[RISCV] Regenerate autogen test to remove spurious diff
[llvm-project.git] / llvm / docs / CodeGenerator.rst
blob70e4b7eef9599af91338a3139cd181ee4f41e309
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      ``GOFF``            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 of the most common ways to debug these steps is using ``-debug-only=isel``,
861 which prints out the DAG, along with other information like debug info,
862 after each of these steps. Alternatively, ``-debug-only=isel-dump`` shows only
863 the DAG dumps, but the results can be filtered by function names using
864 ``-filter-print-funcs=<function names>``.
866 One great way to visualize what is going on here is to take advantage of a few
867 LLC command line options.  The following options pop up a window displaying the
868 SelectionDAG at specific times (if you only get errors printed to the console
869 while using this, you probably `need to configure your
870 system <ProgrammersManual.html#viewing-graphs-while-debugging-code>`_ to add support for it).
872 * ``-view-dag-combine1-dags`` displays the DAG after being built, before the
873   first optimization pass.
875 * ``-view-legalize-dags`` displays the DAG before Legalization.
877 * ``-view-dag-combine2-dags`` displays the DAG before the second optimization
878   pass.
880 * ``-view-isel-dags`` displays the DAG before the Select phase.
882 * ``-view-sched-dags`` displays the DAG before Scheduling.
884 The ``-view-sunit-dags`` displays the Scheduler's dependency graph.  This graph
885 is based on the final SelectionDAG, with nodes that must be scheduled together
886 bundled into a single scheduling-unit node, and with immediate operands and
887 other nodes that aren't relevant for scheduling omitted.
889 The option ``-filter-view-dags`` allows to select the name of the basic block
890 that you are interested to visualize and filters all the previous
891 ``view-*-dags`` options.
893 .. _Build initial DAG:
895 Initial SelectionDAG Construction
896 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
898 The initial SelectionDAG is na\ :raw-html:`&iuml;`\ vely peephole expanded from
899 the LLVM input by the ``SelectionDAGBuilder`` class.  The intent of this pass
900 is to expose as much low-level, target-specific details to the SelectionDAG as
901 possible.  This pass is mostly hard-coded (e.g. an LLVM ``add`` turns into an
902 ``SDNode add`` while a ``getelementptr`` is expanded into the obvious
903 arithmetic). This pass requires target-specific hooks to lower calls, returns,
904 varargs, etc.  For these features, the :raw-html:`<tt>` `TargetLowering`_
905 :raw-html:`</tt>` interface is used.
907 .. _legalize types:
908 .. _Legalize SelectionDAG Types:
909 .. _Legalize SelectionDAG Ops:
911 SelectionDAG LegalizeTypes Phase
912 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
914 The Legalize phase is in charge of converting a DAG to only use the types that
915 are natively supported by the target.
917 There are two main ways of converting values of unsupported scalar types to
918 values of supported types: converting small types to larger types ("promoting"),
919 and breaking up large integer types into smaller ones ("expanding").  For
920 example, a target might require that all f32 values are promoted to f64 and that
921 all i1/i8/i16 values are promoted to i32.  The same target might require that
922 all i64 values be expanded into pairs of i32 values.  These changes can insert
923 sign and zero extensions as needed to make sure that the final code has the same
924 behavior as the input.
926 There are two main ways of converting values of unsupported vector types to
927 value of supported types: splitting vector types, multiple times if necessary,
928 until a legal type is found, and extending vector types by adding elements to
929 the end to round them out to legal types ("widening").  If a vector gets split
930 all the way down to single-element parts with no supported vector type being
931 found, the elements are converted to scalars ("scalarizing").
933 A target implementation tells the legalizer which types are supported (and which
934 register class to use for them) by calling the ``addRegisterClass`` method in
935 its ``TargetLowering`` constructor.
937 .. _legalize operations:
938 .. _Legalizer:
940 SelectionDAG Legalize Phase
941 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
943 The Legalize phase is in charge of converting a DAG to only use the operations
944 that are natively supported by the target.
946 Targets often have weird constraints, such as not supporting every operation on
947 every supported datatype (e.g. X86 does not support byte conditional moves and
948 PowerPC does not support sign-extending loads from a 16-bit memory location).
949 Legalize takes care of this by open-coding another sequence of operations to
950 emulate the operation ("expansion"), by promoting one type to a larger type that
951 supports the operation ("promotion"), or by using a target-specific hook to
952 implement the legalization ("custom").
954 A target implementation tells the legalizer which operations are not supported
955 (and which of the above three actions to take) by calling the
956 ``setOperationAction`` method in its ``TargetLowering`` constructor.
958 If a target has legal vector types, it is expected to produce efficient machine
959 code for common forms of the shufflevector IR instruction using those types.
960 This may require custom legalization for SelectionDAG vector operations that
961 are created from the shufflevector IR. The shufflevector forms that should be
962 handled include:
964 * Vector select --- Each element of the vector is chosen from either of the
965   corresponding elements of the 2 input vectors. This operation may also be
966   known as a "blend" or "bitwise select" in target assembly. This type of shuffle
967   maps directly to the ``shuffle_vector`` SelectionDAG node.
969 * Insert subvector --- A vector is placed into a longer vector type starting
970   at index 0. This type of shuffle maps directly to the ``insert_subvector``
971   SelectionDAG node with the ``index`` operand set to 0.
973 * Extract subvector --- A vector is pulled from a longer vector type starting
974   at index 0. This type of shuffle maps directly to the ``extract_subvector``
975   SelectionDAG node with the ``index`` operand set to 0.
977 * Splat --- All elements of the vector have identical scalar elements. This
978   operation may also be known as a "broadcast" or "duplicate" in target assembly.
979   The shufflevector IR instruction may change the vector length, so this operation
980   may map to multiple SelectionDAG nodes including ``shuffle_vector``,
981   ``concat_vectors``, ``insert_subvector``, and ``extract_subvector``.
983 Prior to the existence of the Legalize passes, we required that every target
984 `selector`_ supported and handled every operator and type even if they are not
985 natively supported.  The introduction of the Legalize phases allows all of the
986 canonicalization patterns to be shared across targets, and makes it very easy to
987 optimize the canonicalized code because it is still in the form of a DAG.
989 .. _optimizations:
990 .. _Optimize SelectionDAG:
991 .. _selector:
993 SelectionDAG Optimization Phase: the DAG Combiner
994 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
996 The SelectionDAG optimization phase is run multiple times for code generation,
997 immediately after the DAG is built and once after each legalization.  The first
998 run of the pass allows the initial code to be cleaned up (e.g. performing
999 optimizations that depend on knowing that the operators have restricted type
1000 inputs).  Subsequent runs of the pass clean up the messy code generated by the
1001 Legalize passes, which allows Legalize to be very simple (it can focus on making
1002 code legal instead of focusing on generating *good* and legal code).
1004 One important class of optimizations performed is optimizing inserted sign and
1005 zero extension instructions.  We currently use ad-hoc techniques, but could move
1006 to more rigorous techniques in the future.  Here are some good papers on the
1007 subject:
1009 "`Widening integer arithmetic <http://www.eecs.harvard.edu/~nr/pubs/widen-abstract.html>`_" :raw-html:`<br>`
1010 Kevin Redwine and Norman Ramsey :raw-html:`<br>`
1011 International Conference on Compiler Construction (CC) 2004
1013 "`Effective sign extension elimination <http://portal.acm.org/citation.cfm?doid=512529.512552>`_"  :raw-html:`<br>`
1014 Motohiro Kawahito, Hideaki Komatsu, and Toshio Nakatani :raw-html:`<br>`
1015 Proceedings of the ACM SIGPLAN 2002 Conference on Programming Language Design
1016 and Implementation.
1018 .. _Select instructions from DAG:
1020 SelectionDAG Select Phase
1021 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1023 The Select phase is the bulk of the target-specific code for instruction
1024 selection.  This phase takes a legal SelectionDAG as input, pattern matches the
1025 instructions supported by the target to this DAG, and produces a new DAG of
1026 target code.  For example, consider the following LLVM fragment:
1028 .. code-block:: llvm
1030   %t1 = fadd float %W, %X
1031   %t2 = fmul float %t1, %Y
1032   %t3 = fadd float %t2, %Z
1034 This LLVM code corresponds to a SelectionDAG that looks basically like this:
1036 .. code-block:: text
1038   (fadd:f32 (fmul:f32 (fadd:f32 W, X), Y), Z)
1040 If a target supports floating point multiply-and-add (FMA) operations, one of
1041 the adds can be merged with the multiply.  On the PowerPC, for example, the
1042 output of the instruction selector might look like this DAG:
1046   (FMADDS (FADDS W, X), Y, Z)
1048 The ``FMADDS`` instruction is a ternary instruction that multiplies its first
1049 two operands and adds the third (as single-precision floating-point numbers).
1050 The ``FADDS`` instruction is a simple binary single-precision add instruction.
1051 To perform this pattern match, the PowerPC backend includes the following
1052 instruction definitions:
1054 .. code-block:: text
1055   :emphasize-lines: 4-5,9
1057   def FMADDS : AForm_1<59, 29,
1058                       (ops F4RC:$FRT, F4RC:$FRA, F4RC:$FRC, F4RC:$FRB),
1059                       "fmadds $FRT, $FRA, $FRC, $FRB",
1060                       [(set F4RC:$FRT, (fadd (fmul F4RC:$FRA, F4RC:$FRC),
1061                                              F4RC:$FRB))]>;
1062   def FADDS : AForm_2<59, 21,
1063                       (ops F4RC:$FRT, F4RC:$FRA, F4RC:$FRB),
1064                       "fadds $FRT, $FRA, $FRB",
1065                       [(set F4RC:$FRT, (fadd F4RC:$FRA, F4RC:$FRB))]>;
1067 The highlighted portion of the instruction definitions indicates the pattern
1068 used to match the instructions. The DAG operators (like ``fmul``/``fadd``)
1069 are defined in the ``include/llvm/Target/TargetSelectionDAG.td`` file.
1070 "``F4RC``" is the register class of the input and result values.
1072 The TableGen DAG instruction selector generator reads the instruction patterns
1073 in the ``.td`` file and automatically builds parts of the pattern matching code
1074 for your target.  It has the following strengths:
1076 * At compiler-compile time, it analyzes your instruction patterns and tells you
1077   if your patterns make sense or not.
1079 * It can handle arbitrary constraints on operands for the pattern match.  In
1080   particular, it is straight-forward to say things like "match any immediate
1081   that is a 13-bit sign-extended value".  For examples, see the ``immSExt16``
1082   and related ``tblgen`` classes in the PowerPC backend.
1084 * It knows several important identities for the patterns defined.  For example,
1085   it knows that addition is commutative, so it allows the ``FMADDS`` pattern
1086   above to match "``(fadd X, (fmul Y, Z))``" as well as "``(fadd (fmul X, Y),
1087   Z)``", without the target author having to specially handle this case.
1089 * It has a full-featured type-inferencing system.  In particular, you should
1090   rarely have to explicitly tell the system what type parts of your patterns
1091   are.  In the ``FMADDS`` case above, we didn't have to tell ``tblgen`` that all
1092   of the nodes in the pattern are of type 'f32'.  It was able to infer and
1093   propagate this knowledge from the fact that ``F4RC`` has type 'f32'.
1095 * Targets can define their own (and rely on built-in) "pattern fragments".
1096   Pattern fragments are chunks of reusable patterns that get inlined into your
1097   patterns during compiler-compile time.  For example, the integer "``(not
1098   x)``" operation is actually defined as a pattern fragment that expands as
1099   "``(xor x, -1)``", since the SelectionDAG does not have a native '``not``'
1100   operation.  Targets can define their own short-hand fragments as they see fit.
1101   See the definition of '``not``' and '``ineg``' for examples.
1103 * In addition to instructions, targets can specify arbitrary patterns that map
1104   to one or more instructions using the 'Pat' class.  For example, the PowerPC
1105   has no way to load an arbitrary integer immediate into a register in one
1106   instruction. To tell tblgen how to do this, it defines:
1108   ::
1110     // Arbitrary immediate support.  Implement in terms of LIS/ORI.
1111     def : Pat<(i32 imm:$imm),
1112               (ORI (LIS (HI16 imm:$imm)), (LO16 imm:$imm))>;
1114   If none of the single-instruction patterns for loading an immediate into a
1115   register match, this will be used.  This rule says "match an arbitrary i32
1116   immediate, turning it into an ``ORI`` ('or a 16-bit immediate') and an ``LIS``
1117   ('load 16-bit immediate, where the immediate is shifted to the left 16 bits')
1118   instruction".  To make this work, the ``LO16``/``HI16`` node transformations
1119   are used to manipulate the input immediate (in this case, take the high or low
1120   16-bits of the immediate).
1122 * When using the 'Pat' class to map a pattern to an instruction that has one
1123   or more complex operands (like e.g. `X86 addressing mode`_), the pattern may
1124   either specify the operand as a whole using a ``ComplexPattern``, or else it
1125   may specify the components of the complex operand separately.  The latter is
1126   done e.g. for pre-increment instructions by the PowerPC back end:
1128   ::
1130     def STWU  : DForm_1<37, (outs ptr_rc:$ea_res), (ins GPRC:$rS, memri:$dst),
1131                     "stwu $rS, $dst", LdStStoreUpd, []>,
1132                     RegConstraint<"$dst.reg = $ea_res">, NoEncode<"$ea_res">;
1134     def : Pat<(pre_store GPRC:$rS, ptr_rc:$ptrreg, iaddroff:$ptroff),
1135               (STWU GPRC:$rS, iaddroff:$ptroff, ptr_rc:$ptrreg)>;
1137   Here, the pair of ``ptroff`` and ``ptrreg`` operands is matched onto the
1138   complex operand ``dst`` of class ``memri`` in the ``STWU`` instruction.
1140 * While the system does automate a lot, it still allows you to write custom C++
1141   code to match special cases if there is something that is hard to
1142   express.
1144 While it has many strengths, the system currently has some limitations,
1145 primarily because it is a work in progress and is not yet finished:
1147 * Overall, there is no way to define or match SelectionDAG nodes that define
1148   multiple values (e.g. ``SMUL_LOHI``, ``LOAD``, ``CALL``, etc).  This is the
1149   biggest reason that you currently still *have to* write custom C++ code
1150   for your instruction selector.
1152 * There is no great way to support matching complex addressing modes yet.  In
1153   the future, we will extend pattern fragments to allow them to define multiple
1154   values (e.g. the four operands of the `X86 addressing mode`_, which are
1155   currently matched with custom C++ code).  In addition, we'll extend fragments
1156   so that a fragment can match multiple different patterns.
1158 * We don't automatically infer flags like ``isStore``/``isLoad`` yet.
1160 * We don't automatically generate the set of supported registers and operations
1161   for the `Legalizer`_ yet.
1163 * We don't have a way of tying in custom legalized nodes yet.
1165 Despite these limitations, the instruction selector generator is still quite
1166 useful for most of the binary and logical operations in typical instruction
1167 sets.  If you run into any problems or can't figure out how to do something,
1168 please let Chris know!
1170 .. _Scheduling and Formation:
1171 .. _SelectionDAG Scheduling and Formation:
1173 SelectionDAG Scheduling and Formation Phase
1174 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1176 The scheduling phase takes the DAG of target instructions from the selection
1177 phase and assigns an order.  The scheduler can pick an order depending on
1178 various constraints of the machines (i.e. order for minimal register pressure or
1179 try to cover instruction latencies).  Once an order is established, the DAG is
1180 converted to a list of :raw-html:`<tt>` `MachineInstr`_\s :raw-html:`</tt>` and
1181 the SelectionDAG is destroyed.
1183 Note that this phase is logically separate from the instruction selection phase,
1184 but is tied to it closely in the code because it operates on SelectionDAGs.
1186 Future directions for the SelectionDAG
1187 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1189 #. Optional function-at-a-time selection.
1191 #. Auto-generate entire selector from ``.td`` file.
1193 .. _SSA-based Machine Code Optimizations:
1195 SSA-based Machine Code Optimizations
1196 ------------------------------------
1198 To Be Written
1200 Live Intervals
1201 --------------
1203 Live Intervals are the ranges (intervals) where a variable is *live*.  They are
1204 used by some `register allocator`_ passes to determine if two or more virtual
1205 registers which require the same physical register are live at the same point in
1206 the program (i.e., they conflict).  When this situation occurs, one virtual
1207 register must be *spilled*.
1209 Live Variable Analysis
1210 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1212 The first step in determining the live intervals of variables is to calculate
1213 the set of registers that are immediately dead after the instruction (i.e., the
1214 instruction calculates the value, but it is never used) and the set of registers
1215 that are used by the instruction, but are never used after the instruction
1216 (i.e., they are killed). Live variable information is computed for
1217 each *virtual* register and *register allocatable* physical register
1218 in the function.  This is done in a very efficient manner because it uses SSA to
1219 sparsely compute lifetime information for virtual registers (which are in SSA
1220 form) and only has to track physical registers within a block.  Before register
1221 allocation, LLVM can assume that physical registers are only live within a
1222 single basic block.  This allows it to do a single, local analysis to resolve
1223 physical register lifetimes within each basic block. If a physical register is
1224 not register allocatable (e.g., a stack pointer or condition codes), it is not
1225 tracked.
1227 Physical registers may be live in to or out of a function. Live in values are
1228 typically arguments in registers. Live out values are typically return values in
1229 registers. Live in values are marked as such, and are given a dummy "defining"
1230 instruction during live intervals analysis. If the last basic block of a
1231 function is a ``return``, then it's marked as using all live out values in the
1232 function.
1234 ``PHI`` nodes need to be handled specially, because the calculation of the live
1235 variable information from a depth first traversal of the CFG of the function
1236 won't guarantee that a virtual register used by the ``PHI`` node is defined
1237 before it's used. When a ``PHI`` node is encountered, only the definition is
1238 handled, because the uses will be handled in other basic blocks.
1240 For each ``PHI`` node of the current basic block, we simulate an assignment at
1241 the end of the current basic block and traverse the successor basic blocks. If a
1242 successor basic block has a ``PHI`` node and one of the ``PHI`` node's operands
1243 is coming from the current basic block, then the variable is marked as *alive*
1244 within the current basic block and all of its predecessor basic blocks, until
1245 the basic block with the defining instruction is encountered.
1247 Live Intervals Analysis
1248 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1250 We now have the information available to perform the live intervals analysis and
1251 build the live intervals themselves.  We start off by numbering the basic blocks
1252 and machine instructions.  We then handle the "live-in" values.  These are in
1253 physical registers, so the physical register is assumed to be killed by the end
1254 of the basic block.  Live intervals for virtual registers are computed for some
1255 ordering of the machine instructions ``[1, N]``.  A live interval is an interval
1256 ``[i, j)``, where ``1 >= i >= j > N``, for which a variable is live.
1258 .. note::
1259   More to come...
1261 .. _Register Allocation:
1262 .. _register allocator:
1264 Register Allocation
1265 -------------------
1267 The *Register Allocation problem* consists in mapping a program
1268 :raw-html:`<b><tt>` P\ :sub:`v`\ :raw-html:`</tt></b>`, that can use an unbounded
1269 number of virtual registers, to a program :raw-html:`<b><tt>` P\ :sub:`p`\
1270 :raw-html:`</tt></b>` that contains a finite (possibly small) number of physical
1271 registers. Each target architecture has a different number of physical
1272 registers. If the number of physical registers is not enough to accommodate all
1273 the virtual registers, some of them will have to be mapped into memory. These
1274 virtuals are called *spilled virtuals*.
1276 How registers are represented in LLVM
1277 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1279 In LLVM, physical registers are denoted by integer numbers that normally range
1280 from 1 to 1023. To see how this numbering is defined for a particular
1281 architecture, you can read the ``GenRegisterNames.inc`` file for that
1282 architecture. For instance, by inspecting
1283 ``lib/Target/X86/X86GenRegisterInfo.inc`` we see that the 32-bit register
1284 ``EAX`` is denoted by 43, and the MMX register ``MM0`` is mapped to 65.
1286 Some architectures contain registers that share the same physical location. A
1287 notable example is the X86 platform. For instance, in the X86 architecture, the
1288 registers ``EAX``, ``AX`` and ``AL`` share the first eight bits. These physical
1289 registers are marked as *aliased* in LLVM. Given a particular architecture, you
1290 can check which registers are aliased by inspecting its ``RegisterInfo.td``
1291 file. Moreover, the class ``MCRegAliasIterator`` enumerates all the physical
1292 registers aliased to a register.
1294 Physical registers, in LLVM, are grouped in *Register Classes*.  Elements in the
1295 same register class are functionally equivalent, and can be interchangeably
1296 used. Each virtual register can only be mapped to physical registers of a
1297 particular class. For instance, in the X86 architecture, some virtuals can only
1298 be allocated to 8 bit registers.  A register class is described by
1299 ``TargetRegisterClass`` objects.  To discover if a virtual register is
1300 compatible with a given physical, this code can be used:
1302 .. code-block:: c++
1304   bool RegMapping_Fer::compatible_class(MachineFunction &mf,
1305                                         unsigned v_reg,
1306                                         unsigned p_reg) {
1307     assert(TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(p_reg) &&
1308            "Target register must be physical");
1309     const TargetRegisterClass *trc = mf.getRegInfo().getRegClass(v_reg);
1310     return trc->contains(p_reg);
1311   }
1313 Sometimes, mostly for debugging purposes, it is useful to change the number of
1314 physical registers available in the target architecture. This must be done
1315 statically, inside the ``TargetRegisterInfo.td`` file. Just ``grep`` for
1316 ``RegisterClass``, the last parameter of which is a list of registers. Just
1317 commenting some out is one simple way to avoid them being used. A more polite
1318 way is to explicitly exclude some registers from the *allocation order*. See the
1319 definition of the ``GR8`` register class in
1320 ``lib/Target/X86/X86RegisterInfo.td`` for an example of this.
1322 Virtual registers are also denoted by integer numbers. Contrary to physical
1323 registers, different virtual registers never share the same number. Whereas
1324 physical registers are statically defined in a ``TargetRegisterInfo.td`` file
1325 and cannot be created by the application developer, that is not the case with
1326 virtual registers. In order to create new virtual registers, use the method
1327 ``MachineRegisterInfo::createVirtualRegister()``. This method will return a new
1328 virtual register. Use an ``IndexedMap<Foo, VirtReg2IndexFunctor>`` to hold
1329 information per virtual register. If you need to enumerate all virtual
1330 registers, use the function ``TargetRegisterInfo::index2VirtReg()`` to find the
1331 virtual register numbers:
1333 .. code-block:: c++
1335     for (unsigned i = 0, e = MRI->getNumVirtRegs(); i != e; ++i) {
1336       unsigned VirtReg = TargetRegisterInfo::index2VirtReg(i);
1337       stuff(VirtReg);
1338     }
1340 Before register allocation, the operands of an instruction are mostly virtual
1341 registers, although physical registers may also be used. In order to check if a
1342 given machine operand is a register, use the boolean function
1343 ``MachineOperand::isRegister()``. To obtain the integer code of a register, use
1344 ``MachineOperand::getReg()``. An instruction may define or use a register. For
1345 instance, ``ADD reg:1026 := reg:1025 reg:1024`` defines the registers 1024, and
1346 uses registers 1025 and 1026. Given a register operand, the method
1347 ``MachineOperand::isUse()`` informs if that register is being used by the
1348 instruction. The method ``MachineOperand::isDef()`` informs if that registers is
1349 being defined.
1351 We will call physical registers present in the LLVM bitcode before register
1352 allocation *pre-colored registers*. Pre-colored registers are used in many
1353 different situations, for instance, to pass parameters of functions calls, and
1354 to store results of particular instructions. There are two types of pre-colored
1355 registers: the ones *implicitly* defined, and those *explicitly*
1356 defined. Explicitly defined registers are normal operands, and can be accessed
1357 with ``MachineInstr::getOperand(int)::getReg()``.  In order to check which
1358 registers are implicitly defined by an instruction, use the
1359 ``TargetInstrInfo::get(opcode)::ImplicitDefs``, where ``opcode`` is the opcode
1360 of the target instruction. One important difference between explicit and
1361 implicit physical registers is that the latter are defined statically for each
1362 instruction, whereas the former may vary depending on the program being
1363 compiled. For example, an instruction that represents a function call will
1364 always implicitly define or use the same set of physical registers. To read the
1365 registers implicitly used by an instruction, use
1366 ``TargetInstrInfo::get(opcode)::ImplicitUses``. Pre-colored registers impose
1367 constraints on any register allocation algorithm. The register allocator must
1368 make sure that none of them are overwritten by the values of virtual registers
1369 while still alive.
1371 Mapping virtual registers to physical registers
1372 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1374 There are two ways to map virtual registers to physical registers (or to memory
1375 slots). The first way, that we will call *direct mapping*, is based on the use
1376 of methods of the classes ``TargetRegisterInfo``, and ``MachineOperand``. The
1377 second way, that we will call *indirect mapping*, relies on the ``VirtRegMap``
1378 class in order to insert loads and stores sending and getting values to and from
1379 memory.
1381 The direct mapping provides more flexibility to the developer of the register
1382 allocator; however, it is more error prone, and demands more implementation
1383 work.  Basically, the programmer will have to specify where load and store
1384 instructions should be inserted in the target function being compiled in order
1385 to get and store values in memory. To assign a physical register to a virtual
1386 register present in a given operand, use ``MachineOperand::setReg(p_reg)``. To
1387 insert a store instruction, use ``TargetInstrInfo::storeRegToStackSlot(...)``,
1388 and to insert a load instruction, use ``TargetInstrInfo::loadRegFromStackSlot``.
1390 The indirect mapping shields the application developer from the complexities of
1391 inserting load and store instructions. In order to map a virtual register to a
1392 physical one, use ``VirtRegMap::assignVirt2Phys(vreg, preg)``.  In order to map
1393 a certain virtual register to memory, use
1394 ``VirtRegMap::assignVirt2StackSlot(vreg)``. This method will return the stack
1395 slot where ``vreg``'s value will be located.  If it is necessary to map another
1396 virtual register to the same stack slot, use
1397 ``VirtRegMap::assignVirt2StackSlot(vreg, stack_location)``. One important point
1398 to consider when using the indirect mapping, is that even if a virtual register
1399 is mapped to memory, it still needs to be mapped to a physical register. This
1400 physical register is the location where the virtual register is supposed to be
1401 found before being stored or after being reloaded.
1403 If the indirect strategy is used, after all the virtual registers have been
1404 mapped to physical registers or stack slots, it is necessary to use a spiller
1405 object to place load and store instructions in the code. Every virtual that has
1406 been mapped to a stack slot will be stored to memory after being defined and will
1407 be loaded before being used. The implementation of the spiller tries to recycle
1408 load/store instructions, avoiding unnecessary instructions. For an example of
1409 how to invoke the spiller, see ``RegAllocLinearScan::runOnMachineFunction`` in
1410 ``lib/CodeGen/RegAllocLinearScan.cpp``.
1412 Handling two address instructions
1413 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1415 With very rare exceptions (e.g., function calls), the LLVM machine code
1416 instructions are three address instructions. That is, each instruction is
1417 expected to define at most one register, and to use at most two registers.
1418 However, some architectures use two address instructions. In this case, the
1419 defined register is also one of the used registers. For instance, an instruction
1420 such as ``ADD %EAX, %EBX``, in X86 is actually equivalent to ``%EAX = %EAX +
1421 %EBX``.
1423 In order to produce correct code, LLVM must convert three address instructions
1424 that represent two address instructions into true two address instructions. LLVM
1425 provides the pass ``TwoAddressInstructionPass`` for this specific purpose. It
1426 must be run before register allocation takes place. After its execution, the
1427 resulting code may no longer be in SSA form. This happens, for instance, in
1428 situations where an instruction such as ``%a = ADD %b %c`` is converted to two
1429 instructions such as:
1433   %a = MOVE %b
1434   %a = ADD %a %c
1436 Notice that, internally, the second instruction is represented as ``ADD
1437 %a[def/use] %c``. I.e., the register operand ``%a`` is both used and defined by
1438 the instruction.
1440 The SSA deconstruction phase
1441 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1443 An important transformation that happens during register allocation is called
1444 the *SSA Deconstruction Phase*. The SSA form simplifies many analyses that are
1445 performed on the control flow graph of programs. However, traditional
1446 instruction sets do not implement PHI instructions. Thus, in order to generate
1447 executable code, compilers must replace PHI instructions with other instructions
1448 that preserve their semantics.
1450 There are many ways in which PHI instructions can safely be removed from the
1451 target code. The most traditional PHI deconstruction algorithm replaces PHI
1452 instructions with copy instructions. That is the strategy adopted by LLVM. The
1453 SSA deconstruction algorithm is implemented in
1454 ``lib/CodeGen/PHIElimination.cpp``. In order to invoke this pass, the identifier
1455 ``PHIEliminationID`` must be marked as required in the code of the register
1456 allocator.
1458 Instruction folding
1459 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1461 *Instruction folding* is an optimization performed during register allocation
1462 that removes unnecessary copy instructions. For instance, a sequence of
1463 instructions such as:
1467   %EBX = LOAD %mem_address
1468   %EAX = COPY %EBX
1470 can be safely substituted by the single instruction:
1474   %EAX = LOAD %mem_address
1476 Instructions can be folded with the
1477 ``TargetRegisterInfo::foldMemoryOperand(...)`` method. Care must be taken when
1478 folding instructions; a folded instruction can be quite different from the
1479 original instruction. See ``LiveIntervals::addIntervalsForSpills`` in
1480 ``lib/CodeGen/LiveIntervalAnalysis.cpp`` for an example of its use.
1482 Built in register allocators
1483 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1485 The LLVM infrastructure provides the application developer with three different
1486 register allocators:
1488 * *Fast* --- This register allocator is the default for debug builds. It
1489   allocates registers on a basic block level, attempting to keep values in
1490   registers and reusing registers as appropriate.
1492 * *Basic* --- This is an incremental approach to register allocation. Live
1493   ranges are assigned to registers one at a time in an order that is driven by
1494   heuristics. Since code can be rewritten on-the-fly during allocation, this
1495   framework allows interesting allocators to be developed as extensions. It is
1496   not itself a production register allocator but is a potentially useful
1497   stand-alone mode for triaging bugs and as a performance baseline.
1499 * *Greedy* --- *The default allocator*. This is a highly tuned implementation of
1500   the *Basic* allocator that incorporates global live range splitting. This
1501   allocator works hard to minimize the cost of spill code.
1503 * *PBQP* --- A Partitioned Boolean Quadratic Programming (PBQP) based register
1504   allocator. This allocator works by constructing a PBQP problem representing
1505   the register allocation problem under consideration, solving this using a PBQP
1506   solver, and mapping the solution back to a register assignment.
1508 The type of register allocator used in ``llc`` can be chosen with the command
1509 line option ``-regalloc=...``:
1511 .. code-block:: bash
1513   $ llc -regalloc=linearscan file.bc -o ln.s
1514   $ llc -regalloc=fast file.bc -o fa.s
1515   $ llc -regalloc=pbqp file.bc -o pbqp.s
1517 .. _Prolog/Epilog Code Insertion:
1519 Prolog/Epilog Code Insertion
1520 ----------------------------
1522 .. note::
1524   To Be Written
1526 Compact Unwind
1527 --------------
1529 Throwing an exception requires *unwinding* out of a function. The information on
1530 how to unwind a given function is traditionally expressed in DWARF unwind
1531 (a.k.a. frame) info. But that format was originally developed for debuggers to
1532 backtrace, and each Frame Description Entry (FDE) requires ~20-30 bytes per
1533 function. There is also the cost of mapping from an address in a function to the
1534 corresponding FDE at runtime. An alternative unwind encoding is called *compact
1535 unwind* and requires just 4-bytes per function.
1537 The compact unwind encoding is a 32-bit value, which is encoded in an
1538 architecture-specific way. It specifies which registers to restore and from
1539 where, and how to unwind out of the function. When the linker creates a final
1540 linked image, it will create a ``__TEXT,__unwind_info`` section. This section is
1541 a small and fast way for the runtime to access unwind info for any given
1542 function. If we emit compact unwind info for the function, that compact unwind
1543 info will be encoded in the ``__TEXT,__unwind_info`` section. If we emit DWARF
1544 unwind info, the ``__TEXT,__unwind_info`` section will contain the offset of the
1545 FDE in the ``__TEXT,__eh_frame`` section in the final linked image.
1547 For X86, there are three modes for the compact unwind encoding:
1549 *Function with a Frame Pointer (``EBP`` or ``RBP``)*
1550   ``EBP/RBP``-based frame, where ``EBP/RBP`` is pushed onto the stack
1551   immediately after the return address, then ``ESP/RSP`` is moved to
1552   ``EBP/RBP``. Thus to unwind, ``ESP/RSP`` is restored with the current
1553   ``EBP/RBP`` value, then ``EBP/RBP`` is restored by popping the stack, and the
1554   return is done by popping the stack once more into the PC. All non-volatile
1555   registers that need to be restored must have been saved in a small range on
1556   the stack that starts ``EBP-4`` to ``EBP-1020`` (``RBP-8`` to
1557   ``RBP-1020``). The offset (divided by 4 in 32-bit mode and 8 in 64-bit mode)
1558   is encoded in bits 16-23 (mask: ``0x00FF0000``).  The registers saved are
1559   encoded in bits 0-14 (mask: ``0x00007FFF``) as five 3-bit entries from the
1560   following table:
1562     ==============  =============  ===============
1563     Compact Number  i386 Register  x86-64 Register
1564     ==============  =============  ===============
1565     1               ``EBX``        ``RBX``
1566     2               ``ECX``        ``R12``
1567     3               ``EDX``        ``R13``
1568     4               ``EDI``        ``R14``
1569     5               ``ESI``        ``R15``
1570     6               ``EBP``        ``RBP``
1571     ==============  =============  ===============
1573 *Frameless with a Small Constant Stack Size (``EBP`` or ``RBP`` is not used as a frame pointer)*
1574   To return, a constant (encoded in the compact unwind encoding) is added to the
1575   ``ESP/RSP``.  Then the return is done by popping the stack into the PC. All
1576   non-volatile registers that need to be restored must have been saved on the
1577   stack immediately after the return address. The stack size (divided by 4 in
1578   32-bit mode and 8 in 64-bit mode) is encoded in bits 16-23 (mask:
1579   ``0x00FF0000``). There is a maximum stack size of 1024 bytes in 32-bit mode
1580   and 2048 in 64-bit mode. The number of registers saved is encoded in bits 9-12
1581   (mask: ``0x00001C00``). Bits 0-9 (mask: ``0x000003FF``) contain which
1582   registers were saved and their order. (See the
1583   ``encodeCompactUnwindRegistersWithoutFrame()`` function in
1584   ``lib/Target/X86FrameLowering.cpp`` for the encoding algorithm.)
1586 *Frameless with a Large Constant Stack Size (``EBP`` or ``RBP`` is not used as a frame pointer)*
1587   This case is like the "Frameless with a Small Constant Stack Size" case, but
1588   the stack size is too large to encode in the compact unwind encoding. Instead
1589   it requires that the function contains "``subl $nnnnnn, %esp``" in its
1590   prolog. The compact encoding contains the offset to the ``$nnnnnn`` value in
1591   the function in bits 9-12 (mask: ``0x00001C00``).
1593 .. _Late Machine Code Optimizations:
1595 Late Machine Code Optimizations
1596 -------------------------------
1598 .. note::
1600   To Be Written
1602 .. _Code Emission:
1604 Code Emission
1605 -------------
1607 The code emission step of code generation is responsible for lowering from the
1608 code generator abstractions (like `MachineFunction`_, `MachineInstr`_, etc) down
1609 to the abstractions used by the MC layer (`MCInst`_, `MCStreamer`_, etc).  This
1610 is done with a combination of several different classes: the (misnamed)
1611 target-independent AsmPrinter class, target-specific subclasses of AsmPrinter
1612 (such as SparcAsmPrinter), and the TargetLoweringObjectFile class.
1614 Since the MC layer works at the level of abstraction of object files, it doesn't
1615 have a notion of functions, global variables etc.  Instead, it thinks about
1616 labels, directives, and instructions.  A key class used at this time is the
1617 MCStreamer class.  This is an abstract API that is implemented in different ways
1618 (e.g. to output a .s file, output an ELF .o file, etc) that is effectively an
1619 "assembler API".  MCStreamer has one method per directive, such as EmitLabel,
1620 EmitSymbolAttribute, switchSection, etc, which directly correspond to assembly
1621 level directives.
1623 If you are interested in implementing a code generator for a target, there are
1624 three important things that you have to implement for your target:
1626 #. First, you need a subclass of AsmPrinter for your target.  This class
1627    implements the general lowering process converting MachineFunction's into MC
1628    label constructs.  The AsmPrinter base class provides a number of useful
1629    methods and routines, and also allows you to override the lowering process in
1630    some important ways.  You should get much of the lowering for free if you are
1631    implementing an ELF, COFF, or MachO target, because the
1632    TargetLoweringObjectFile class implements much of the common logic.
1634 #. Second, you need to implement an instruction printer for your target.  The
1635    instruction printer takes an `MCInst`_ and renders it to a raw_ostream as
1636    text.  Most of this is automatically generated from the .td file (when you
1637    specify something like "``add $dst, $src1, $src2``" in the instructions), but
1638    you need to implement routines to print operands.
1640 #. Third, you need to implement code that lowers a `MachineInstr`_ to an MCInst,
1641    usually implemented in "<target>MCInstLower.cpp".  This lowering process is
1642    often target specific, and is responsible for turning jump table entries,
1643    constant pool indices, global variable addresses, etc into MCLabels as
1644    appropriate.  This translation layer is also responsible for expanding pseudo
1645    ops used by the code generator into the actual machine instructions they
1646    correspond to. The MCInsts that are generated by this are fed into the
1647    instruction printer or the encoder.
1649 Finally, at your choosing, you can also implement a subclass of MCCodeEmitter
1650 which lowers MCInst's into machine code bytes and relocations.  This is
1651 important if you want to support direct .o file emission, or would like to
1652 implement an assembler for your target.
1654 Emitting function stack size information
1655 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1657 A section containing metadata on function stack sizes will be emitted when
1658 ``TargetLoweringObjectFile::StackSizesSection`` is not null, and
1659 ``TargetOptions::EmitStackSizeSection`` is set (-stack-size-section). The
1660 section will contain an array of pairs of function symbol values (pointer size)
1661 and stack sizes (unsigned LEB128). The stack size values only include the space
1662 allocated in the function prologue. Functions with dynamic stack allocations are
1663 not included.
1665 VLIW Packetizer
1666 ---------------
1668 In a Very Long Instruction Word (VLIW) architecture, the compiler is responsible
1669 for mapping instructions to functional-units available on the architecture. To
1670 that end, the compiler creates groups of instructions called *packets* or
1671 *bundles*. The VLIW packetizer in LLVM is a target-independent mechanism to
1672 enable the packetization of machine instructions.
1674 Mapping from instructions to functional units
1675 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1677 Instructions in a VLIW target can typically be mapped to multiple functional
1678 units. During the process of packetizing, the compiler must be able to reason
1679 about whether an instruction can be added to a packet. This decision can be
1680 complex since the compiler has to examine all possible mappings of instructions
1681 to functional units. Therefore to alleviate compilation-time complexity, the
1682 VLIW packetizer parses the instruction classes of a target and generates tables
1683 at compiler build time. These tables can then be queried by the provided
1684 machine-independent API to determine if an instruction can be accommodated in a
1685 packet.
1687 How the packetization tables are generated and used
1688 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1690 The packetizer reads instruction classes from a target's itineraries and creates
1691 a deterministic finite automaton (DFA) to represent the state of a packet. A DFA
1692 consists of three major elements: inputs, states, and transitions. The set of
1693 inputs for the generated DFA represents the instruction being added to a
1694 packet. The states represent the possible consumption of functional units by
1695 instructions in a packet. In the DFA, transitions from one state to another
1696 occur on the addition of an instruction to an existing packet. If there is a
1697 legal mapping of functional units to instructions, then the DFA contains a
1698 corresponding transition. The absence of a transition indicates that a legal
1699 mapping does not exist and that the instruction cannot be added to the packet.
1701 To generate tables for a VLIW target, add *Target*\ GenDFAPacketizer.inc as a
1702 target to the Makefile in the target directory. The exported API provides three
1703 functions: ``DFAPacketizer::clearResources()``,
1704 ``DFAPacketizer::reserveResources(MachineInstr *MI)``, and
1705 ``DFAPacketizer::canReserveResources(MachineInstr *MI)``. These functions allow
1706 a target packetizer to add an instruction to an existing packet and to check
1707 whether an instruction can be added to a packet. See
1708 ``llvm/CodeGen/DFAPacketizer.h`` for more information.
1710 Implementing a Native Assembler
1711 ===============================
1713 Though you're probably reading this because you want to write or maintain a
1714 compiler backend, LLVM also fully supports building a native assembler.
1715 We've tried hard to automate the generation of the assembler from the .td files
1716 (in particular the instruction syntax and encodings), which means that a large
1717 part of the manual and repetitive data entry can be factored and shared with the
1718 compiler.
1720 Instruction Parsing
1721 -------------------
1723 .. note::
1725   To Be Written
1728 Instruction Alias Processing
1729 ----------------------------
1731 Once the instruction is parsed, it enters the MatchInstructionImpl function.
1732 The MatchInstructionImpl function performs alias processing and then does actual
1733 matching.
1735 Alias processing is the phase that canonicalizes different lexical forms of the
1736 same instructions down to one representation.  There are several different kinds
1737 of alias that are possible to implement and they are listed below in the order
1738 that they are processed (which is in order from simplest/weakest to most
1739 complex/powerful).  Generally you want to use the first alias mechanism that
1740 meets the needs of your instruction, because it will allow a more concise
1741 description.
1743 Mnemonic Aliases
1744 ^^^^^^^^^^^^^^^^
1746 The first phase of alias processing is simple instruction mnemonic remapping for
1747 classes of instructions which are allowed with two different mnemonics.  This
1748 phase is a simple and unconditionally remapping from one input mnemonic to one
1749 output mnemonic.  It isn't possible for this form of alias to look at the
1750 operands at all, so the remapping must apply for all forms of a given mnemonic.
1751 Mnemonic aliases are defined simply, for example X86 has:
1755   def : MnemonicAlias<"cbw",     "cbtw">;
1756   def : MnemonicAlias<"smovq",   "movsq">;
1757   def : MnemonicAlias<"fldcww",  "fldcw">;
1758   def : MnemonicAlias<"fucompi", "fucomip">;
1759   def : MnemonicAlias<"ud2a",    "ud2">;
1761 ... and many others.  With a MnemonicAlias definition, the mnemonic is remapped
1762 simply and directly.  Though MnemonicAlias's can't look at any aspect of the
1763 instruction (such as the operands) they can depend on global modes (the same
1764 ones supported by the matcher), through a Requires clause:
1768   def : MnemonicAlias<"pushf", "pushfq">, Requires<[In64BitMode]>;
1769   def : MnemonicAlias<"pushf", "pushfl">, Requires<[In32BitMode]>;
1771 In this example, the mnemonic gets mapped into a different one depending on
1772 the current instruction set.
1774 Instruction Aliases
1775 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1777 The most general phase of alias processing occurs while matching is happening:
1778 it provides new forms for the matcher to match along with a specific instruction
1779 to generate.  An instruction alias has two parts: the string to match and the
1780 instruction to generate.  For example:
1784   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX16rr8W GR16:$dst, GR8  :$src)>;
1785   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX16rm8W GR16:$dst, i8mem:$src)>;
1786   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX32rr8  GR32:$dst, GR8  :$src)>;
1787   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX32rr16 GR32:$dst, GR16 :$src)>;
1788   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX64rr8  GR64:$dst, GR8  :$src)>;
1789   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX64rr16 GR64:$dst, GR16 :$src)>;
1790   def : InstAlias<"movsx $src, $dst", (MOVSX64rr32 GR64:$dst, GR32 :$src)>;
1792 This shows a powerful example of the instruction aliases, matching the same
1793 mnemonic in multiple different ways depending on what operands are present in
1794 the assembly.  The result of instruction aliases can include operands in a
1795 different order than the destination instruction, and can use an input multiple
1796 times, for example:
1800   def : InstAlias<"clrb $reg", (XOR8rr  GR8 :$reg, GR8 :$reg)>;
1801   def : InstAlias<"clrw $reg", (XOR16rr GR16:$reg, GR16:$reg)>;
1802   def : InstAlias<"clrl $reg", (XOR32rr GR32:$reg, GR32:$reg)>;
1803   def : InstAlias<"clrq $reg", (XOR64rr GR64:$reg, GR64:$reg)>;
1805 This example also shows that tied operands are only listed once.  In the X86
1806 backend, XOR8rr has two input GR8's and one output GR8 (where an input is tied
1807 to the output).  InstAliases take a flattened operand list without duplicates
1808 for tied operands.  The result of an instruction alias can also use immediates
1809 and fixed physical registers which are added as simple immediate operands in the
1810 result, for example:
1814   // Fixed Immediate operand.
1815   def : InstAlias<"aad", (AAD8i8 10)>;
1817   // Fixed register operand.
1818   def : InstAlias<"fcomi", (COM_FIr ST1)>;
1820   // Simple alias.
1821   def : InstAlias<"fcomi $reg", (COM_FIr RST:$reg)>;
1823 Instruction aliases can also have a Requires clause to make them subtarget
1824 specific.
1826 If the back-end supports it, the instruction printer can automatically emit the
1827 alias rather than what's being aliased. It typically leads to better, more
1828 readable code. If it's better to print out what's being aliased, then pass a '0'
1829 as the third parameter to the InstAlias definition.
1831 Instruction Matching
1832 --------------------
1834 .. note::
1836   To Be Written
1838 .. _Implementations of the abstract target description interfaces:
1839 .. _implement the target description:
1841 Target-specific Implementation Notes
1842 ====================================
1844 This section of the document explains features or design decisions that are
1845 specific to the code generator for a particular target.
1847 .. _tail call section:
1849 Tail call optimization
1850 ----------------------
1852 Tail call optimization, callee reusing the stack of the caller, is currently
1853 supported on x86/x86-64, PowerPC, AArch64, and WebAssembly. It is performed on
1854 x86/x86-64, PowerPC, and AArch64 if:
1856 * Caller and callee have the calling convention ``fastcc``, ``cc 10`` (GHC
1857   calling convention), ``cc 11`` (HiPE calling convention), ``tailcc``, or
1858   ``swifttailcc``.
1860 * The call is a tail call - in tail position (ret immediately follows call and
1861   ret uses value of call or is void).
1863 * Option ``-tailcallopt`` is enabled or the calling convention is ``tailcc``.
1865 * Platform-specific constraints are met.
1867 x86/x86-64 constraints:
1869 * No variable argument lists are used.
1871 * On x86-64 when generating GOT/PIC code only module-local calls (visibility =
1872   hidden or protected) are supported.
1874 PowerPC constraints:
1876 * No variable argument lists are used.
1878 * No byval parameters are used.
1880 * On ppc32/64 GOT/PIC only module-local calls (visibility = hidden or protected)
1881   are supported.
1883 WebAssembly constraints:
1885 * No variable argument lists are used
1887 * The 'tail-call' target attribute is enabled.
1889 * The caller and callee's return types must match. The caller cannot
1890   be void unless the callee is, too.
1892 AArch64 constraints:
1894 * No variable argument lists are used.
1896 Example:
1898 Call as ``llc -tailcallopt test.ll``.
1900 .. code-block:: llvm
1902   declare fastcc i32 @tailcallee(i32 inreg %a1, i32 inreg %a2, i32 %a3, i32 %a4)
1904   define fastcc i32 @tailcaller(i32 %in1, i32 %in2) {
1905     %l1 = add i32 %in1, %in2
1906     %tmp = tail call fastcc i32 @tailcallee(i32 inreg %in1, i32 inreg %in2, i32 %in1, i32 %l1)
1907     ret i32 %tmp
1908   }
1910 Implications of ``-tailcallopt``:
1912 To support tail call optimization in situations where the callee has more
1913 arguments than the caller a 'callee pops arguments' convention is used. This
1914 currently causes each ``fastcc`` call that is not tail call optimized (because
1915 one or more of above constraints are not met) to be followed by a readjustment
1916 of the stack. So performance might be worse in such cases.
1918 Sibling call optimization
1919 -------------------------
1921 Sibling call optimization is a restricted form of tail call optimization.
1922 Unlike tail call optimization described in the previous section, it can be
1923 performed automatically on any tail calls when ``-tailcallopt`` option is not
1924 specified.
1926 Sibling call optimization is currently performed on x86/x86-64 when the
1927 following constraints are met:
1929 * Caller and callee have the same calling convention. It can be either ``c`` or
1930   ``fastcc``.
1932 * The call is a tail call - in tail position (ret immediately follows call and
1933   ret uses value of call or is void).
1935 * Caller and callee have matching return type or the callee result is not used.
1937 * If any of the callee arguments are being passed in stack, they must be
1938   available in caller's own incoming argument stack and the frame offsets must
1939   be the same.
1941 Example:
1943 .. code-block:: llvm
1945   declare i32 @bar(i32, i32)
1947   define i32 @foo(i32 %a, i32 %b, i32 %c) {
1948   entry:
1949     %0 = tail call i32 @bar(i32 %a, i32 %b)
1950     ret i32 %0
1951   }
1953 The X86 backend
1954 ---------------
1956 The X86 code generator lives in the ``lib/Target/X86`` directory.  This code
1957 generator is capable of targeting a variety of x86-32 and x86-64 processors, and
1958 includes support for ISA extensions such as MMX and SSE.
1960 X86 Target Triples supported
1961 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1963 The following are the known target triples that are supported by the X86
1964 backend.  This is not an exhaustive list, and it would be useful to add those
1965 that people test.
1967 * **i686-pc-linux-gnu** --- Linux
1969 * **i386-unknown-freebsd5.3** --- FreeBSD 5.3
1971 * **i686-pc-cygwin** --- Cygwin on Win32
1973 * **i686-pc-mingw32** --- MingW on Win32
1975 * **i386-pc-mingw32msvc** --- MingW crosscompiler on Linux
1977 * **i686-apple-darwin*** --- Apple Darwin on X86
1979 * **x86_64-unknown-linux-gnu** --- Linux
1981 X86 Calling Conventions supported
1982 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1984 The following target-specific calling conventions are known to backend:
1986 * **x86_StdCall** --- stdcall calling convention seen on Microsoft Windows
1987   platform (CC ID = 64).
1989 * **x86_FastCall** --- fastcall calling convention seen on Microsoft Windows
1990   platform (CC ID = 65).
1992 * **x86_ThisCall** --- Similar to X86_StdCall. Passes first argument in ECX,
1993   others via stack. Callee is responsible for stack cleaning. This convention is
1994   used by MSVC by default for methods in its ABI (CC ID = 70).
1996 .. _X86 addressing mode:
1998 Representing X86 addressing modes in MachineInstrs
1999 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2001 The x86 has a very flexible way of accessing memory.  It is capable of forming
2002 memory addresses of the following expression directly in integer instructions
2003 (which use ModR/M addressing):
2007   SegmentReg: Base + [1,2,4,8] * IndexReg + Disp32
2009 In order to represent this, LLVM tracks no less than 5 operands for each memory
2010 operand of this form.  This means that the "load" form of '``mov``' has the
2011 following ``MachineOperand``\s in this order:
2015   Index:        0     |    1        2       3           4          5
2016   Meaning:   DestReg, | BaseReg,  Scale, IndexReg, Displacement Segment
2017   OperandTy: VirtReg, | VirtReg, UnsImm, VirtReg,   SignExtImm  PhysReg
2019 Stores, and all other instructions, treat the four memory operands in the same
2020 way and in the same order.  If the segment register is unspecified (regno = 0),
2021 then no segment override is generated.  "Lea" operations do not have a segment
2022 register specified, so they only have 4 operands for their memory reference.
2024 X86 address spaces supported
2025 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2027 x86 has a feature which provides the ability to perform loads and stores to
2028 different address spaces via the x86 segment registers.  A segment override
2029 prefix byte on an instruction causes the instruction's memory access to go to
2030 the specified segment.  LLVM address space 0 is the default address space, which
2031 includes the stack, and any unqualified memory accesses in a program.  Address
2032 spaces 1-255 are currently reserved for user-defined code.  The GS-segment is
2033 represented by address space 256, the FS-segment is represented by address space
2034 257, and the SS-segment is represented by address space 258. Other x86 segments
2035 have yet to be allocated address space numbers.
2037 While these address spaces may seem similar to TLS via the ``thread_local``
2038 keyword, and often use the same underlying hardware, there are some fundamental
2039 differences.
2041 The ``thread_local`` keyword applies to global variables and specifies that they
2042 are to be allocated in thread-local memory. There are no type qualifiers
2043 involved, and these variables can be pointed to with normal pointers and
2044 accessed with normal loads and stores.  The ``thread_local`` keyword is
2045 target-independent at the LLVM IR level (though LLVM doesn't yet have
2046 implementations of it for some configurations)
2048 Special address spaces, in contrast, apply to static types. Every load and store
2049 has a particular address space in its address operand type, and this is what
2050 determines which address space is accessed.  LLVM ignores these special address
2051 space qualifiers on global variables, and does not provide a way to directly
2052 allocate storage in them.  At the LLVM IR level, the behavior of these special
2053 address spaces depends in part on the underlying OS or runtime environment, and
2054 they are specific to x86 (and LLVM doesn't yet handle them correctly in some
2055 cases).
2057 Some operating systems and runtime environments use (or may in the future use)
2058 the FS/GS-segment registers for various low-level purposes, so care should be
2059 taken when considering them.
2061 Instruction naming
2062 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2064 An instruction name consists of the base name, a default operand size, and a
2065 character per operand with an optional special size. For example:
2069   ADD8rr      -> add, 8-bit register, 8-bit register
2070   IMUL16rmi   -> imul, 16-bit register, 16-bit memory, 16-bit immediate
2071   IMUL16rmi8  -> imul, 16-bit register, 16-bit memory, 8-bit immediate
2072   MOVSX32rm16 -> movsx, 32-bit register, 16-bit memory
2074 The PowerPC backend
2075 -------------------
2077 The PowerPC code generator lives in the lib/Target/PowerPC directory.  The code
2078 generation is retargetable to several variations or *subtargets* of the PowerPC
2079 ISA; including ppc32, ppc64 and altivec.
2081 LLVM PowerPC ABI
2082 ^^^^^^^^^^^^^^^^
2084 LLVM follows the AIX PowerPC ABI, with two deviations. LLVM uses a PC relative
2085 (PIC) or static addressing for accessing global values, so no TOC (r2) is
2086 used. Second, r31 is used as a frame pointer to allow dynamic growth of a stack
2087 frame.  LLVM takes advantage of having no TOC to provide space to save the frame
2088 pointer in the PowerPC linkage area of the caller frame.  Other details of
2089 PowerPC ABI can be found at `PowerPC ABI
2090 <http://developer.apple.com/documentation/DeveloperTools/Conceptual/LowLevelABI/Articles/32bitPowerPC.html>`_\
2091 . Note: This link describes the 32 bit ABI.  The 64 bit ABI is similar except
2092 space for GPRs are 8 bytes wide (not 4) and r13 is reserved for system use.
2094 Frame Layout
2095 ^^^^^^^^^^^^
2097 The size of a PowerPC frame is usually fixed for the duration of a function's
2098 invocation.  Since the frame is fixed size, all references into the frame can be
2099 accessed via fixed offsets from the stack pointer.  The exception to this is
2100 when dynamic alloca or variable sized arrays are present, then a base pointer
2101 (r31) is used as a proxy for the stack pointer and stack pointer is free to grow
2102 or shrink.  A base pointer is also used if llvm-gcc is not passed the
2103 -fomit-frame-pointer flag. The stack pointer is always aligned to 16 bytes, so
2104 that space allocated for altivec vectors will be properly aligned.
2106 An invocation frame is laid out as follows (low memory at top):
2108 :raw-html:`<table border="1" cellspacing="0">`
2109 :raw-html:`<tr>`
2110 :raw-html:`<td>Linkage<br><br></td>`
2111 :raw-html:`</tr>`
2112 :raw-html:`<tr>`
2113 :raw-html:`<td>Parameter area<br><br></td>`
2114 :raw-html:`</tr>`
2115 :raw-html:`<tr>`
2116 :raw-html:`<td>Dynamic area<br><br></td>`
2117 :raw-html:`</tr>`
2118 :raw-html:`<tr>`
2119 :raw-html:`<td>Locals area<br><br></td>`
2120 :raw-html:`</tr>`
2121 :raw-html:`<tr>`
2122 :raw-html:`<td>Saved registers area<br><br></td>`
2123 :raw-html:`</tr>`
2124 :raw-html:`<tr style="border-style: none hidden none hidden;">`
2125 :raw-html:`<td><br></td>`
2126 :raw-html:`</tr>`
2127 :raw-html:`<tr>`
2128 :raw-html:`<td>Previous Frame<br><br></td>`
2129 :raw-html:`</tr>`
2130 :raw-html:`</table>`
2132 The *linkage* area is used by a callee to save special registers prior to
2133 allocating its own frame.  Only three entries are relevant to LLVM. The first
2134 entry is the previous stack pointer (sp), aka link.  This allows probing tools
2135 like gdb or exception handlers to quickly scan the frames in the stack.  A
2136 function epilog can also use the link to pop the frame from the stack.  The
2137 third entry in the linkage area is used to save the return address from the lr
2138 register. Finally, as mentioned above, the last entry is used to save the
2139 previous frame pointer (r31.)  The entries in the linkage area are the size of a
2140 GPR, thus the linkage area is 24 bytes long in 32 bit mode and 48 bytes in 64
2141 bit mode.
2143 32 bit linkage area:
2145 :raw-html:`<table  border="1" cellspacing="0">`
2146 :raw-html:`<tr>`
2147 :raw-html:`<td>0</td>`
2148 :raw-html:`<td>Saved SP (r1)</td>`
2149 :raw-html:`</tr>`
2150 :raw-html:`<tr>`
2151 :raw-html:`<td>4</td>`
2152 :raw-html:`<td>Saved CR</td>`
2153 :raw-html:`</tr>`
2154 :raw-html:`<tr>`
2155 :raw-html:`<td>8</td>`
2156 :raw-html:`<td>Saved LR</td>`
2157 :raw-html:`</tr>`
2158 :raw-html:`<tr>`
2159 :raw-html:`<td>12</td>`
2160 :raw-html:`<td>Reserved</td>`
2161 :raw-html:`</tr>`
2162 :raw-html:`<tr>`
2163 :raw-html:`<td>16</td>`
2164 :raw-html:`<td>Reserved</td>`
2165 :raw-html:`</tr>`
2166 :raw-html:`<tr>`
2167 :raw-html:`<td>20</td>`
2168 :raw-html:`<td>Saved FP (r31)</td>`
2169 :raw-html:`</tr>`
2170 :raw-html:`</table>`
2172 64 bit linkage area:
2174 :raw-html:`<table border="1" cellspacing="0">`
2175 :raw-html:`<tr>`
2176 :raw-html:`<td>0</td>`
2177 :raw-html:`<td>Saved SP (r1)</td>`
2178 :raw-html:`</tr>`
2179 :raw-html:`<tr>`
2180 :raw-html:`<td>8</td>`
2181 :raw-html:`<td>Saved CR</td>`
2182 :raw-html:`</tr>`
2183 :raw-html:`<tr>`
2184 :raw-html:`<td>16</td>`
2185 :raw-html:`<td>Saved LR</td>`
2186 :raw-html:`</tr>`
2187 :raw-html:`<tr>`
2188 :raw-html:`<td>24</td>`
2189 :raw-html:`<td>Reserved</td>`
2190 :raw-html:`</tr>`
2191 :raw-html:`<tr>`
2192 :raw-html:`<td>32</td>`
2193 :raw-html:`<td>Reserved</td>`
2194 :raw-html:`</tr>`
2195 :raw-html:`<tr>`
2196 :raw-html:`<td>40</td>`
2197 :raw-html:`<td>Saved FP (r31)</td>`
2198 :raw-html:`</tr>`
2199 :raw-html:`</table>`
2201 The *parameter area* is used to store arguments being passed to a callee
2202 function.  Following the PowerPC ABI, the first few arguments are actually
2203 passed in registers, with the space in the parameter area unused.  However, if
2204 there are not enough registers or the callee is a thunk or vararg function,
2205 these register arguments can be spilled into the parameter area.  Thus, the
2206 parameter area must be large enough to store all the parameters for the largest
2207 call sequence made by the caller.  The size must also be minimally large enough
2208 to spill registers r3-r10.  This allows callees blind to the call signature,
2209 such as thunks and vararg functions, enough space to cache the argument
2210 registers.  Therefore, the parameter area is minimally 32 bytes (64 bytes in 64
2211 bit mode.)  Also note that since the parameter area is a fixed offset from the
2212 top of the frame, that a callee can access its split arguments using fixed
2213 offsets from the stack pointer (or base pointer.)
2215 Combining the information about the linkage, parameter areas and alignment. A
2216 stack frame is minimally 64 bytes in 32 bit mode and 128 bytes in 64 bit mode.
2218 The *dynamic area* starts out as size zero.  If a function uses dynamic alloca
2219 then space is added to the stack, the linkage and parameter areas are shifted to
2220 top of stack, and the new space is available immediately below the linkage and
2221 parameter areas.  The cost of shifting the linkage and parameter areas is minor
2222 since only the link value needs to be copied.  The link value can be easily
2223 fetched by adding the original frame size to the base pointer.  Note that
2224 allocations in the dynamic space need to observe 16 byte alignment.
2226 The *locals area* is where the llvm compiler reserves space for local variables.
2228 The *saved registers area* is where the llvm compiler spills callee saved
2229 registers on entry to the callee.
2231 Prolog/Epilog
2232 ^^^^^^^^^^^^^
2234 The llvm prolog and epilog are the same as described in the PowerPC ABI, with
2235 the following exceptions.  Callee saved registers are spilled after the frame is
2236 created.  This allows the llvm epilog/prolog support to be common with other
2237 targets.  The base pointer callee saved register r31 is saved in the TOC slot of
2238 linkage area.  This simplifies allocation of space for the base pointer and
2239 makes it convenient to locate programmatically and during debugging.
2241 Dynamic Allocation
2242 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2244 .. note::
2246   TODO - More to come.
2248 The NVPTX backend
2249 -----------------
2251 The NVPTX code generator under lib/Target/NVPTX is an open-source version of
2252 the NVIDIA NVPTX code generator for LLVM.  It is contributed by NVIDIA and is
2253 a port of the code generator used in the CUDA compiler (nvcc).  It targets the
2254 PTX 3.0/3.1 ISA and can target any compute capability greater than or equal to
2255 2.0 (Fermi).
2257 This target is of production quality and should be completely compatible with
2258 the official NVIDIA toolchain.
2260 Code Generator Options:
2262 :raw-html:`<table border="1" cellspacing="0">`
2263 :raw-html:`<tr>`
2264 :raw-html:`<th>Option</th>`
2265 :raw-html:`<th>Description</th>`
2266 :raw-html:`</tr>`
2267 :raw-html:`<tr>`
2268 :raw-html:`<td>sm_20</td>`
2269 :raw-html:`<td align="left">Set shader model/compute capability to 2.0</td>`
2270 :raw-html:`</tr>`
2271 :raw-html:`<tr>`
2272 :raw-html:`<td>sm_21</td>`
2273 :raw-html:`<td align="left">Set shader model/compute capability to 2.1</td>`
2274 :raw-html:`</tr>`
2275 :raw-html:`<tr>`
2276 :raw-html:`<td>sm_30</td>`
2277 :raw-html:`<td align="left">Set shader model/compute capability to 3.0</td>`
2278 :raw-html:`</tr>`
2279 :raw-html:`<tr>`
2280 :raw-html:`<td>sm_35</td>`
2281 :raw-html:`<td align="left">Set shader model/compute capability to 3.5</td>`
2282 :raw-html:`</tr>`
2283 :raw-html:`<tr>`
2284 :raw-html:`<td>ptx30</td>`
2285 :raw-html:`<td align="left">Target PTX 3.0</td>`
2286 :raw-html:`</tr>`
2287 :raw-html:`<tr>`
2288 :raw-html:`<td>ptx31</td>`
2289 :raw-html:`<td align="left">Target PTX 3.1</td>`
2290 :raw-html:`</tr>`
2291 :raw-html:`</table>`
2293 The extended Berkeley Packet Filter (eBPF) backend
2294 --------------------------------------------------
2296 Extended BPF (or eBPF) is similar to the original ("classic") BPF (cBPF) used
2297 to filter network packets.  The
2298 `bpf() system call <http://man7.org/linux/man-pages/man2/bpf.2.html>`_
2299 performs a range of operations related to eBPF.  For both cBPF and eBPF
2300 programs, the Linux kernel statically analyzes the programs before loading
2301 them, in order to ensure that they cannot harm the running system.  eBPF is
2302 a 64-bit RISC instruction set designed for one to one mapping to 64-bit CPUs.
2303 Opcodes are 8-bit encoded, and 87 instructions are defined.  There are 10
2304 registers, grouped by function as outlined below.
2308   R0        return value from in-kernel functions; exit value for eBPF program
2309   R1 - R5   function call arguments to in-kernel functions
2310   R6 - R9   callee-saved registers preserved by in-kernel functions
2311   R10       stack frame pointer (read only)
2313 Instruction encoding (arithmetic and jump)
2314 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2315 eBPF is reusing most of the opcode encoding from classic to simplify conversion
2316 of classic BPF to eBPF.  For arithmetic and jump instructions the 8-bit 'code'
2317 field is divided into three parts:
2321   +----------------+--------+--------------------+
2322   |   4 bits       |  1 bit |   3 bits           |
2323   | operation code | source | instruction class  |
2324   +----------------+--------+--------------------+
2325   (MSB)                                      (LSB)
2327 Three LSB bits store instruction class which is one of:
2331   BPF_LD     0x0
2332   BPF_LDX    0x1
2333   BPF_ST     0x2
2334   BPF_STX    0x3
2335   BPF_ALU    0x4
2336   BPF_JMP    0x5
2337   (unused)   0x6
2338   BPF_ALU64  0x7
2340 When BPF_CLASS(code) == BPF_ALU or BPF_ALU64 or BPF_JMP,
2341 4th bit encodes source operand
2345   BPF_X     0x1  use src_reg register as source operand
2346   BPF_K     0x0  use 32 bit immediate as source operand
2348 and four MSB bits store operation code
2352   BPF_ADD   0x0  add
2353   BPF_SUB   0x1  subtract
2354   BPF_MUL   0x2  multiply
2355   BPF_DIV   0x3  divide
2356   BPF_OR    0x4  bitwise logical OR
2357   BPF_AND   0x5  bitwise logical AND
2358   BPF_LSH   0x6  left shift
2359   BPF_RSH   0x7  right shift (zero extended)
2360   BPF_NEG   0x8  arithmetic negation
2361   BPF_MOD   0x9  modulo
2362   BPF_XOR   0xa  bitwise logical XOR
2363   BPF_MOV   0xb  move register to register
2364   BPF_ARSH  0xc  right shift (sign extended)
2365   BPF_END   0xd  endianness conversion
2367 If BPF_CLASS(code) == BPF_JMP, BPF_OP(code) is one of
2371   BPF_JA    0x0  unconditional jump
2372   BPF_JEQ   0x1  jump ==
2373   BPF_JGT   0x2  jump >
2374   BPF_JGE   0x3  jump >=
2375   BPF_JSET  0x4  jump if (DST & SRC)
2376   BPF_JNE   0x5  jump !=
2377   BPF_JSGT  0x6  jump signed >
2378   BPF_JSGE  0x7  jump signed >=
2379   BPF_CALL  0x8  function call
2380   BPF_EXIT  0x9  function return
2382 Instruction encoding (load, store)
2383 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2384 For load and store instructions the 8-bit 'code' field is divided as:
2388   +--------+--------+-------------------+
2389   | 3 bits | 2 bits |   3 bits          |
2390   |  mode  |  size  | instruction class |
2391   +--------+--------+-------------------+
2392   (MSB)                             (LSB)
2394 Size modifier is one of
2398   BPF_W       0x0  word
2399   BPF_H       0x1  half word
2400   BPF_B       0x2  byte
2401   BPF_DW      0x3  double word
2403 Mode modifier is one of
2407   BPF_IMM     0x0  immediate
2408   BPF_ABS     0x1  used to access packet data
2409   BPF_IND     0x2  used to access packet data
2410   BPF_MEM     0x3  memory
2411   (reserved)  0x4
2412   (reserved)  0x5
2413   BPF_XADD    0x6  exclusive add
2416 Packet data access (BPF_ABS, BPF_IND)
2417 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2419 Two non-generic instructions: (BPF_ABS | <size> | BPF_LD) and
2420 (BPF_IND | <size> | BPF_LD) which are used to access packet data.
2421 Register R6 is an implicit input that must contain pointer to sk_buff.
2422 Register R0 is an implicit output which contains the data fetched
2423 from the packet.  Registers R1-R5 are scratch registers and must not
2424 be used to store the data across BPF_ABS | BPF_LD or BPF_IND | BPF_LD
2425 instructions.  These instructions have implicit program exit condition
2426 as well.  When eBPF program is trying to access the data beyond
2427 the packet boundary, the interpreter will abort the execution of the program.
2429 BPF_IND | BPF_W | BPF_LD is equivalent to:
2430   R0 = ntohl(\*(u32 \*) (((struct sk_buff \*) R6)->data + src_reg + imm32))
2432 eBPF maps
2433 ^^^^^^^^^
2435 eBPF maps are provided for sharing data between kernel and user-space.
2436 Currently implemented types are hash and array, with potential extension to
2437 support bloom filters, radix trees, etc.  A map is defined by its type,
2438 maximum number of elements, key size and value size in bytes.  eBPF syscall
2439 supports create, update, find and delete functions on maps.
2441 Function calls
2442 ^^^^^^^^^^^^^^
2444 Function call arguments are passed using up to five registers (R1 - R5).
2445 The return value is passed in a dedicated register (R0).  Four additional
2446 registers (R6 - R9) are callee-saved, and the values in these registers
2447 are preserved within kernel functions.  R0 - R5 are scratch registers within
2448 kernel functions, and eBPF programs must therefor store/restore values in
2449 these registers if needed across function calls.  The stack can be accessed
2450 using the read-only frame pointer R10.  eBPF registers map 1:1 to hardware
2451 registers on x86_64 and other 64-bit architectures.  For example, x86_64
2452 in-kernel JIT maps them as
2456   R0 - rax
2457   R1 - rdi
2458   R2 - rsi
2459   R3 - rdx
2460   R4 - rcx
2461   R5 - r8
2462   R6 - rbx
2463   R7 - r13
2464   R8 - r14
2465   R9 - r15
2466   R10 - rbp
2468 since x86_64 ABI mandates rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9 for argument passing
2469 and rbx, r12 - r15 are callee saved.
2471 Program start
2472 ^^^^^^^^^^^^^
2474 An eBPF program receives a single argument and contains
2475 a single eBPF main routine; the program does not contain eBPF functions.
2476 Function calls are limited to a predefined set of kernel functions.  The size
2477 of a program is limited to 4K instructions:  this ensures fast termination and
2478 a limited number of kernel function calls.  Prior to running an eBPF program,
2479 a verifier performs static analysis to prevent loops in the code and
2480 to ensure valid register usage and operand types.
2482 The AMDGPU backend
2483 ------------------
2485 The AMDGPU code generator lives in the ``lib/Target/AMDGPU``
2486 directory. This code generator is capable of targeting a variety of
2487 AMD GPU processors. Refer to :doc:`AMDGPUUsage` for more information.