-form, and are maintained in
485 SSA-form until register allocation happens.  For the most part, this is
486 trivially simple since LLVM is already in SSA form; LLVM PHI nodes become
487 machine code PHI nodes, and virtual registers are only allowed to have a single
488 definition.
490 After register allocation, machine code is no longer in SSA-form because there
491 are no virtual registers left in the code.
493 .. _MachineBasicBlock:
495 The ``MachineBasicBlock`` class
496 -------------------------------
498 The ``MachineBasicBlock`` class contains a list of machine instructions
499 (:raw-html:`<tt>` `MachineInstr`_ :raw-html:`</tt>` instances).  It roughly
500 corresponds to the LLVM code input to the instruction selector, but there can be
501 a one-to-many mapping (i.e. one LLVM basic block can map to multiple machine
502 basic blocks). The ``MachineBasicBlock`` class has a "``getBasicBlock``" method,
503 which returns the LLVM basic block that it comes from.
505 .. _MachineFunction:
507 The ``MachineFunction`` class
508 -----------------------------
510 The ``MachineFunction`` class contains a list of machine basic blocks
511 (:raw-html:`<tt>` `MachineBasicBlock`_ :raw-html:`</tt>` instances).  It
512 corresponds one-to-one with the LLVM function input to the instruction selector.
513 In addition to a list of basic blocks, the ``MachineFunction`` contains a
514 ``MachineConstantPool``, a ``MachineFrameInfo``, a ``MachineFunctionInfo``, and
515 a ``MachineRegisterInfo``.  See ``include/llvm/CodeGen/MachineFunction.h`` for
516 more information.
518 ``MachineInstr Bundles``
519 ------------------------
521 LLVM code generator can model sequences of instructions as MachineInstr
522 bundles. A MI bundle can model a VLIW group / pack which contains an arbitrary
523 number of parallel instructions. It can also be used to model a sequential list
524 of instructions (potentially with data dependencies) that cannot be legally
525 separated (e.g. ARM Thumb2 IT blocks).
527 Conceptually a MI bundle is a MI with a number of other MIs nested within:
531   --------------
532   |   Bundle   | ---------
533   --------------          \
534          |           ----------------
535          |           |      MI      |
536          |           ----------------
537          |                   |
538          |           ----------------
539          |           |      MI      |
540          |           ----------------
541          |                   |
542          |           ----------------
543          |           |      MI      |
544          |           ----------------
545          |
546   --------------
547   |   Bundle   | --------
548   --------------         \
549          |           ----------------
550          |           |      MI      |
551          |           ----------------
552          |                   |
553          |           ----------------
554          |           |      MI      |
555          |           ----------------
556          |                   |
557          |                  ...
558          |
559   --------------
560   |   Bundle   | --------
561   --------------         \
562          |
563         ...
565 MI bundle support does not change the physical representations of
566 MachineBasicBlock and MachineInstr. All the MIs (including top level and nested
567 ones) are stored as sequential list of MIs. The "bundled" MIs are marked with
568 the 'InsideBundle' flag. A top level MI with the special BUNDLE opcode is used
569 to represent the start of a bundle. It's legal to mix BUNDLE MIs with individual
570 MIs that are not inside bundles nor represent bundles.
572 MachineInstr passes should operate on a MI bundle as a single unit. Member
573 methods have been taught to correctly handle bundles and MIs inside bundles.
574 The MachineBasicBlock iterator has been modified to skip over bundled MIs to
575 enforce the bundle-as-a-single-unit concept. An alternative iterator
576 instr_iterator has been added to MachineBasicBlock to allow passes to iterate
577 over all of the MIs in a MachineBasicBlock, including those which are nested
578 inside bundles. The top level BUNDLE instruction must have the correct set of
579 register MachineOperand's that represent the cumulative inputs and outputs of
580 the bundled MIs.
582 Packing / bundling of MachineInstrs for VLIW architectures should
583 generally be done as part of the register allocation super-pass. More
584 specifically, the pass which determines what MIs should be bundled
585 together should be done after code generator exits SSA form
586 (i.e. after two-address pass, PHI elimination, and copy coalescing).
587 Such bundles should be finalized (i.e. adding BUNDLE MIs and input and
588 output register MachineOperands) after virtual registers have been
589 rewritten into physical registers. This eliminates the need to add
590 virtual register operands to BUNDLE instructions which would
591 effectively double the virtual register def and use lists. Bundles may
592 use virtual registers and be formed in SSA form, but may not be
593 appropriate for all use cases.
595 .. _MC Layer:
597 The "MC" Layer
598 ==============
600 The MC Layer is used to represent and process code at the raw machine code
601 level, devoid of "high level" information like "constant pools", "jump tables",
602 "global variables" or anything like that.  At this level, LLVM handles things
603 like label names, machine instructions, and sections in the object file.  The
604 code in this layer is used for a number of important purposes: the tail end of
605 the code generator uses it to write a .s or .o file, and it is also used by the
606 llvm-mc tool to implement standalone machine code assemblers and disassemblers.
608 This section describes some of the important classes.  There are also a number
609 of important subsystems that interact at this layer, they are described later in
610 this manual.
612 .. _MCStreamer:
614 The ``MCStreamer`` API
615 ----------------------
617 MCStreamer is best thought of as an assembler API.  It is an abstract API which
618 is *implemented* in different ways (e.g. to output a .s file, output an ELF .o
619 file, etc) but whose API correspond directly to what you see in a .s file.
620 MCStreamer has one method per directive, such as EmitLabel, EmitSymbolAttribute,
621 switchSection, emitValue (for .byte, .word), etc, which directly correspond to
622 assembly level directives.  It also has an EmitInstruction method, which is used
623 to output an MCInst to the streamer.
625 This API is most important for two clients: the llvm-mc stand-alone assembler is
626 effectively a parser that parses a line, then invokes a method on MCStreamer. In
627 the code generator, the `Code Emission`_ phase of the code generator lowers
628 higher level LLVM IR and Machine* constructs down to the MC layer, emitting
629 directives through MCStreamer.
631 On the implementation side of MCStreamer, there are two major implementations:
632 one for writing out a .s file (MCAsmStreamer), and one for writing out a .o
633 file (MCObjectStreamer).  MCAsmStreamer is a straightforward implementation
634 that prints out a directive for each method (e.g. ``EmitValue -> .byte``), but
635 MCObjectStreamer implements a full assembler.
637 For target specific directives, the MCStreamer has a MCTargetStreamer instance.
638 Each target that needs it defines a class that inherits from it and is a lot
639 like MCStreamer itself: It has one method per directive and two classes that
640 inherit from it, a target object streamer and a target asm streamer. The target
641 asm streamer just prints it (``emitFnStart -> .fnstart``), and the object
642 streamer implement the assembler logic for it.
644 To make llvm use these classes, the target initialization must call
645 TargetRegistry::RegisterAsmStreamer and TargetRegistry::RegisterMCObjectStreamer
646 passing callbacks that allocate the corresponding target streamer and pass it
647 to createAsmStreamer or to the appropriate object streamer constructor.
649 The ``MCContext`` class
650 -----------------------
652 The MCContext class is the owner of a variety of uniqued data structures at the
653 MC layer, including symbols, sections, etc.  As such, this is the class that you
654 interact with to create symbols and sections.  This class can not be subclassed.
656 The ``MCSymbol`` class
657 ----------------------
659 The MCSymbol class represents a symbol (aka label) in the assembly file.  There
660 are two interesting kinds of symbols: assembler temporary symbols, and normal
661 symbols.  Assembler temporary symbols are used and processed by the assembler
662 but are discarded when the object file is produced.  The distinction is usually
663 represented by adding a prefix to the label, for example "L" labels are
664 assembler temporary labels in MachO.
666 MCSymbols are created by MCContext and uniqued there.  This means that MCSymbols
667 can be compared for pointer equivalence to find out if they are the same symbol.
668 Note that pointer inequality does not guarantee the labels will end up at
669 different addresses though.  It's perfectly legal to output something like this
670 to the .s file:
674   foo:
675   bar:
676     .byte 4
678 In this case, both the foo and bar symbols will have the same address.
680 The ``MCSection`` class
681 -----------------------
683 The ``MCSection`` class represents an object-file specific section. It is
684 subclassed by object file specific implementations (e.g. ``MCSectionMachO``,
685 ``MCSectionCOFF``, ``MCSectionELF``) and these are created and uniqued by
686 MCContext.  The MCStreamer has a notion of the current section, which can be
687 changed with the SwitchToSection method (which corresponds to a ".section"
688 directive in a .s file).
690 .. _MCInst:
692 The ``MCInst`` class
693 --------------------
695 The ``MCInst`` class is a target-independent representation of an instruction.
696 It is a simple class (much more so than `MachineInstr`_) that holds a
697 target-specific opcode and a vector of MCOperands.  MCOperand, in turn, is a
698 simple discriminated union of three cases: 1) a simple immediate, 2) a target
699 register ID, 3) a symbolic expression (e.g. "``Lfoo-Lbar+42``") as an MCExpr.
701 MCInst is the common currency used to represent machine instructions at the MC
702 layer.  It is the type used by the instruction encoder, the instruction printer,
703 and the type generated by the assembly parser and disassembler.
705 .. _ObjectFormats:
707 Object File Format
708 ------------------
710 The MC layer's object writers support a variety of object formats. Because of
711 target-specific aspects of object formats each target only supports a subset of
712 the formats supported by the MC layer. Most targets support emitting ELF
713 objects. Other vendor-specific objects are generally supported only on targets
714 that are supported by that vendor (i.e. MachO is only supported on targets
715 supported by Darwin, and XCOFF is only supported on targets that support AIX).
716 Additionally some targets have their own object formats (i.e. DirectX, SPIR-V
717 and WebAssembly).
719 The table below captures a snapshot of object file support in LLVM:
721   .. table:: Object File Formats
723      ================== ========================================================
724      Format              Supported Targets
725      ================== ========================================================
726      ``COFF``            AArch64, ARM, X86
727      ``DXContainer``     DirectX
728      ``ELF``             AArch64, AMDGPU, ARM, AVR, BPF, CSKY, Hexagon, Lanai, LoongArch, M86k, MSP430, MIPS, PowerPC, RISCV, SPARC, SystemZ, VE, X86
729      ``GCOFF``           SystemZ
730      ``MachO``           AArch64, ARM, X86
731      ``SPIR-V``          SPIRV
732      ``WASM``            WebAssembly
733      ``XCOFF``           PowerPC
734      ================== ========================================================
736 .. _Target-independent algorithms:
737 .. _code generation algorithm:
739 Target-independent code generation algorithms
740 =============================================
742 This section documents the phases described in the `high-level design of the
743 code generator`_.  It explains how they work and some of the rationale behind
744 their design.
746 .. _Instruction Selection:
747 .. _instruction selection section:
749 Instruction Selection
750 ---------------------
752 Instruction Selection is the process of translating LLVM code presented to the
753 code generator into target-specific machine instructions.  There are several
754 well-known ways to do this in the literature.  LLVM uses a SelectionDAG based
755 instruction selector.
757 Portions of the DAG instruction selector are generated from the target
758 description (``*.td``) files.  Our goal is for the entire instruction selector
759 to be generated from these ``.td`` files, though currently there are still
760 things that require custom C++ code.
762 `GlobalISel <https://llvm.org/docs/GlobalISel/index.html>`_ is another
763 instruction selection framework.
765 .. _SelectionDAG:
767 Introduction to SelectionDAGs
768 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
770 The SelectionDAG provides an abstraction for code representation in a way that
771 is amenable to instruction selection using automatic techniques
772 (e.g. dynamic-programming based optimal pattern matching selectors). It is also
773 well-suited to other phases of code generation; in particular, instruction
774 scheduling (SelectionDAG's are very close to scheduling DAGs post-selection).
775 Additionally, the SelectionDAG provides a host representation where a large
776 variety of very-low-level (but target-independent) `optimizations`_ may be
777 performed; ones which require extensive information about the instructions
778 efficiently supported by the target.
780 The SelectionDAG is a Directed-Acyclic-Graph whose nodes are instances of the
781 ``SDNode`` class.  The primary payload of the ``SDNode`` is its operation code
782 (Opcode) that indicates what operation the node performs and the operands to the
783 operation.  The various operation node types are described at the top of the
784 ``include/llvm/CodeGen/ISDOpcodes.h`` file.
786 Although most operations define a single value, each node in the graph may
787 define multiple values.  For example, a combined div/rem operation will define
788 both the dividend and the remainder. Many other situations require multiple
789 values as well.  Each node also has some number of operands, which are edges to
790 the node defining the used value.  Because nodes may define multiple values,
791 edges are represented by instances of the ``SDValue`` class, which is a
792 ``<SDNode, unsigned>`` pair, indicating the node and result value being used,
793 respectively.  Each value produced by an ``SDNode`` has an associated ``MVT``
794 (Machine Value Type) indicating what the type of the value is.
796 SelectionDAGs contain two different kinds of values: those that represent data
797 flow and those that represent control flow dependencies.  Data values are simple
798 edges with an integer or floating point value type.  Control edges are
799 represented as "chain" edges which are of type ``MVT::Other``.  These edges
800 provide an ordering between nodes that have side effects (such as loads, stores,
801 calls, returns, etc).  All nodes that have side effects should take a token
802 chain as input and produce a new one as output.  By convention, token chain
803 inputs are always operand #0, and chain results are always the last value
804 produced by an operation. However, after instruction selection, the
805 machine nodes have their chain after the instruction's operands, and
806 may be followed by glue nodes.
808 A SelectionDAG has designated "Entry" and "Root" nodes.  The Entry node is
809 always a marker node with an Opcode of ``ISD::EntryToken``.  The Root node is
810 the final side-effecting node in the token chain. For example, in a single basic
811 block function it would be the return node.
813 One important concept for SelectionDAGs is the notion of a "legal" vs.
814 "illegal" DAG.  A legal DAG for a target is one that only uses supported
815 operations and supported types.  On a 32-bit PowerPC, for example, a DAG with a
816 value of type i1, i8, i16, or i64 would be illegal, as would a DAG that uses a
817 SREM or UREM operation.  The `legalize types`_ and `legalize operations`_ phases
818 are responsible for turning an illegal DAG into a legal DAG.
820 .. _SelectionDAG-Process:
822 SelectionDAG Instruction Selection Process
823 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
825 SelectionDAG-based instruction selection consists of the following steps:
827 #. `Build initial DAG`_ --- This stage performs a simple translation from the
828    input LLVM code to an illegal SelectionDAG.
830 #. `Optimize SelectionDAG`_ --- This stage performs simple optimizations on the
831    SelectionDAG to simplify it, and recognize meta instructions (like rotates
832    and ``div``/``rem`` pairs) for targets that support these meta operations.
833    This makes the resultant code more efficient and the `select instructions
834    from DAG`_ phase (below) simpler.
836 #. `Legalize SelectionDAG Types`_ --- This stage transforms SelectionDAG nodes
837    to eliminate any types that are unsupported on the target.
839 #. `Optimize SelectionDAG`_ --- The SelectionDAG optimizer is run to clean up
840    redundancies exposed by type legalization.
842 #. `Legalize SelectionDAG Ops`_ --- This stage transforms SelectionDAG nodes to
843    eliminate any operations that are unsupported on the target.
845 #. `Optimize SelectionDAG`_ --- The SelectionDAG optimizer is run to eliminate
846    inefficiencies introduced by operation legalization.
848 #. `Select instructions from DAG`_ --- Finally, the target instruction selector
849    matches the DAG operations to target instructions.  This process translates
850    the target-independent input DAG into another DAG of target instructions.
852 #. `SelectionDAG Scheduling and Formation`_ --- The last phase assigns a linear
853    order to the instructions in the target-instruction DAG and emits them into
854    the MachineFunction being compiled.  This step uses traditional prepass
855    scheduling techniques.
857 After all of these steps are complete, the SelectionDAG is destroyed and the
858 rest of the code generation passes are run.
860 One great way to visualize what is going on here is to take advantage of a few
861 LLC command line options.  The following options pop up a window displaying the
862 SelectionDAG at specific times (if you only get errors printed to the console
863 while using this, you probably `need to configure your
864 system <ProgrammersManual.html#viewing-graphs-while-debugging-code>`_ to add support for it).
866 * ``-view-dag-combine1-dags`` displays the DAG after being built, before the
867   first optimization pass.
869 * ``-view-legalize-dags`` displays the DAG before Legalization.
871 * ``-view-dag-combine2-dags`` displays the DAG before the second optimization
872   pass.
874 * ``-view-isel-dags`` displays the DAG before the Select phase.
876 * ``-view-sched-dags`` displays the DAG before Scheduling.
878 The ``-view-sunit-dags`` displays the Scheduler's dependency graph.  This graph
879 is based on the final SelectionDAG, with nodes that must be scheduled together
880 bundled into a single scheduling-unit node, and with immediate operands and
881 other nodes that aren't relevant for scheduling omitted.
883 The option ``-filter-view-dags`` allows to select the name of the basic block
884 that you are interested to visualize and filters all the previous
885 ``view-*-dags`` options.
887 .. _Build initial DAG:
889 Initial SelectionDAG Construction
890 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
892 The initial SelectionDAG is na\ :raw-html:`&iuml;`\ vely peephole expanded from
893 the LLVM input by the ``SelectionDAGBuilder`` class.  The intent of this pass
894 is to expose as much low-level, target-specific details to the SelectionDAG as
895 possible.  This pass is mostly hard-coded (e.g. an LLVM ``add`` turns into an
896 ``SDNode add`` while a ``getelementptr`` is expanded into the obvious
897 arithmetic). This pass requires target-specific hooks to lower calls, returns,
898 varargs, etc.  For these features, the :raw-html:`<tt>` `TargetLowering`_
899 :raw-html:`</tt>` interface is used.
901 .. _legalize types:
902 .. _Legalize SelectionDAG Types:
903 .. _Legalize SelectionDAG Ops:
905 SelectionDAG LegalizeTypes Phase
906 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
908 The Legalize phase is in charge of converting a DAG to only use the types that
909 are natively supported by the target.
911 There are two main ways of converting values of unsupported scalar types to
912 values of supported types: converting small types to larger types ("promoting"),
913 and breaking up large integer types into smaller ones ("expanding").  For
914 example, a target might require that all f32 values are promoted to f64 and that
915 all i1/i8/i16 values are promoted to i32.  The same target might require that
916 all i64 values be expanded into pairs of i32 values.  These changes can insert
917 sign and zero extensions as needed to make sure that the final code has the same
918 behavior as the input.
920 There are two main ways of converting values of unsupported vector types to
921 value of supported types: splitting vector types, multiple times if necessary,
922 until a legal type is found, and extending vector types by adding elements to
923 the end to round them out to legal types ("widening").  If a vector gets split
924 all the way down to single-element parts with no supported vector type being
925 found, the elements are converted to scalars ("scalarizing").
927 A target implementation tells the legalizer which types are supported (and which
928 register class to use for them) by calling the ``addRegisterClass`` method in
929 its ``TargetLowering`` constructor.
931 .. _legalize operations:
932 .. _Legalizer:
934 SelectionDAG Legalize Phase
935 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
937 The Legalize phase is in charge of converting a DAG to only use the operations
938 that are natively supported by the target.
940 Targets often have weird constraints, such as not supporting every operation on
941 every supported datatype (e.g. X86 does not support byte conditional moves and
942 PowerPC does not support sign-extending loads from a 16-bit memory location).
943 Legalize takes care of this by open-coding another sequence of operations to
944 emulate the operation ("expansion"), by promoting one type to a larger type that
945 supports the operation ("promotion"), or by using a target-specific hook to
946 implement the legalization ("custom").
948 A target implementation tells the legalizer which operations are not supported
949 (and which of the above three actions to take) by calling the
950 ``setOperationAction`` method in its ``TargetLowering`` constructor.
952 If a target has legal vector types, it is expected to produce efficient machine
953 code for common forms of the shufflevector IR instruction using those types.
954 This may require custom legalization for SelectionDAG vector operations that
955 are created from the shufflevector IR. The shufflevector forms that should be
956 handled include:
958 * Vector select --- Each element of the vector is chosen from either of the
959   corresponding elements of the 2 input vectors. This operation may also be
960   known as a "blend" or "bitwise select" in target assembly. This type of shuffle
961   maps directly to the ``shuffle_vector`` SelectionDAG node.
963 * Insert subvector --- A vector is placed into a longer vector type starting
964   at index 0. This type of shuffle maps directly to the ``insert_subvector``
965   SelectionDAG node with the ``index`` operand set to 0.
967 * Extract subvector --- A vector is pulled from a longer vector type starting
968   at index 0. This type of shuffle maps directly to the ``extract_subvector``
969   SelectionDAG node with the ``index`` operand set to 0.
971 * Splat --- All elements of the vector have identical scalar elements. This
972   operation may also be known as a "broadcast" or "duplicate" in target assembly.
973   The shufflevector IR instruction may change the vector length, so this operation
974   may map to multiple SelectionDAG nodes including ``shuffle_vector``,
975   ``concat_vectors``, ``insert_subvector``, and ``extract_subvector``.
977 Prior to the existence of the Legalize passes, we required that every target
978 `selector`_ supported and handled every operator and type even if they are not
979 natively supported.  The introduction of the Legalize phases allows all of the
980 canonicalization patterns to be shared across targets, and makes it very easy to
981 optimize the canonicalized code because it is still in the form of a DAG.
983 .. _optimizations:
984 .. _Optimize SelectionDAG:
985 .. _selector:
987 SelectionDAG Optimization Phase: the DAG Combiner
988 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
990 The SelectionDAG optimization phase is run multiple times for code generation,
991 immediately after the DAG is built and once after each legalization.  The first
992 run of the pass allows the initial code to be cleaned up (e.g. performing
993 optimizations that depend on knowing that the operators have restricted type
994 inputs).  Subsequent runs of the pass clean up the messy code generated by the
995 Legalize passes, which allows Legalize to be very simple (it can focus on making
996 code legal instead of focusing on generating *good* and legal code).
998 One important class of optimizations performed is optimizing inserted sign and
999 zero extension instructions.  We currently use ad-hoc techniques, but could move
1000 to more rigorous techniques in the future.  Here are some good papers on the
1001 subject:
1003 "`Widening integer arithmetic <http://www.eecs.harvard.edu/~nr/pubs/widen-abstract.html>`_" :raw-html:`<br>`
1004 Kevin Redwine and Norman Ramsey :raw-html:`<br>`
1005 International Conference on Compiler Construction (CC) 2004
1007 "`Effective sign extension elimination <http://portal.acm.org/citation.cfm?doid=512529.512552>`_"  :raw-html:`<br>`
1008 Motohiro Kawahito, Hideaki Komatsu, and Toshio Nakatani :raw-html:`<br>`
1009 Proceedings of the ACM SIGPLAN 2002 Conference on Programming Language Design
1010 and Implementation.
1012 .. _Select instructions from DAG:
1014 SelectionDAG Select Phase
1015 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1017 The Select phase is the bulk of the target-specific code for instruction
1018 selection.  This phase takes a legal SelectionDAG as input, pattern matches the
1019 instructions supported by the target to this DAG, and produces a new DAG of
1020 target code.  For example, consider the following LLVM fragment:
1022 .. code-block:: llvm
1024   %t1 = fadd float %W, %X
1025   %t2 = fmul float %t1, %Y
1026   %t3 = fadd float %t2, %Z
1028 This LLVM code corresponds to a SelectionDAG that looks basically like this:
1030 .. code-block:: text
1032   (fadd:f32 (fmul:f32 (fadd:f32 W, X), Y), Z)
1034 If a target supports floating point multiply-and-add (FMA) operations, one of
1035 the adds can be merged with the multiply.  On the PowerPC, for example, the
1036 output of the instruction selector might look like this DAG:
1040   (FMADDS (FADDS W, X), Y, Z)
1042 The ``FMADDS`` instruction is a ternary instruction that multiplies its first
1043 two operands and adds the third (as single-precision floating-point numbers).
1044 The ``FADDS`` instruction is a simple binary single-precision add instruction.
1045 To perform this pattern match, the PowerPC backend includes the following
1046 instruction definitions:
1048 .. code-block:: text
1049   :emphasize-lines: 4-5,9
1051   def FMADDS : AForm_1<59, 29,
1052                       (ops F4RC:$FRT, F4RC:$FRA, F4RC:$FRC, F4RC:$FRB),
1053                       "fmadds $FRT, $FRA, $FRC, $FRB",
1054                       [(set F4RC:$FRT, (fadd (fmul F4RC:$FRA, F4RC:$FRC),
1055                                              F4RC:$FRB))]>;
1056   def FADDS : AForm_2<59, 21,
1057                       (ops F4RC:$FRT, F4RC:$FRA, F4RC:$FRB),
1058                       "fadds $FRT, $FRA, $FRB",
1059                       [(set F4RC:$FRT, (fadd F4RC:$FRA, F4RC:$FRB))]>;
1061 The highlighted portion of the instruction definitions indicates the pattern
1062 used to match the instructions. The DAG operators (like ``fmul``/``fadd``)
1063 are defined in the ``include/llvm/Target/TargetSelectionDAG.td`` file.
1064 "``F4RC``" is the register class of the input and result values.
1066 The TableGen DAG instruction selector generator reads the instruction patterns
1067 in the ``.td`` file and automatically builds parts of the pattern matching code
1068 for your target.  It has the following strengths:
1070 * At compiler-compile time, it analyzes your instruction patterns and tells you
1071   if your patterns make sense or not.
1073 * It can handle arbitrary constraints on operands for the pattern match.  In
1074   particular, it is straight-forward to say things like "match any immediate
1075   that is a 13-bit sign-extended value".  For examples, see the ``immSExt16``
1076   and related ``tblgen`` classes in the PowerPC backend.
1078 * It knows several important identities for the patterns defined.  For example,
1079   it knows that addition is commutative, so it allows the ``FMADDS`` pattern
1080   above to match "``(fadd X, (fmul Y, Z))``" as well as "``(fadd (fmul X, Y),
1081   Z)``", without the target author having to specially handle this case.
1083 * It has a full-featured type-inferencing system.  In particular, you should
1084   rarely have to explicitly tell the system what type parts of your patterns
1085   are.  In the ``FMADDS`` case above, we didn't have to tell ``tblgen`` that all
1086   of the nodes in the pattern are of type 'f32'.  It was able to infer and
1087   propagate this knowledge from the fact that ``F4RC`` has type 'f32'.
1089 * Targets can define their own (and rely on built-in) "pattern fragments".
1090   Pattern fragments are chunks of reusable patterns that get inlined into your
1091   patterns during compiler-compile time.  For example, the integer "``(not
1092   x)``" operation is actually defined as a pattern fragment that expands as
1093   "``(xor x, -1)``", since the SelectionDAG does not have a native '``not``'
1094   operation.  Targets can define their own short-hand fragments as they see fit.
1095   See the definition of '``not``' and '``ineg``' for examples.
1097 * In addition to instructions, targets can specify arbitrary patterns that map
1098   to one or more instructions using the 'Pat' class.  For example, the PowerPC
1099   has no way to load an arbitrary integer immediate into a register in one
1100   instruction. To tell tblgen how to do this, it defines:
1102   ::
1104     // Arbitrary immediate support.  Implement in terms of LIS/ORI.
1105     def : Pat<(i32 imm:$imm),
1106               (ORI (LIS (HI16 imm:$imm)), (LO16 imm:$imm))>;
1108   If none of the single-instruction patterns for loading an immediate into a
1109   register match, this will be used.  This rule says "match an arbitrary i32
1110   immediate, turning it into an ``ORI`` ('or a 16-bit immediate') and an ``LIS``
1111   ('load 16-bit immediate, where the immediate is shifted to the left 16 bits')
1112   instruction".  To make this work, the ``LO16``/``HI16`` node transformations
1113   are used to manipulate the input immediate (in this case, take the high or low
1114   16-bits of the immediate).
1116 * When using the 'Pat' class to map a pattern to an instruction that has one
1117   or more complex operands (like e.g. `X86 addressing mode`_), the pattern may
1118   either specify the operand as a whole using a ``ComplexPattern``, or else it
1119   may specify the components of the complex operand separately.  The latter is
1120   done e.g. for pre-increment instructions by the PowerPC back end:
1122   ::
1124     def STWU  : DForm_1<37, (outs ptr_rc:$ea_res), (ins GPRC:$rS, memri:$dst),
1125                     "stwu $rS, $dst", LdStStoreUpd, []>,
1126                     RegConstraint<"$dst.reg = $ea_res">, NoEncode<"$ea_res">;
1128     def : Pat<(pre_store GPRC:$rS, ptr_rc:$ptrreg, iaddroff:$ptroff),
1129               (STWU GPRC:$rS, iaddroff:$ptroff, ptr_rc:$ptrreg)>;
1131   Here, the pair of ``ptroff`` and ``ptrreg`` operands is matched onto the
1132   complex operand ``dst`` of class ``memri`` in the ``STWU`` instruction.
1134 * While the system does automate a lot, it still allows you to write custom C++
1135   code to match special cases if there is something that is hard to
1136   express.
1138 While it has many strengths, the system currently has some limitations,
1139 primarily because it is a work in progress and is not yet finished:
1141 * Overall, there is no way to define or match SelectionDAG nodes that define
1142   multiple values (e.g. ``SMUL_LOHI``, ``LOAD``, ``CALL``, etc).  This is the
1143   biggest reason that you currently still *have to* write custom C++ code
1144   for your instruction selector.
1146 * There is no great way to support matching complex addressing modes yet.  In
1147   the future, we will extend pattern fragments to allow them to define multiple
1148   values (e.g. the four operands of the `X86 addressing mode`_, which are
1149   currently matched with custom C++ code).  In addition, we'll extend fragments
1150   so that a fragment can match multiple different patterns.
1152 * We don't automatically infer flags like ``isStore``/``isLoad`` yet.
1154 * We don't automatically generate the set of supported registers and operations
1155   for the `Legalizer`_ yet.
1157 * We don't have a way of tying in custom legalized nodes yet.
1159 Despite these limitations, the instruction selector generator is still quite
1160 useful for most of the binary and logical operations in typical instruction
1161 sets.  If you run into any problems or can't figure out how to do something,
1162 please let Chris know!
1164 .. _Scheduling and Formation:
1165 .. _SelectionDAG Scheduling and Formation:
1167 SelectionDAG Scheduling and Formation Phase
1168 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1170 The scheduling phase takes the DAG of target instructions from the selection
1171 phase and assigns an order.  The scheduler can pick an order depending on
1172 various constraints of the machines (i.e. order for minimal register pressure or
1173 try to cover instruction latencies).  Once an order is established, the DAG is
1174 converted to a list of :raw-html:`<tt>` `MachineInstr`_\s :raw-html:`</tt>` and
1175 the SelectionDAG is destroyed.
1177 Note that this phase is logically separate from the instruction selection phase,
1178 but is tied to it closely in the code because it operates on SelectionDAGs.
1180 Future directions for the SelectionDAG
1181 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1183 #. Optional function-at-a-time selection.
1185 #. Auto-generate entire selector from ``.td`` file.
1187 .. _SSA-based Machine Code Optimizations:
1189 SSA-based Machine Code Optimizations
1190 ------------------------------------
1192 To Be Written
1194 Live Intervals
1195 --------------
1197 Live Intervals are the ranges (intervals) where a variable is *live*.  They are
1198 used by some `register allocator`_ passes to determine if two or more virtual
1199 registers which require the same physical register are live at the same point in
1200 the program (i.e., they conflict).  When this situation occurs, one virtual
1201 register must be *spilled*.
1203 Live Variable Analysis
1204 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1206 The first step in determining the live intervals of variables is to calculate
1207 the set of registers that are immediately dead after the instruction (i.e., the
1208 instruction calculates the value, but it is never used) and the set of registers
1209 that are used by the instruction, but are never used after the instruction
1210 (i.e., they are killed). Live variable information is computed for
1211 each *virtual* register and *register allocatable* physical register
1212 in the function.  This is done in a very efficient manner because it uses SSA to
1213 sparsely compute lifetime information for virtual registers (which are in SSA
1214 form) and only has to track physical registers within a block.  Before register
1215 allocation, LLVM can assume that physical registers are only live within a
1216 single basic block.  This allows it to do a single, local analysis to resolve
1217 physical register lifetimes within each basic block. If a physical register is
1218 not register allocatable (e.g., a stack pointer or condition codes), it is not
1219 tracked.
1221 Physical registers may be live in to or out of a function. Live in values are
1222 typically arguments in registers. Live out values are typically return values in
1223 registers. Live in values are marked as such, and are given a dummy "defining"
1224 instruction during live intervals analysis. If the last basic block of a
1225 function is a ``return``, then it's marked as using all live out values in the
1226 function.
1228 ``PHI`` nodes need to be handled specially, because the calculation of the live
1229 variable information from a depth first traversal of the CFG of the function
1230 won't guarantee that a virtual register used by the ``PHI`` node is defined
1231 before it's used. When a ``PHI`` node is encountered, only the definition is
1232 handled, because the uses will be handled in other basic blocks.
1234 For each ``PHI`` node of the current basic block, we simulate an assignment at
1235 the end of the current basic block and traverse the successor basic blocks. If a
1236 successor basic block has a ``PHI`` node and one of the ``PHI`` node's operands
1237 is coming from the current basic block, then the variable is marked as *alive*
1238 within the current basic block and all of its predecessor basic blocks, until
1239 the basic block with the defining instruction is encountered.
1241 Live Intervals Analysis
1242 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1244 We now have the information available to perform the live intervals analysis and
1245 build the live intervals themselves.  We start off by numbering the basic blocks
1246 and machine instructions.  We then handle the "live-in" values.  These are in
1247 physical registers, so the physical register is assumed to be killed by the end
1248 of the basic block.  Live intervals for virtual registers are computed for some
1249 ordering of the machine instructions ``[1, N]``.  A live interval is an interval
1250 ``[i, j)``, where ``1 >= i >= j > N``, for which a variable is live.
1252 .. note::
1253   More to come...
1255 .. _Register Allocation:
1256 .. _register allocator:
1258 Register Allocation
1259 -------------------
1261 The *Register Allocation problem* consists in mapping a program
1262 :raw-html:`<b><tt>` P\ :sub:`v`\ :raw-html:`</tt></b>`, that can use an unbounded
1263 number of virtual registers, to a program :raw-html:`<b><tt>` P\ :sub:`p`\
1264 :raw-html:`</tt></b>` that contains a finite (possibly small) number of physical
1265 registers. Each target architecture has a different number of physical
1266 registers. If the number of physical registers is not enough to accommodate all
1267 the virtual registers, some of them will have to be mapped into memory. These
1268 virtuals are called *spilled virtuals*.
1270 How registers are represented in LLVM
1271 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1273 In LLVM, physical registers are denoted by integer numbers that normally range
1274 from 1 to 1023. To see how this numbering is defined for a particular
1275 architecture, you can read the ``GenRegisterNames.inc`` file for that
1276 architecture. For instance, by inspecting
1277 ``lib/Target/X86/X86GenRegisterInfo.inc`` we see that the 32-bit register
1278 ``EAX`` is denoted by 43, and the MMX register ``MM0`` is mapped to 65.
1280 Some architectures contain registers that share the same physical location. A
1281 notable example is the X86 platform. For instance, in the X86 architecture, the
1282 registers ``EAX``, ``AX`` and ``AL`` share the first eight bits. These physical
1283 registers are marked as *aliased* in LLVM. Given a particular architecture, you
1284 can check which registers are aliased by inspecting its ``RegisterInfo.td``
1285 file. Moreover, the class ``MCRegAliasIterator`` enumerates all the physical
1286 registers aliased to a register.
1288 Physical registers, in LLVM, are grouped in *Register Classes*.  Elements in the
1289 same register class are functionally equivalent, and can be interchangeably
1290 used. Each virtual register can only be mapped to physical registers of a
1291 particular class. For instance, in the X86 architecture, some virtuals can only
1292 be allocated to 8 bit registers.  A register class is described by
1293 ``TargetRegisterClass`` objects.  To discover if a virtual register is
1294 compatible with a given physical, this code can be used:
1296 .. code-block:: c++
1298   bool RegMapping_Fer::compatible_class(MachineFunction &mf,
1299                                         unsigned v_reg,
1300                                         unsigned p_reg) {
1301     assert(TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(p_reg) &&
1302            "Target register must be physical");
1303     const TargetRegisterClass *trc = mf.getRegInfo().getRegClass(v_reg);
1304     return trc->contains(p_reg);
1305   }
1307 Sometimes, mostly for debugging purposes, it is useful to change the number of
1308 physical registers available in the target architecture. This must be done
1309 statically, inside the ``TargetRegisterInfo.td`` file. Just ``grep`` for
1310 ``RegisterClass``, the last parameter of which is a list of registers. Just
1311 commenting some out is one simple way to avoid them being used. A more polite
1312 way is to explicitly exclude some registers from the *allocation order*. See the
1313 definition of the ``GR8`` register class in
1314 ``lib/Target/X86/X86RegisterInfo.td`` for an example of this.
1316 Virtual registers are also denoted by integer numbers. Contrary to physical
1317 registers, different virtual registers never share the same number. Whereas
1318 physical registers are statically defined in a ``TargetRegisterInfo.td`` file
1319 and cannot be created by the application developer, that is not the case with
1320 virtual registers. In order to create new virtual registers, use the method
1321 ``MachineRegisterInfo::createVirtualRegister()``. This method will return a new
1322 virtual register. Use an ``IndexedMap<Foo, VirtReg2IndexFunctor>`` to hold
1323 information per virtual register. If you need to enumerate all virtual
1324 registers, use the function ``TargetRegisterInfo::index2VirtReg()`` to find the
1325 virtual register numbers:
1327 .. code-block:: c++
1329     for (unsigned i = 0, e = MRI->getNumVirtRegs(); i != e; ++i) {
1330       unsigned VirtReg = TargetRegisterInfo::index2VirtReg(i);
1331       stuff(VirtReg);
1332     }
1334 Before register allocation, the operands of an instruction are mostly virtual
1335 registers, although physical registers may also be used. In order to check if a
1336 given machine operand is a register, use the boolean function
1337 ``MachineOperand::isRegister()``. To obtain the integer code of a register, use
1338 ``MachineOperand::getReg()``. An instruction may define or use a register. For
1339 instance, ``ADD reg:1026 := reg:1025 reg:1024`` defines the registers 1024, and
1340 uses registers 1025 and 1026. Given a register operand, the method
1341 ``MachineOperand::isUse()`` informs if that register is being used by the
1342 instruction. The method ``MachineOperand::isDef()`` informs if that registers is
1343 being defined.
1345 We will call physical registers present in the LLVM bitcode before register
1346 allocation *pre-colored registers*. Pre-colored registers are used in many
1347 different situations, for instance, to pass parameters of functions calls, and
1348 to store results of particular instructions. There are two types of pre-colored
1349 registers: the ones *implicitly* defined, and those *explicitly*
1350 defined. Explicitly defined registers are normal operands, and can be accessed
1351 with ``MachineInstr::getOperand(int)::getReg()``.  In order to check which
1352 registers are implicitly defined by an instruction, use the
1353 ``TargetInstrInfo::get(opcode)::ImplicitDefs``, where ``opcode`` is the opcode
1354 of the target instruction. One important difference between explicit and
1355 implicit physical registers is that the latter are defined statically for each
1356 instruction, whereas the former may vary depending on the program being
1357 compiled. For example, an instruction that represents a function call will
1358 always implicitly define or use the same set of physical registers. To read the
1359 registers implicitly used by an instruction, use
1360 ``TargetInstrInfo::get(opcode)::ImplicitUses``. Pre-colored registers impose
1361 constraints on any register allocation algorithm. The register allocator must
1362 make sure that none of them are overwritten by the values of virtual registers
1363 while still alive.
1365 Mapping virtual registers to physical registers
1366 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1368 There are two ways to map virtual registers to physical registers (or to memory
1369 slots). The first way, that we will call *direct mapping*, is based on the use
1370 of methods of the classes ``TargetRegisterInfo``, and ``MachineOperand``. The
1371 second way, that we will call *indirect mapping*, relies on the ``VirtRegMap``
1372 class in order to insert loads and stores sending and getting values to and from
1373 memory.
1375 The direct mapping provides more flexibility to the developer of the register
1376 allocator; however, it is more error prone, and demands more implementation
1377 work.  Basically, the programmer will have to specify where load and store
1378 instructions should be inserted in the target function being compiled in order
1379 to get and store values in memory. To assign a physical register to a virtual
1380 register present in a given operand, use ``MachineOperand::setReg(p_reg)``. To
1381 insert a store instruction, use ``TargetInstrInfo::storeRegToStackSlot(...)``,
1382 and to insert a load instruction, use ``TargetInstrInfo::loadRegFromStackSlot``.
1384 The indirect mapping shields the application developer from the complexities of
1385 inserting load and store instructions. In order to map a virtual register to a
1386 physical one, use ``VirtRegMap::assignVirt2Phys(vreg, preg)``.  In order to map
1387 a certain virtual register to memory, use
1388 ``VirtRegMap::assignVirt2StackSlot(vreg)``. This method will return the stack
1389 slot where ``vreg``'s value will be located.  If it is necessary to map another
1390 virtual register to the same stack slot, use
1391 ``VirtRegMap::assignVirt2StackSlot(vreg, stack_location)``. One important point
1392 to consider when using the indirect mapping, is that even if a virtual register
1393 is mapped to memory, it still needs to be mapped to a physical register. This
1394 physical register is the location where the virtual register is supposed to be
1395 found before being stored or after being reloaded.
1397 If the indirect strategy is used, after all the virtual registers have been
1398 mapped to physical registers or stack slots, it is necessary to use a spiller
1399 object to place load and store instructions in the code. Every virtual that has
1400 been mapped to a stack slot will be stored to memory after being defined and will
1401 be loaded before being used. The implementation of the spiller tries to recycle
1402 load/store instructions, avoiding unnecessary instructions. For an example of
1403 how to invoke the spiller, see ``RegAllocLinearScan::runOnMachineFunction`` in
1404 ``lib/CodeGen/RegAllocLinearScan.cpp``.
1406 Handling two address instructions
1407 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1409 With very rare exceptions (e.g., function calls), the LLVM machine code
1410 instructions are three address instructions. That is, each instruction is
1411 expected to define at most one register, and to use at most two registers.
1412 However, some architectures use two address instructions. In this case, the
1413 defined register is also one of the used registers. For instance, an instruction
1414 such as ``ADD %EAX, %EBX``, in X86 is actually equivalent to ``%EAX = %EAX +
1415 %EBX``.
1417 In order to produce correct code, LLVM must convert three address instructions
1418 that represent two address instructions into true two address instructions. LLVM
1419 provides the pass ``TwoAddressInstructionPass`` for this specific purpose. It
1420 must be run before register allocation takes place. After its execution, the
1421 resulting code may no longer be in SSA form. This happens, for instance, in
1422 situations where an instruction such as ``%a = ADD %b %c`` is converted to two
1423 instructions such as:
1427   %a = MOVE %b
1428   %a = ADD %a %c
1430 Notice that, internally, the second instruction is represented as ``ADD
1431 %a[def/use] %c``. I.e., the register operand ``%a`` is both used and defined by
1432 the instruction.
1434 The SSA deconstruction phase
1435 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1437 An important transformation that happens during register allocation is called
1438 the *SSA Deconstruction Phase*. The SSA form simplifies many analyses that are
1439 performed on the control flow graph of programs. However, traditional
1440 instruction sets do not implement PHI instructions. Thus, in order to generate
1441 executable code, compilers must replace PHI instructions with other instructions
1442 that preserve their semantics.
1444 There are many ways in which PHI instructions can safely be removed from the
1445 target code. The most traditional PHI deconstruction algorithm replaces PHI
1446 instructions with copy instructions. That is the strategy adopted by LLVM. The
1447 SSA deconstruction algorithm is implemented in
1448 ``lib/CodeGen/PHIElimination.cpp``. In order to invoke this pass, the identifier
1449 ``PHIEliminationID`` must be marked as required in the code of the register
1450 allocator.
1452 Instruction folding
1453 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1455 *Instruction folding* is an optimization performed during register allocation
1456 that removes unnecessary copy instructions. For instance, a sequence of
1457 instructions such as:
1461   %EBX = LOAD %mem_address
1462   %EAX = COPY %EBX
1464 can be safely substituted by the single instruction:
1468   %EAX = LOAD %mem_address
1470 Instructions can be folded with the
1471 ``TargetRegisterInfo::foldMemoryOperand(...)`` method. Care must be taken when
1472 folding instructions; a folded instruction can be quite different from the
1473 original instruction. See ``LiveIntervals::addIntervalsForSpills`` in
1474 ``lib/CodeGen/LiveIntervalAnalysis.cpp`` for an example of its use.
1476 Built in register allocators
1477 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1479 The LLVM infrastructure provides the application developer with three different
1480 register allocators:
1482 * *Fast* --- This register allocator is the default for debug builds. It
1483   allocates registers on a basic block level, attempting to keep values in
1484   registers and reusing registers as appropriate.
1486 * *Basic* --- This is an incremental approach to register allocation. Live
1487   ranges are assigned to registers one at a time in an order that is driven by
1488   heuristics. Since code can be rewritten on-the-fly during allocation, this
1489   framework allows interesting allocators to be developed as extensions. It is
1490   not itself a production register allocator but is a potentially useful
1491   stand-alone mode for triaging bugs and as a performance baseline.
1493 * *Greedy* --- *The default allocator*. This is a highly tuned implementation of
1494   the *Basic* allocator that incorporates global live range splitting. This
1495   allocator works hard to minimize the cost of spill code.
1497 * *PBQP* --- A Partitioned Boolean Quadratic Programming (PBQP) based register
1498   allocator. This allocator works by constructing a PBQP problem representing
1499   the register allocation problem under consideration, solving this using a PBQP
1500   solver, and mapping the solution back to a register assignment.
1502 The type of register allocator used in ``llc`` can be chosen with the command
1503 line option ``-regalloc=...``:
1505 .. code-block:: bash
1507   $ llc -regalloc=linearscan file.bc -o ln.s
1508   $ llc -regalloc=fast file.bc -o fa.s
1509   $ llc -regalloc=pbqp file.bc -o pbqp.s
1511 .. _Prolog/Epilog Code Insertion:
1513 Prolog/Epilog Code Insertion
1514 ----------------------------
1516 .. note::
1518   To Be Written
1520 Compact Unwind
1521 --------------
1523 Throwing an exception requires *unwinding* out of a function. The information on
1524 how to unwind a given function is traditionally expressed in DWARF unwind
1525 (a.k.a. frame) info. But that format was originally developed for debuggers to
1526 backtrace, and each Frame Description Entry (FDE) requires ~20-30 bytes per
1527 function. There is also the cost of mapping from an address in a function to the
1528 corresponding FDE at runtime. An alternative unwind encoding is called *compact
1529 unwind* and requires just 4-bytes per function.
1531 The compact unwind encoding is a 32-bit value, which is encoded in an
1532 architecture-specific way. It specifies which registers to restore and from
1533 where, and how to unwind out of the function. When the linker creates a final
1534 linked image, it will create a ``__TEXT,__unwind_info`` section. This section is
1535 a small and fast way for the runtime to access unwind info for any given
1536 function. If we emit compact unwind info for the function, that compact unwind
1537 info will be encoded in the ``__TEXT,__unwind_info`` section. If we emit DWARF
1538 unwind info, the ``__TEXT,__unwind_info`` section will contain the offset of the
1539 FDE in the ``__TEXT,__eh_frame`` section in the final linked image.
1541 For X86, there are three modes for the compact unwind encoding:
1543 *Function with a Frame Pointer (``EBP`` or ``RBP``)*
1544   ``EBP/RBP``-based frame, where ``EBP/RBP`` is pushed onto the stack
1545   immediately after the return address, then ``ESP/RSP`` is moved to
1546   ``EBP/RBP``. Thus to unwind, ``ESP/RSP`` is restored with the current
1547   ``EBP/RBP`` value, then ``EBP/RBP`` is restored by popping the stack, and the
1548   return is done by popping the stack once more into the PC. All non-volatile
1549   registers that need to be restored must have been saved in a small range on
1550   the stack that starts ``EBP-4`` to ``EBP-1020`` (``RBP-8`` to
1551   ``RBP-1020``). The offset (divided by 4 in 32-bit mode and 8 in 64-bit mode)
1552   is encoded in bits 16-23 (mask: ``0x00FF0000``).  The registers saved are
1553   encoded in bits 0-14 (mask: ``0x00007FFF``) as five 3-bit entries from the
1554   following table:
1556     ==============  =============  ===============
1557     Compact Number  i386 Register  x86-64 Register
1558     ==============  =============  ===============
1559     1               ``EBX``        ``RBX``
1560     2               ``ECX``        ``R12``
1561     3               ``EDX``        ``R13``
1562     4               ``EDI``        ``R14``
1563     5               ``ESI``        ``R15``
1564     6               ``EBP``        ``RBP``
1565     ==============  =============  ===============
1567 *Frameless with a Small Constant Stack Size (``EBP`` or ``RBP`` is not used as a frame pointer)*
1568   To return, a constant (encoded in the compact unwind encoding) is added to the
1569   ``ESP/RSP``.  Then the return is done by popping the stack into the PC. All
1570   non-volatile registers that need to be restored must have been saved on the
1571   stack immediately after the return address. The stack size (divided by 4 in
1572   32-bit mode and 8 in 64-bit mode) is encoded in bits 16-23 (mask:
1573   ``0x00FF0000``). There is a maximum stack size of 1024 bytes in 32-bit mode
1574   and 2048 in 64-bit mode. The number of registers saved is encoded in bits 9-12
1575   (mask: ``0x00001C00``). Bits 0-9 (mask: ``0x000003FF``) contain which
1576   registers were saved and their order. (See the
1577   ``encodeCompactUnwindRegistersWithoutFrame()`` function in
1578   ``lib/Target/X86FrameLowering.cpp`` for the encoding algorithm.)
1580 *Frameless with a Large Constant Stack Size (``EBP`` or ``RBP`` is not used as a frame pointer)*
1581   This case is like the "Frameless with a Small Constant Stack Size" case, but
1582   the stack size is too large to encode in the compact unwind encoding. Instead
1583   it requires that the function contains "``subl $nnnnnn, %esp``" in its
1584   prolog. The compact encoding contains the offset to the ``$nnnnnn`` value in
1585   the function in bits 9-12 (mask: ``0x00001C00``).
1587 .. _Late Machine Code Optimizations:
1589 Late Machine Code Optimizations
1590 -------------------------------
1592 .. note::
1594   To Be Written
1596 .. _Code Emission:
1598 Code Emission
1599 -------------
1601 The code emission step of code generation is responsible for lowering from the
1602 code generator abstractions (like `MachineFunction`_, `MachineInstr`_, etc) down
1603 to the abstractions used by the MC layer (`MCInst`_, `MCStreamer`_, etc).  This
1604 is done with a combination of several different classes: the (misnamed)
1605 target-independent AsmPrinter class, target-specific subclasses of AsmPrinter
1606 (such as SparcAsmPrinter), and the TargetLoweringObjectFile class.
1608 Since the MC layer works at the level of abstraction of object files, it doesn't
1609 have a notion of functions, global variables etc.  Instead, it thinks about
1610 labels, directives, and instructions.  A key class used at this time is the
1611 MCStreamer class.  This is an abstract API that is implemented in different ways
1612 (e.g. to output a .s file, output an ELF .o file, etc) that is effectively an
1613 "assembler API".  MCStreamer has one method per directive, such as EmitLabel,
1614 EmitSymbolAttribute, switchSection, etc, which directly correspond to assembly
1615 level directives.
1617 If you are interested in implementing a code generator for a target, there are
1618 three important things that you have to implement for your target:
1620 #. First, you need a subclass of AsmPrinter for your target.  This class
1621    implements the general lowering process converting MachineFunction's into MC
1622    label constructs.  The AsmPrinter base class provides a number of useful
1623    methods and routines, and also allows you to override the lowering process in
1624    some important ways.  You should get much of the lowering for free if you are
1625    implementing an ELF, COFF, or MachO target, because the
1626    TargetLoweringObjectFile class implements much of the common logic.
1628 #. Second, you need to implement an instruction printer for your target.  The
1629    instruction printer takes an `MCInst`_ and renders it to a raw_ostream as
1630    text.  Most of this is automatically generated from the .td file (when you
1631    specify something like "``add $dst, $src1, $src2``" in the instructions), but
1632    you need to implement routines to print operands.
1634 #. Third, you need to implement code that lowers a `MachineInstr`_ to an MCInst,
1635    usually implemented in "<target>MCInstLower.cpp".  This lowering process is
1636    often target specific, and is responsible for turning jump table entries,
1637    constant pool indices, global variable addresses, etc into MCLabels as
1638    appropriate.  This translation layer is also responsible for expanding pseudo
1639    ops used by the code generator into the actual machine instructions they
1640    correspond to. The MCInsts that are generated by this are fed into the
1641    instruction printer or the encoder.
1643 Finally, at your choosing, you can also implement a subclass of MCCodeEmitter
1644 which lowers MCInst's into machine code bytes and relocations.  This is
1645 important if you want to support direct .o file emission, or would like to
1646 implement an assembler for your target.
1648 Emitting function stack size information
1649 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1651 A section containing metadata on function stack sizes will be emitted when
1652 ``TargetLoweringObjectFile::StackSizesSection`` is not null, and
1653 ``TargetOptions::EmitStackSizeSection`` is set (-stack-size-section). The
1654 section will contain an array of pairs of function symbol values (pointer size)
1655 and stack sizes (unsigned LEB128). The stack size values only include the space
1656 allocated in the function prologue. Functions with dynamic stack allocations are
1657 not included.
1659 VLIW Packetizer
1660 ---------------
1662 In a Very Long Instruction Word (VLIW) architecture, the compiler is responsible
1663 for mapping instructions to functional-units available on the architecture. To
1664 that end, the compiler creates groups of instructions called *packets* or
1665 *bundles*. The VLIW packetizer in LLVM is a target-independent mechanism to
1666 enable the packetization of machine instructions.
1668 Mapping from instructions to functional units
1669 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1671 Instructions in a VLIW target can typically be mapped to multiple functional
1672 units. During the process of packetizing, the compiler must be able to reason
1673 about whether an instruction can be added to a packet. This decision can be
1674 complex since the compiler has to examine all possible mappings of instructions
1675 to functional units. Therefore to alleviate compilation-time complexity, the
1676 VLIW packetizer parses the instruction classes of a target and generates tables
1677 at compiler build time. These tables can then be queried by the provided
1678 machine-independent API to determine if an instruction can be accommodated in a
1679 packet.
1681 How the packetization tables are generated and used
1682 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1684 The packetizer reads instruction classes from a target's itineraries and creates
1685 a deterministic finite automaton (DFA) to represent the state of a packet. A DFA
1686 consists of three major elements: inputs, states, and transitions. The set of
1687 inputs for the generated DFA represents the instruction being added to a
1688 packet. The states represent the possible consumption of functional units by
1689 instructions in a packet. In the DFA, transitions from one state to another
1690 occur on the addition of an instruction to an existing packet. If there is a
1691 legal mapping of functional units to instructions, then the DFA contains a
1692 corresponding transition. The absence of a transition indicates that a legal
1693 mapping does not exist and that the instruction cannot be added to the packet.
1695 To generate tables for a VLIW target, add *Target*\ GenDFAPacketizer.inc as a
1696 target to the Makefile in the target directory. The exported API provides three
1697 functions: ``DFAPacketizer::clearResources()``,
1698 ``DFAPacketizer::reserveResources(MachineInstr *MI)``, and
1699 ``DFAPacketizer::canReserveResources(MachineInstr *MI)``. These functions allow
1700 a target packetizer to add an instruction to an existing packet and to check
1701 whether an instruction can be added to a packet. See
1702 ``llvm/CodeGen/DFAPacketizer.h`` for more information.
1704 Implementing a Native Assembler
1705 ===============================
1707 Though you're probably reading this because you want to write or maintain a
1708 compiler backend, LLVM also fully supports building a native assembler.
1709 We've tried hard to automate the generation of the assembler from the .td files
1710 (in particular the instruction syntax and encodings), which means that a large
1711 part of the manual and repetitive data entry can be factored and shared with the
1712 compiler.
1714 Instruction Parsing
1715 -------------------
1717 .. note::
1719   To Be Written
1722 Instruction Alias Processing
1723 ----------------------------
1725 Once the instruction is parsed, it enters the MatchInstructionImpl function.
1726 The MatchInstructionImpl function performs alias processing and then does actual
1727 matching.
1729 Alias processing is the phase that canonicalizes different lexical forms of the
1730 same instructions down to one representation.  There are several different kinds
1731 of alias that are possible to implement and they are listed below in the order
1732 that they are processed (which is in order from simplest/weakest to most
1733 complex/powerful).  Generally you want to use the first alias mechanism that
1734 meets the needs of your instruction, because it will allow a more concise
1735 description.
1737 Mnemonic Aliases
1738 ^^^^^^^^^^^^^^^^
1740 The first phase of alias processing is simple instruction mnemonic remapping for
1741 classes of instructions which are allowed with two different mnemonics.  This
1742 phase is a simple and unconditionally remapping from one input mnemonic to one
1743 output mnemonic.  It isn't possible for this form of alias to look at the
1744 operands at all, so the remapping must apply for all forms of a given mnemonic.
1745 Mnemonic aliases are defined simply, for example X86 has:
1749   def : MnemonicAlias<"cbw",     "cbtw">;
1750   def : MnemonicAlias<"smovq",   "movsq">;
1751   def : MnemonicAlias<"fldcww",  "fldcw">;
1752   def : MnemonicAlias<"fucompi", "fucomip">;
1753   def : MnemonicAlias<"ud2a",    "ud2">;
1755 ... and many others.  With a MnemonicAlias definition, the mnemonic is remapped
1756 simply and directly.  Though MnemonicAlias's can't look at any aspect of the
1757 instruction (such as the operands) they can depend on global modes (the same
1758 ones supported by the matcher), through a Requires clause:
1762   def : MnemonicAlias<"pushf", "pushfq">, Requires<[In64BitMode]>;
1763   def : MnemonicAlias<"pushf", "pushfl">, Requires<[In32BitMode]>;
1765 In this example, the mnemonic gets mapped into a different one depending on
1766 the current instruction set.
1768 Instruction Aliases
1769 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1771 The most general phase of alias processing occurs while matching is happening:
1772 it provides new forms for the matcher to match along with a specific instruction
1773 to generate.  An instruction alias has two parts: the string to match and the
1774 instruction to generate.  For example:
1778   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX16rr8W GR16:$dst, GR8  :$src)>;
1779   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX16rm8W GR16:$dst, i8mem:$src)>;
1780   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX32rr8  GR32:$dst, GR8  :$src)>;
1781   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX32rr16 GR32:$dst, GR16 :$src)>;
1782   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX64rr8  GR64:$dst, GR8  :$src)>;
1783   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX64rr16 GR64:$dst, GR16 :$src)>;
1784   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX64rr32 GR64:$dst, GR32 :$src)>;
1786 This shows a powerful example of the instruction aliases, matching the same
1787 mnemonic in multiple different ways depending on what operands are present in
1788 the assembly.  The result of instruction aliases can include operands in a
1789 different order than the destination instruction, and can use an input multiple
1790 times, for example:
1794   def : InstAlias<"clrb $reg", (XOR8rr  GR8 :$reg, GR8 :$reg)>;
1795   def : InstAlias<"clrw $reg", (XOR16rr GR16:$reg, GR16:$reg)>;
1796   def : InstAlias<"clrl $reg", (XOR32rr GR32:$reg, GR32:$reg)>;
1797   def : InstAlias<"clrq $reg", (XOR64rr GR64:$reg, GR64:$reg)>;
1799 This example also shows that tied operands are only listed once.  In the X86
1800 backend, XOR8rr has two input GR8's and one output GR8 (where an input is tied
1801 to the output).  InstAliases take a flattened operand list without duplicates
1802 for tied operands.  The result of an instruction alias can also use immediates
1803 and fixed physical registers which are added as simple immediate operands in the
1804 result, for example:
1808   // Fixed Immediate operand.
1809   def : InstAlias<"aad", (AAD8i8 10)>;
1811   // Fixed register operand.
1812   def : InstAlias<"fcomi", (COM_FIr ST1)>;
1814   // Simple alias.
1815   def : InstAlias<"fcomi $reg", (COM_FIr RST:$reg)>;
1817 Instruction aliases can also have a Requires clause to make them subtarget
1818 specific.
1820 If the back-end supports it, the instruction printer can automatically emit the
1821 alias rather than what's being aliased. It typically leads to better, more
1822 readable code. If it's better to print out what's being aliased, then pass a '0'
1823 as the third parameter to the InstAlias definition.
1825 Instruction Matching
1826 --------------------
1828 .. note::
1830   To Be Written
1832 .. _Implementations of the abstract target description interfaces:
1833 .. _implement the target description:
1835 Target-specific Implementation Notes
1836 ====================================
1838 This section of the document explains features or design decisions that are
1839 specific to the code generator for a particular target.
1841 .. _tail call section:
1843 Tail call optimization
1844 ----------------------
1846 Tail call optimization, callee reusing the stack of the caller, is currently
1847 supported on x86/x86-64, PowerPC, AArch64, and WebAssembly. It is performed on
1848 x86/x86-64, PowerPC, and AArch64 if:
1850 * Caller and callee have the calling convention ``fastcc``, ``cc 10`` (GHC
1851   calling convention), ``cc 11`` (HiPE calling convention), ``tailcc``, or
1852   ``swifttailcc``.
1854 * The call is a tail call - in tail position (ret immediately follows call and
1855   ret uses value of call or is void).
1857 * Option ``-tailcallopt`` is enabled or the calling convention is ``tailcc``.
1859 * Platform-specific constraints are met.
1861 x86/x86-64 constraints:
1863 * No variable argument lists are used.
1865 * On x86-64 when generating GOT/PIC code only module-local calls (visibility =
1866   hidden or protected) are supported.
1868 PowerPC constraints:
1870 * No variable argument lists are used.
1872 * No byval parameters are used.
1874 * On ppc32/64 GOT/PIC only module-local calls (visibility = hidden or protected)
1875   are supported.
1877 WebAssembly constraints:
1879 * No variable argument lists are used
1881 * The 'tail-call' target attribute is enabled.
1883 * The caller and callee's return types must match. The caller cannot
1884   be void unless the callee is, too.
1886 AArch64 constraints:
1888 * No variable argument lists are used.
1890 Example:
1892 Call as ``llc -tailcallopt test.ll``.
1894 .. code-block:: llvm
1896   declare fastcc i32 @tailcallee(i32 inreg %a1, i32 inreg %a2, i32 %a3, i32 %a4)
1898   define fastcc i32 @tailcaller(i32 %in1, i32 %in2) {
1899     %l1 = add i32 %in1, %in2
1900     %tmp = tail call fastcc i32 @tailcallee(i32 inreg %in1, i32 inreg %in2, i32 %in1, i32 %l1)
1901     ret i32 %tmp
1902   }
1904 Implications of ``-tailcallopt``:
1906 To support tail call optimization in situations where the callee has more
1907 arguments than the caller a 'callee pops arguments' convention is used. This
1908 currently causes each ``fastcc`` call that is not tail call optimized (because
1909 one or more of above constraints are not met) to be followed by a readjustment
1910 of the stack. So performance might be worse in such cases.
1912 Sibling call optimization
1913 -------------------------
1915 Sibling call optimization is a restricted form of tail call optimization.
1916 Unlike tail call optimization described in the previous section, it can be
1917 performed automatically on any tail calls when ``-tailcallopt`` option is not
1918 specified.
1920 Sibling call optimization is currently performed on x86/x86-64 when the
1921 following constraints are met:
1923 * Caller and callee have the same calling convention. It can be either ``c`` or
1924   ``fastcc``.
1926 * The call is a tail call - in tail position (ret immediately follows call and
1927   ret uses value of call or is void).
1929 * Caller and callee have matching return type or the callee result is not used.
1931 * If any of the callee arguments are being passed in stack, they must be
1932   available in caller's own incoming argument stack and the frame offsets must
1933   be the same.
1935 Example:
1937 .. code-block:: llvm
1939   declare i32 @bar(i32, i32)
1941   define i32 @foo(i32 %a, i32 %b, i32 %c) {
1942   entry:
1943     %0 = tail call i32 @bar(i32 %a, i32 %b)
1944     ret i32 %0
1945   }
1947 The X86 backend
1948 ---------------
1950 The X86 code generator lives in the ``lib/Target/X86`` directory.  This code
1951 generator is capable of targeting a variety of x86-32 and x86-64 processors, and
1952 includes support for ISA extensions such as MMX and SSE.
1954 X86 Target Triples supported
1955 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1957 The following are the known target triples that are supported by the X86
1958 backend.  This is not an exhaustive list, and it would be useful to add those
1959 that people test.
1961 * **i686-pc-linux-gnu** --- Linux
1963 * **i386-unknown-freebsd5.3** --- FreeBSD 5.3
1965 * **i686-pc-cygwin** --- Cygwin on Win32
1967 * **i686-pc-mingw32** --- MingW on Win32
1969 * **i386-pc-mingw32msvc** --- MingW crosscompiler on Linux
1971 * **i686-apple-darwin*** --- Apple Darwin on X86
1973 * **x86_64-unknown-linux-gnu** --- Linux
1975 X86 Calling Conventions supported
1976 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1978 The following target-specific calling conventions are known to backend:
1980 * **x86_StdCall** --- stdcall calling convention seen on Microsoft Windows
1981   platform (CC ID = 64).
1983 * **x86_FastCall** --- fastcall calling convention seen on Microsoft Windows
1984   platform (CC ID = 65).
1986 * **x86_ThisCall** --- Similar to X86_StdCall. Passes first argument in ECX,
1987   others via stack. Callee is responsible for stack cleaning. This convention is
1988   used by MSVC by default for methods in its ABI (CC ID = 70).
1990 .. _X86 addressing mode:
1992 Representing X86 addressing modes in MachineInstrs
1993 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1995 The x86 has a very flexible way of accessing memory.  It is capable of forming
1996 memory addresses of the following expression directly in integer instructions
1997 (which use ModR/M addressing):
2001   SegmentReg: Base + [1,2,4,8] * IndexReg + Disp32
2003 In order to represent this, LLVM tracks no less than 5 operands for each memory
2004 operand of this form.  This means that the "load" form of '``mov``' has the
2005 following ``MachineOperand``\s in this order:
2009   Index:        0     |    1        2       3           4          5
2010   Meaning:   DestReg, | BaseReg,  Scale, IndexReg, Displacement Segment
2011   OperandTy: VirtReg, | VirtReg, UnsImm, VirtReg,   SignExtImm  PhysReg
2013 Stores, and all other instructions, treat the four memory operands in the same
2014 way and in the same order.  If the segment register is unspecified (regno = 0),
2015 then no segment override is generated.  "Lea" operations do not have a segment
2016 register specified, so they only have 4 operands for their memory reference.
2018 X86 address spaces supported
2019 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2021 x86 has a feature which provides the ability to perform loads and stores to
2022 different address spaces via the x86 segment registers.  A segment override
2023 prefix byte on an instruction causes the instruction's memory access to go to
2024 the specified segment.  LLVM address space 0 is the default address space, which
2025 includes the stack, and any unqualified memory accesses in a program.  Address
2026 spaces 1-255 are currently reserved for user-defined code.  The GS-segment is
2027 represented by address space 256, the FS-segment is represented by address space
2028 257, and the SS-segment is represented by address space 258. Other x86 segments
2029 have yet to be allocated address space numbers.
2031 While these address spaces may seem similar to TLS via the ``thread_local``
2032 keyword, and often use the same underlying hardware, there are some fundamental
2033 differences.
2035 The ``thread_local`` keyword applies to global variables and specifies that they
2036 are to be allocated in thread-local memory. There are no type qualifiers
2037 involved, and these variables can be pointed to with normal pointers and
2038 accessed with normal loads and stores.  The ``thread_local`` keyword is
2039 target-independent at the LLVM IR level (though LLVM doesn't yet have
2040 implementations of it for some configurations)
2042 Special address spaces, in contrast, apply to static types. Every load and store
2043 has a particular address space in its address operand type, and this is what
2044 determines which address space is accessed.  LLVM ignores these special address
2045 space qualifiers on global variables, and does not provide a way to directly
2046 allocate storage in them.  At the LLVM IR level, the behavior of these special
2047 address spaces depends in part on the underlying OS or runtime environment, and
2048 they are specific to x86 (and LLVM doesn't yet handle them correctly in some
2049 cases).
2051 Some operating systems and runtime environments use (or may in the future use)
2052 the FS/GS-segment registers for various low-level purposes, so care should be
2053 taken when considering them.
2055 Instruction naming
2056 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2058 An instruction name consists of the base name, a default operand size, and a
2059 character per operand with an optional special size. For example:
2063   ADD8rr      -> add, 8-bit register, 8-bit register
2064   IMUL16rmi   -> imul, 16-bit register, 16-bit memory, 16-bit immediate
2065   IMUL16rmi8  -> imul, 16-bit register, 16-bit memory, 8-bit immediate
2066   MOVSX32rm16 -> movsx, 32-bit register, 16-bit memory
2068 The PowerPC backend
2069 -------------------
2071 The PowerPC code generator lives in the lib/Target/PowerPC directory.  The code
2072 generation is retargetable to several variations or *subtargets* of the PowerPC
2073 ISA; including ppc32, ppc64 and altivec.
2075 LLVM PowerPC ABI
2076 ^^^^^^^^^^^^^^^^
2078 LLVM follows the AIX PowerPC ABI, with two deviations. LLVM uses a PC relative
2079 (PIC) or static addressing for accessing global values, so no TOC (r2) is
2080 used. Second, r31 is used as a frame pointer to allow dynamic growth of a stack
2081 frame.  LLVM takes advantage of having no TOC to provide space to save the frame
2082 pointer in the PowerPC linkage area of the caller frame.  Other details of
2083 PowerPC ABI can be found at `PowerPC ABI
2084 <http://developer.apple.com/documentation/DeveloperTools/Conceptual/LowLevelABI/Articles/32bitPowerPC.html>`_\
2085 . Note: This link describes the 32 bit ABI.  The 64 bit ABI is similar except
2086 space for GPRs are 8 bytes wide (not 4) and r13 is reserved for system use.
2088 Frame Layout
2089 ^^^^^^^^^^^^
2091 The size of a PowerPC frame is usually fixed for the duration of a function's
2092 invocation.  Since the frame is fixed size, all references into the frame can be
2093 accessed via fixed offsets from the stack pointer.  The exception to this is
2094 when dynamic alloca or variable sized arrays are present, then a base pointer
2095 (r31) is used as a proxy for the stack pointer and stack pointer is free to grow
2096 or shrink.  A base pointer is also used if llvm-gcc is not passed the
2097 -fomit-frame-pointer flag. The stack pointer is always aligned to 16 bytes, so
2098 that space allocated for altivec vectors will be properly aligned.
2100 An invocation frame is laid out as follows (low memory at top):
2102 :raw-html:`<table border="1" cellspacing="0">`
2103 :raw-html:`<tr>`
2104 :raw-html:`<td>Linkage<br><br></td>`
2105 :raw-html:`</tr>`
2106 :raw-html:`<tr>`
2107 :raw-html:`<td>Parameter area<br><br></td>`
2108 :raw-html:`</tr>`
2109 :raw-html:`<tr>`
2110 :raw-html:`<td>Dynamic area<br><br></td>`
2111 :raw-html:`</tr>`
2112 :raw-html:`<tr>`
2113 :raw-html:`<td>Locals area<br><br></td>`
2114 :raw-html:`</tr>`
2115 :raw-html:`<tr>`
2116 :raw-html:`<td>Saved registers area<br><br></td>`
2117 :raw-html:`</tr>`
2118 :raw-html:`<tr style="border-style: none hidden none hidden;">`
2119 :raw-html:`<td><br></td>`
2120 :raw-html:`</tr>`
2121 :raw-html:`<tr>`
2122 :raw-html:`<td>Previous Frame<br><br></td>`
2123 :raw-html:`</tr>`
2124 :raw-html:`</table>`
2126 The *linkage* area is used by a callee to save special registers prior to
2127 allocating its own frame.  Only three entries are relevant to LLVM. The first
2128 entry is the previous stack pointer (sp), aka link.  This allows probing tools
2129 like gdb or exception handlers to quickly scan the frames in the stack.  A
2130 function epilog can also use the link to pop the frame from the stack.  The
2131 third entry in the linkage area is used to save the return address from the lr
2132 register. Finally, as mentioned above, the last entry is used to save the
2133 previous frame pointer (r31.)  The entries in the linkage area are the size of a
2134 GPR, thus the linkage area is 24 bytes long in 32 bit mode and 48 bytes in 64
2135 bit mode.
2137 32 bit linkage area:
2139 :raw-html:`<table  border="1" cellspacing="0">`
2140 :raw-html:`<tr>`
2141 :raw-html:`<td>0</td>`
2142 :raw-html:`<td>Saved SP (r1)</td>`
2143 :raw-html:`</tr>`
2144 :raw-html:`<tr>`
2145 :raw-html:`<td>4</td>`
2146 :raw-html:`<td>Saved CR</td>`
2147 :raw-html:`</tr>`
2148 :raw-html:`<tr>`
2149 :raw-html:`<td>8</td>`
2150 :raw-html:`<td>Saved LR</td>`
2151 :raw-html:`</tr>`
2152 :raw-html:`<tr>`
2153 :raw-html:`<td>12</td>`
2154 :raw-html:`<td>Reserved</td>`
2155 :raw-html:`</tr>`
2156 :raw-html:`<tr>`
2157 :raw-html:`<td>16</td>`
2158 :raw-html:`<td>Reserved</td>`
2159 :raw-html:`</tr>`
2160 :raw-html:`<tr>`
2161 :raw-html:`<td>20</td>`
2162 :raw-html:`<td>Saved FP (r31)</td>`
2163 :raw-html:`</tr>`
2164 :raw-html:`</table>`
2166 64 bit linkage area:
2168 :raw-html:`<table border="1" cellspacing="0">`
2169 :raw-html:`<tr>`
2170 :raw-html:`<td>0</td>`
2171 :raw-html:`<td>Saved SP (r1)</td>`
2172 :raw-html:`</tr>`
2173 :raw-html:`<tr>`
2174 :raw-html:`<td>8</td>`
2175 :raw-html:`<td>Saved CR</td>`
2176 :raw-html:`</tr>`
2177 :raw-html:`<tr>`
2178 :raw-html:`<td>16</td>`
2179 :raw-html:`<td>Saved LR</td>`
2180 :raw-html:`</tr>`
2181 :raw-html:`<tr>`
2182 :raw-html:`<td>24</td>`
2183 :raw-html:`<td>Reserved</td>`
2184 :raw-html:`</tr>`
2185 :raw-html:`<tr>`
2186 :raw-html:`<td>32</td>`
2187 :raw-html:`<td>Reserved</td>`
2188 :raw-html:`</tr>`
2189 :raw-html:`<tr>`
2190 :raw-html:`<td>40</td>`
2191 :raw-html:`<td>Saved FP (r31)</td>`
2192 :raw-html:`</tr>`
2193 :raw-html:`</table>`
2195 The *parameter area* is used to store arguments being passed to a callee
2196 function.  Following the PowerPC ABI, the first few arguments are actually
2197 passed in registers, with the space in the parameter area unused.  However, if
2198 there are not enough registers or the callee is a thunk or vararg function,
2199 these register arguments can be spilled into the parameter area.  Thus, the
2200 parameter area must be large enough to store all the parameters for the largest
2201 call sequence made by the caller.  The size must also be minimally large enough
2202 to spill registers r3-r10.  This allows callees blind to the call signature,
2203 such as thunks and vararg functions, enough space to cache the argument
2204 registers.  Therefore, the parameter area is minimally 32 bytes (64 bytes in 64
2205 bit mode.)  Also note that since the parameter area is a fixed offset from the
2206 top of the frame, that a callee can access its split arguments using fixed
2207 offsets from the stack pointer (or base pointer.)
2209 Combining the information about the linkage, parameter areas and alignment. A
2210 stack frame is minimally 64 bytes in 32 bit mode and 128 bytes in 64 bit mode.
2212 The *dynamic area* starts out as size zero.  If a function uses dynamic alloca
2213 then space is added to the stack, the linkage and parameter areas are shifted to
2214 top of stack, and the new space is available immediately below the linkage and
2215 parameter areas.  The cost of shifting the linkage and parameter areas is minor
2216 since only the link value needs to be copied.  The link value can be easily
2217 fetched by adding the original frame size to the base pointer.  Note that
2218 allocations in the dynamic space need to observe 16 byte alignment.
2220 The *locals area* is where the llvm compiler reserves space for local variables.
2222 The *saved registers area* is where the llvm compiler spills callee saved
2223 registers on entry to the callee.
2225 Prolog/Epilog
2226 ^^^^^^^^^^^^^
2228 The llvm prolog and epilog are the same as described in the PowerPC ABI, with
2229 the following exceptions.  Callee saved registers are spilled after the frame is
2230 created.  This allows the llvm epilog/prolog support to be common with other
2231 targets.  The base pointer callee saved register r31 is saved in the TOC slot of
2232 linkage area.  This simplifies allocation of space for the base pointer and
2233 makes it convenient to locate programmatically and during debugging.
2235 Dynamic Allocation
2236 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2238 .. note::
2240   TODO - More to come.
2242 The NVPTX backend
2243 -----------------
2245 The NVPTX code generator under lib/Target/NVPTX is an open-source version of
2246 the NVIDIA NVPTX code generator for LLVM.  It is contributed by NVIDIA and is
2247 a port of the code generator used in the CUDA compiler (nvcc).  It targets the
2248 PTX 3.0/3.1 ISA and can target any compute capability greater than or equal to
2249 2.0 (Fermi).
2251 This target is of production quality and should be completely compatible with
2252 the official NVIDIA toolchain.
2254 Code Generator Options:
2256 :raw-html:`<table border="1" cellspacing="0">`
2257 :raw-html:`<tr>`
2258 :raw-html:`<th>Option</th>`
2259 :raw-html:`<th>Description</th>`
2260 :raw-html:`</tr>`
2261 :raw-html:`<tr>`
2262 :raw-html:`<td>sm_20</td>`
2263 :raw-html:`<td align="left">Set shader model/compute capability to 2.0</td>`
2264 :raw-html:`</tr>`
2265 :raw-html:`<tr>`
2266 :raw-html:`<td>sm_21</td>`
2267 :raw-html:`<td align="left">Set shader model/compute capability to 2.1</td>`
2268 :raw-html:`</tr>`
2269 :raw-html:`<tr>`
2270 :raw-html:`<td>sm_30</td>`
2271 :raw-html:`<td align="left">Set shader model/compute capability to 3.0</td>`
2272 :raw-html:`</tr>`
2273 :raw-html:`<tr>`
2274 :raw-html:`<td>sm_35</td>`
2275 :raw-html:`<td align="left">Set shader model/compute capability to 3.5</td>`
2276 :raw-html:`</tr>`
2277 :raw-html:`<tr>`
2278 :raw-html:`<td>ptx30</td>`
2279 :raw-html:`<td align="left">Target PTX 3.0</td>`
2280 :raw-html:`</tr>`
2281 :raw-html:`<tr>`
2282 :raw-html:`<td>ptx31</td>`
2283 :raw-html:`<td align="left">Target PTX 3.1</td>`
2284 :raw-html:`</tr>`
2285 :raw-html:`</table>`
2287 The extended Berkeley Packet Filter (eBPF) backend
2288 --------------------------------------------------
2290 Extended BPF (or eBPF) is similar to the original ("classic") BPF (cBPF) used
2291 to filter network packets.  The
2292 `bpf() system call <http://man7.org/linux/man-pages/man2/bpf.2.html>`_
2293 performs a range of operations related to eBPF.  For both cBPF and eBPF
2294 programs, the Linux kernel statically analyzes the programs before loading
2295 them, in order to ensure that they cannot harm the running system.  eBPF is
2296 a 64-bit RISC instruction set designed for one to one mapping to 64-bit CPUs.
2297 Opcodes are 8-bit encoded, and 87 instructions are defined.  There are 10
2298 registers, grouped by function as outlined below.
2302   R0        return value from in-kernel functions; exit value for eBPF program
2303   R1 - R5   function call arguments to in-kernel functions
2304   R6 - R9   callee-saved registers preserved by in-kernel functions
2305   R10       stack frame pointer (read only)
2307 Instruction encoding (arithmetic and jump)
2308 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2309 eBPF is reusing most of the opcode encoding from classic to simplify conversion
2310 of classic BPF to eBPF.  For arithmetic and jump instructions the 8-bit 'code'
2311 field is divided into three parts:
2315   +----------------+--------+--------------------+
2316   |   4 bits       |  1 bit |   3 bits           |
2317   | operation code | source | instruction class  |
2318   +----------------+--------+--------------------+
2319   (MSB)                                      (LSB)
2321 Three LSB bits store instruction class which is one of:
2325   BPF_LD     0x0
2326   BPF_LDX    0x1
2327   BPF_ST     0x2
2328   BPF_STX    0x3
2329   BPF_ALU    0x4
2330   BPF_JMP    0x5
2331   (unused)   0x6
2332   BPF_ALU64  0x7
2334 When BPF_CLASS(code) == BPF_ALU or BPF_ALU64 or BPF_JMP,
2335 4th bit encodes source operand
2339   BPF_X     0x1  use src_reg register as source operand
2340   BPF_K     0x0  use 32 bit immediate as source operand
2342 and four MSB bits store operation code
2346   BPF_ADD   0x0  add
2347   BPF_SUB   0x1  subtract
2348   BPF_MUL   0x2  multiply
2349   BPF_DIV   0x3  divide
2350   BPF_OR    0x4  bitwise logical OR
2351   BPF_AND   0x5  bitwise logical AND
2352   BPF_LSH   0x6  left shift
2353   BPF_RSH   0x7  right shift (zero extended)
2354   BPF_NEG   0x8  arithmetic negation
2355   BPF_MOD   0x9  modulo
2356   BPF_XOR   0xa  bitwise logical XOR
2357   BPF_MOV   0xb  move register to register
2358   BPF_ARSH  0xc  right shift (sign extended)
2359   BPF_END   0xd  endianness conversion
2361 If BPF_CLASS(code) == BPF_JMP, BPF_OP(code) is one of
2365   BPF_JA    0x0  unconditional jump
2366   BPF_JEQ   0x1  jump ==
2367   BPF_JGT   0x2  jump >
2368   BPF_JGE   0x3  jump >=
2369   BPF_JSET  0x4  jump if (DST & SRC)
2370   BPF_JNE   0x5  jump !=
2371   BPF_JSGT  0x6  jump signed >
2372   BPF_JSGE  0x7  jump signed >=
2373   BPF_CALL  0x8  function call
2374   BPF_EXIT  0x9  function return
2376 Instruction encoding (load, store)
2377 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2378 For load and store instructions the 8-bit 'code' field is divided as:
2382   +--------+--------+-------------------+
2383   | 3 bits | 2 bits |   3 bits          |
2384   |  mode  |  size  | instruction class |
2385   +--------+--------+-------------------+
2386   (MSB)                             (LSB)
2388 Size modifier is one of
2392   BPF_W       0x0  word
2393   BPF_H       0x1  half word
2394   BPF_B       0x2  byte
2395   BPF_DW      0x3  double word
2397 Mode modifier is one of
2401   BPF_IMM     0x0  immediate
2402   BPF_ABS     0x1  used to access packet data
2403   BPF_IND     0x2  used to access packet data
2404   BPF_MEM     0x3  memory
2405   (reserved)  0x4
2406   (reserved)  0x5
2407   BPF_XADD    0x6  exclusive add
2410 Packet data access (BPF_ABS, BPF_IND)
2411 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2413 Two non-generic instructions: (BPF_ABS | <size> | BPF_LD) and
2414 (BPF_IND | <size> | BPF_LD) which are used to access packet data.
2415 Register R6 is an implicit input that must contain pointer to sk_buff.
2416 Register R0 is an implicit output which contains the data fetched
2417 from the packet.  Registers R1-R5 are scratch registers and must not
2418 be used to store the data across BPF_ABS | BPF_LD or BPF_IND | BPF_LD
2419 instructions.  These instructions have implicit program exit condition
2420 as well.  When eBPF program is trying to access the data beyond
2421 the packet boundary, the interpreter will abort the execution of the program.
2423 BPF_IND | BPF_W | BPF_LD is equivalent to:
2424   R0 = ntohl(\*(u32 \*) (((struct sk_buff \*) R6)->data + src_reg + imm32))
2426 eBPF maps
2427 ^^^^^^^^^
2429 eBPF maps are provided for sharing data between kernel and user-space.
2430 Currently implemented types are hash and array, with potential extension to
2431 support bloom filters, radix trees, etc.  A map is defined by its type,
2432 maximum number of elements, key size and value size in bytes.  eBPF syscall
2433 supports create, update, find and delete functions on maps.
2435 Function calls
2436 ^^^^^^^^^^^^^^
2438 Function call arguments are passed using up to five registers (R1 - R5).
2439 The return value is passed in a dedicated register (R0).  Four additional
2440 registers (R6 - R9) are callee-saved, and the values in these registers
2441 are preserved within kernel functions.  R0 - R5 are scratch registers within
2442 kernel functions, and eBPF programs must therefor store/restore values in
2443 these registers if needed across function calls.  The stack can be accessed
2444 using the read-only frame pointer R10.  eBPF registers map 1:1 to hardware
2445 registers on x86_64 and other 64-bit architectures.  For example, x86_64
2446 in-kernel JIT maps them as
2450   R0 - rax
2451   R1 - rdi
2452   R2 - rsi
2453   R3 - rdx
2454   R4 - rcx
2455   R5 - r8
2456   R6 - rbx
2457   R7 - r13
2458   R8 - r14
2459   R9 - r15
2460   R10 - rbp
2462 since x86_64 ABI mandates rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9 for argument passing
2463 and rbx, r12 - r15 are callee saved.
2465 Program start
2466 ^^^^^^^^^^^^^
2468 An eBPF program receives a single argument and contains
2469 a single eBPF main routine; the program does not contain eBPF functions.
2470 Function calls are limited to a predefined set of kernel functions.  The size
2471 of a program is limited to 4K instructions:  this ensures fast termination and
2472 a limited number of kernel function calls.  Prior to running an eBPF program,
2473 a verifier performs static analysis to prevent loops in the code and
2474 to ensure valid register usage and operand types.
2476 The AMDGPU backend
2477 ------------------
2479 The AMDGPU code generator lives in the ``lib/Target/AMDGPU``
2480 directory. This code generator is capable of targeting a variety of
2481 AMD GPU processors. Refer to :doc:`AMDGPUUsage` for more information.