[RISCV] Regenerate autogen test to remove spurious diff
[llvm-project.git] / llvm / docs / WritingAnLLVMBackend.rst
blob31ebc6204c98fac144ce7b7ad46898700cdfcd95
1 =======================
2 Writing an LLVM Backend
3 =======================
5 .. toctree::
6    :hidden:
8    HowToUseInstrMappings
10 .. contents::
11    :local:
13 Introduction
14 ============
16 This document describes techniques for writing compiler backends that convert
17 the LLVM Intermediate Representation (IR) to code for a specified machine or
18 other languages.  Code intended for a specific machine can take the form of
19 either assembly code or binary code (usable for a JIT compiler).
21 The backend of LLVM features a target-independent code generator that may
22 create output for several types of target CPUs --- including X86, PowerPC,
23 ARM, and SPARC.  The backend may also be used to generate code targeted at SPUs
24 of the Cell processor or GPUs to support the execution of compute kernels.
26 The document focuses on existing examples found in subdirectories of
27 ``llvm/lib/Target`` in a downloaded LLVM release.  In particular, this document
28 focuses on the example of creating a static compiler (one that emits text
29 assembly) for a SPARC target, because SPARC has fairly standard
30 characteristics, such as a RISC instruction set and straightforward calling
31 conventions.
33 Audience
34 --------
36 The audience for this document is anyone who needs to write an LLVM backend to
37 generate code for a specific hardware or software target.
39 Prerequisite Reading
40 --------------------
42 These essential documents must be read before reading this document:
44 * `LLVM Language Reference Manual <LangRef.html>`_ --- a reference manual for
45   the LLVM assembly language.
47 * :doc:`CodeGenerator` --- a guide to the components (classes and code
48   generation algorithms) for translating the LLVM internal representation into
49   machine code for a specified target.  Pay particular attention to the
50   descriptions of code generation stages: Instruction Selection, Scheduling and
51   Formation, SSA-based Optimization, Register Allocation, Prolog/Epilog Code
52   Insertion, Late Machine Code Optimizations, and Code Emission.
54 * :doc:`TableGen/index` --- a document that describes the TableGen
55   (``tblgen``) application that manages domain-specific information to support
56   LLVM code generation.  TableGen processes input from a target description
57   file (``.td`` suffix) and generates C++ code that can be used for code
58   generation.
60 * :doc:`WritingAnLLVMPass` --- The assembly printer is a ``FunctionPass``, as
61   are several ``SelectionDAG`` processing steps.
63 To follow the SPARC examples in this document, have a copy of `The SPARC
64 Architecture Manual, Version 8 <http://www.sparc.org/standards/V8.pdf>`_ for
65 reference.  For details about the ARM instruction set, refer to the `ARM
66 Architecture Reference Manual <http://infocenter.arm.com/>`_.  For more about
67 the GNU Assembler format (``GAS``), see `Using As
68 <http://sourceware.org/binutils/docs/as/index.html>`_, especially for the
69 assembly printer.  "Using As" contains a list of target machine dependent
70 features.
72 Basic Steps
73 -----------
75 To write a compiler backend for LLVM that converts the LLVM IR to code for a
76 specified target (machine or other language), follow these steps:
78 * Create a subclass of the ``TargetMachine`` class that describes
79   characteristics of your target machine.  Copy existing examples of specific
80   ``TargetMachine`` class and header files; for example, start with
81   ``SparcTargetMachine.cpp`` and ``SparcTargetMachine.h``, but change the file
82   names for your target.  Similarly, change code that references "``Sparc``" to
83   reference your target.
85 * Describe the register set of the target.  Use TableGen to generate code for
86   register definition, register aliases, and register classes from a
87   target-specific ``RegisterInfo.td`` input file.  You should also write
88   additional code for a subclass of the ``TargetRegisterInfo`` class that
89   represents the class register file data used for register allocation and also
90   describes the interactions between registers.
92 * Describe the instruction set of the target.  Use TableGen to generate code
93   for target-specific instructions from target-specific versions of
94   ``TargetInstrFormats.td`` and ``TargetInstrInfo.td``.  You should write
95   additional code for a subclass of the ``TargetInstrInfo`` class to represent
96   machine instructions supported by the target machine.
98 * Describe the selection and conversion of the LLVM IR from a Directed Acyclic
99   Graph (DAG) representation of instructions to native target-specific
100   instructions.  Use TableGen to generate code that matches patterns and
101   selects instructions based on additional information in a target-specific
102   version of ``TargetInstrInfo.td``.  Write code for ``XXXISelDAGToDAG.cpp``,
103   where ``XXX`` identifies the specific target, to perform pattern matching and
104   DAG-to-DAG instruction selection.  Also write code in ``XXXISelLowering.cpp``
105   to replace or remove operations and data types that are not supported
106   natively in a SelectionDAG.
108 * Write code for an assembly printer that converts LLVM IR to a GAS format for
109   your target machine.  You should add assembly strings to the instructions
110   defined in your target-specific version of ``TargetInstrInfo.td``.  You
111   should also write code for a subclass of ``AsmPrinter`` that performs the
112   LLVM-to-assembly conversion and a trivial subclass of ``TargetAsmInfo``.
114 * Optionally, add support for subtargets (i.e., variants with different
115   capabilities).  You should also write code for a subclass of the
116   ``TargetSubtarget`` class, which allows you to use the ``-mcpu=`` and
117   ``-mattr=`` command-line options.
119 * Optionally, add JIT support and create a machine code emitter (subclass of
120   ``TargetJITInfo``) that is used to emit binary code directly into memory.
122 In the ``.cpp`` and ``.h``. files, initially stub up these methods and then
123 implement them later.  Initially, you may not know which private members that
124 the class will need and which components will need to be subclassed.
126 Preliminaries
127 -------------
129 To actually create your compiler backend, you need to create and modify a few
130 files.  The absolute minimum is discussed here.  But to actually use the LLVM
131 target-independent code generator, you must perform the steps described in the
132 :doc:`LLVM Target-Independent Code Generator <CodeGenerator>` document.
134 First, you should create a subdirectory under ``lib/Target`` to hold all the
135 files related to your target.  If your target is called "Dummy", create the
136 directory ``lib/Target/Dummy``.
138 In this new directory, create a ``CMakeLists.txt``.  It is easiest to copy a
139 ``CMakeLists.txt`` of another target and modify it.  It should at least contain
140 the ``LLVM_TARGET_DEFINITIONS`` variable. The library can be named ``LLVMDummy``
141 (for example, see the MIPS target).  Alternatively, you can split the library
142 into ``LLVMDummyCodeGen`` and ``LLVMDummyAsmPrinter``, the latter of which
143 should be implemented in a subdirectory below ``lib/Target/Dummy`` (for example,
144 see the PowerPC target).
146 Note that these two naming schemes are hardcoded into ``llvm-config``.  Using
147 any other naming scheme will confuse ``llvm-config`` and produce a lot of
148 (seemingly unrelated) linker errors when linking ``llc``.
150 To make your target actually do something, you need to implement a subclass of
151 ``TargetMachine``.  This implementation should typically be in the file
152 ``lib/Target/DummyTargetMachine.cpp``, but any file in the ``lib/Target``
153 directory will be built and should work.  To use LLVM's target independent code
154 generator, you should do what all current machine backends do: create a
155 subclass of ``LLVMTargetMachine``.  (To create a target from scratch, create a
156 subclass of ``TargetMachine``.)
158 To get LLVM to actually build and link your target, you need to run ``cmake``
159 with ``-DLLVM_EXPERIMENTAL_TARGETS_TO_BUILD=Dummy``. This will build your
160 target without needing to add it to the list of all the targets.
162 Once your target is stable, you can add it to the ``LLVM_ALL_TARGETS`` variable
163 located in the main ``CMakeLists.txt``.
165 Target Machine
166 ==============
168 ``LLVMTargetMachine`` is designed as a base class for targets implemented with
169 the LLVM target-independent code generator.  The ``LLVMTargetMachine`` class
170 should be specialized by a concrete target class that implements the various
171 virtual methods.  ``LLVMTargetMachine`` is defined as a subclass of
172 ``TargetMachine`` in ``include/llvm/Target/TargetMachine.h``.  The
173 ``TargetMachine`` class implementation (``TargetMachine.cpp``) also processes
174 numerous command-line options.
176 To create a concrete target-specific subclass of ``LLVMTargetMachine``, start
177 by copying an existing ``TargetMachine`` class and header.  You should name the
178 files that you create to reflect your specific target.  For instance, for the
179 SPARC target, name the files ``SparcTargetMachine.h`` and
180 ``SparcTargetMachine.cpp``.
182 For a target machine ``XXX``, the implementation of ``XXXTargetMachine`` must
183 have access methods to obtain objects that represent target components.  These
184 methods are named ``get*Info``, and are intended to obtain the instruction set
185 (``getInstrInfo``), register set (``getRegisterInfo``), stack frame layout
186 (``getFrameInfo``), and similar information.  ``XXXTargetMachine`` must also
187 implement the ``getDataLayout`` method to access an object with target-specific
188 data characteristics, such as data type size and alignment requirements.
190 For instance, for the SPARC target, the header file ``SparcTargetMachine.h``
191 declares prototypes for several ``get*Info`` and ``getDataLayout`` methods that
192 simply return a class member.
194 .. code-block:: c++
196   namespace llvm {
198   class Module;
200   class SparcTargetMachine : public LLVMTargetMachine {
201     const DataLayout DataLayout;       // Calculates type size & alignment
202     SparcSubtarget Subtarget;
203     SparcInstrInfo InstrInfo;
204     TargetFrameInfo FrameInfo;
206   protected:
207     virtual const TargetAsmInfo *createTargetAsmInfo() const;
209   public:
210     SparcTargetMachine(const Module &M, const std::string &FS);
212     virtual const SparcInstrInfo *getInstrInfo() const {return &InstrInfo; }
213     virtual const TargetFrameInfo *getFrameInfo() const {return &FrameInfo; }
214     virtual const TargetSubtarget *getSubtargetImpl() const{return &Subtarget; }
215     virtual const TargetRegisterInfo *getRegisterInfo() const {
216       return &InstrInfo.getRegisterInfo();
217     }
218     virtual const DataLayout *getDataLayout() const { return &DataLayout; }
220     // Pass Pipeline Configuration
221     virtual bool addInstSelector(PassManagerBase &PM, bool Fast);
222     virtual bool addPreEmitPass(PassManagerBase &PM, bool Fast);
223   };
225   } // end namespace llvm
227 * ``getInstrInfo()``
228 * ``getRegisterInfo()``
229 * ``getFrameInfo()``
230 * ``getDataLayout()``
231 * ``getSubtargetImpl()``
233 For some targets, you also need to support the following methods:
235 * ``getTargetLowering()``
236 * ``getJITInfo()``
238 Some architectures, such as GPUs, do not support jumping to an arbitrary
239 program location and implement branching using masked execution and loop using
240 special instructions around the loop body. In order to avoid CFG modifications
241 that introduce irreducible control flow not handled by such hardware, a target
242 must call `setRequiresStructuredCFG(true)` when being initialized.
244 In addition, the ``XXXTargetMachine`` constructor should specify a
245 ``TargetDescription`` string that determines the data layout for the target
246 machine, including characteristics such as pointer size, alignment, and
247 endianness.  For example, the constructor for ``SparcTargetMachine`` contains
248 the following:
250 .. code-block:: c++
252   SparcTargetMachine::SparcTargetMachine(const Module &M, const std::string &FS)
253     : DataLayout("E-p:32:32-f128:128:128"),
254       Subtarget(M, FS), InstrInfo(Subtarget),
255       FrameInfo(TargetFrameInfo::StackGrowsDown, 8, 0) {
256   }
258 Hyphens separate portions of the ``TargetDescription`` string.
260 * An upper-case "``E``" in the string indicates a big-endian target data model.
261   A lower-case "``e``" indicates little-endian.
263 * "``p:``" is followed by pointer information: size, ABI alignment, and
264   preferred alignment.  If only two figures follow "``p:``", then the first
265   value is pointer size, and the second value is both ABI and preferred
266   alignment.
268 * Then a letter for numeric type alignment: "``i``", "``f``", "``v``", or
269   "``a``" (corresponding to integer, floating point, vector, or aggregate).
270   "``i``", "``v``", or "``a``" are followed by ABI alignment and preferred
271   alignment. "``f``" is followed by three values: the first indicates the size
272   of a long double, then ABI alignment, and then ABI preferred alignment.
274 Target Registration
275 ===================
277 You must also register your target with the ``TargetRegistry``, which is what
278 other LLVM tools use to be able to lookup and use your target at runtime.  The
279 ``TargetRegistry`` can be used directly, but for most targets there are helper
280 templates which should take care of the work for you.
282 All targets should declare a global ``Target`` object which is used to
283 represent the target during registration.  Then, in the target's ``TargetInfo``
284 library, the target should define that object and use the ``RegisterTarget``
285 template to register the target.  For example, the Sparc registration code
286 looks like this:
288 .. code-block:: c++
290   Target llvm::getTheSparcTarget();
292   extern "C" void LLVMInitializeSparcTargetInfo() {
293     RegisterTarget<Triple::sparc, /*HasJIT=*/false>
294       X(getTheSparcTarget(), "sparc", "Sparc");
295   }
297 This allows the ``TargetRegistry`` to look up the target by name or by target
298 triple.  In addition, most targets will also register additional features which
299 are available in separate libraries.  These registration steps are separate,
300 because some clients may wish to only link in some parts of the target --- the
301 JIT code generator does not require the use of the assembler printer, for
302 example.  Here is an example of registering the Sparc assembly printer:
304 .. code-block:: c++
306   extern "C" void LLVMInitializeSparcAsmPrinter() {
307     RegisterAsmPrinter<SparcAsmPrinter> X(getTheSparcTarget());
308   }
310 For more information, see "`llvm/Target/TargetRegistry.h
311 </doxygen/TargetRegistry_8h-source.html>`_".
313 Register Set and Register Classes
314 =================================
316 You should describe a concrete target-specific class that represents the
317 register file of a target machine.  This class is called ``XXXRegisterInfo``
318 (where ``XXX`` identifies the target) and represents the class register file
319 data that is used for register allocation.  It also describes the interactions
320 between registers.
322 You also need to define register classes to categorize related registers.  A
323 register class should be added for groups of registers that are all treated the
324 same way for some instruction.  Typical examples are register classes for
325 integer, floating-point, or vector registers.  A register allocator allows an
326 instruction to use any register in a specified register class to perform the
327 instruction in a similar manner.  Register classes allocate virtual registers
328 to instructions from these sets, and register classes let the
329 target-independent register allocator automatically choose the actual
330 registers.
332 Much of the code for registers, including register definition, register
333 aliases, and register classes, is generated by TableGen from
334 ``XXXRegisterInfo.td`` input files and placed in ``XXXGenRegisterInfo.h.inc``
335 and ``XXXGenRegisterInfo.inc`` output files.  Some of the code in the
336 implementation of ``XXXRegisterInfo`` requires hand-coding.
338 Defining a Register
339 -------------------
341 The ``XXXRegisterInfo.td`` file typically starts with register definitions for
342 a target machine.  The ``Register`` class (specified in ``Target.td``) is used
343 to define an object for each register.  The specified string ``n`` becomes the
344 ``Name`` of the register.  The basic ``Register`` object does not have any
345 subregisters and does not specify any aliases.
347 .. code-block:: text
349   class Register<string n> {
350     string Namespace = "";
351     string AsmName = n;
352     string Name = n;
353     int SpillSize = 0;
354     int SpillAlignment = 0;
355     list<Register> Aliases = [];
356     list<Register> SubRegs = [];
357     list<int> DwarfNumbers = [];
358   }
360 For example, in the ``X86RegisterInfo.td`` file, there are register definitions
361 that utilize the ``Register`` class, such as:
363 .. code-block:: text
365   def AL : Register<"AL">, DwarfRegNum<[0, 0, 0]>;
367 This defines the register ``AL`` and assigns it values (with ``DwarfRegNum``)
368 that are used by ``gcc``, ``gdb``, or a debug information writer to identify a
369 register.  For register ``AL``, ``DwarfRegNum`` takes an array of 3 values
370 representing 3 different modes: the first element is for X86-64, the second for
371 exception handling (EH) on X86-32, and the third is generic. -1 is a special
372 Dwarf number that indicates the gcc number is undefined, and -2 indicates the
373 register number is invalid for this mode.
375 From the previously described line in the ``X86RegisterInfo.td`` file, TableGen
376 generates this code in the ``X86GenRegisterInfo.inc`` file:
378 .. code-block:: c++
380   static const unsigned GR8[] = { X86::AL, ... };
382   const unsigned AL_AliasSet[] = { X86::AX, X86::EAX, X86::RAX, 0 };
384   const TargetRegisterDesc RegisterDescriptors[] = {
385     ...
386   { "AL", "AL", AL_AliasSet, Empty_SubRegsSet, Empty_SubRegsSet, AL_SuperRegsSet }, ...
388 From the register info file, TableGen generates a ``TargetRegisterDesc`` object
389 for each register.  ``TargetRegisterDesc`` is defined in
390 ``include/llvm/Target/TargetRegisterInfo.h`` with the following fields:
392 .. code-block:: c++
394   struct TargetRegisterDesc {
395     const char     *AsmName;      // Assembly language name for the register
396     const char     *Name;         // Printable name for the reg (for debugging)
397     const unsigned *AliasSet;     // Register Alias Set
398     const unsigned *SubRegs;      // Sub-register set
399     const unsigned *ImmSubRegs;   // Immediate sub-register set
400     const unsigned *SuperRegs;    // Super-register set
401   };
403 TableGen uses the entire target description file (``.td``) to determine text
404 names for the register (in the ``AsmName`` and ``Name`` fields of
405 ``TargetRegisterDesc``) and the relationships of other registers to the defined
406 register (in the other ``TargetRegisterDesc`` fields).  In this example, other
407 definitions establish the registers "``AX``", "``EAX``", and "``RAX``" as
408 aliases for one another, so TableGen generates a null-terminated array
409 (``AL_AliasSet``) for this register alias set.
411 The ``Register`` class is commonly used as a base class for more complex
412 classes.  In ``Target.td``, the ``Register`` class is the base for the
413 ``RegisterWithSubRegs`` class that is used to define registers that need to
414 specify subregisters in the ``SubRegs`` list, as shown here:
416 .. code-block:: text
418   class RegisterWithSubRegs<string n, list<Register> subregs> : Register<n> {
419     let SubRegs = subregs;
420   }
422 In ``SparcRegisterInfo.td``, additional register classes are defined for SPARC:
423 a ``Register`` subclass, ``SparcReg``, and further subclasses: ``Ri``, ``Rf``,
424 and ``Rd``.  SPARC registers are identified by 5-bit ID numbers, which is a
425 feature common to these subclasses.  Note the use of "``let``" expressions to
426 override values that are initially defined in a superclass (such as ``SubRegs``
427 field in the ``Rd`` class).
429 .. code-block:: text
431   class SparcReg<string n> : Register<n> {
432     field bits<5> Num;
433     let Namespace = "SP";
434   }
435   // Ri - 32-bit integer registers
436   class Ri<bits<5> num, string n> :
437   SparcReg<n> {
438     let Num = num;
439   }
440   // Rf - 32-bit floating-point registers
441   class Rf<bits<5> num, string n> :
442   SparcReg<n> {
443     let Num = num;
444   }
445   // Rd - Slots in the FP register file for 64-bit floating-point values.
446   class Rd<bits<5> num, string n, list<Register> subregs> : SparcReg<n> {
447     let Num = num;
448     let SubRegs = subregs;
449   }
451 In the ``SparcRegisterInfo.td`` file, there are register definitions that
452 utilize these subclasses of ``Register``, such as:
454 .. code-block:: text
456   def G0 : Ri< 0, "G0">, DwarfRegNum<[0]>;
457   def G1 : Ri< 1, "G1">, DwarfRegNum<[1]>;
458   ...
459   def F0 : Rf< 0, "F0">, DwarfRegNum<[32]>;
460   def F1 : Rf< 1, "F1">, DwarfRegNum<[33]>;
461   ...
462   def D0 : Rd< 0, "F0", [F0, F1]>, DwarfRegNum<[32]>;
463   def D1 : Rd< 2, "F2", [F2, F3]>, DwarfRegNum<[34]>;
465 The last two registers shown above (``D0`` and ``D1``) are double-precision
466 floating-point registers that are aliases for pairs of single-precision
467 floating-point sub-registers.  In addition to aliases, the sub-register and
468 super-register relationships of the defined register are in fields of a
469 register's ``TargetRegisterDesc``.
471 Defining a Register Class
472 -------------------------
474 The ``RegisterClass`` class (specified in ``Target.td``) is used to define an
475 object that represents a group of related registers and also defines the
476 default allocation order of the registers.  A target description file
477 ``XXXRegisterInfo.td`` that uses ``Target.td`` can construct register classes
478 using the following class:
480 .. code-block:: text
482   class RegisterClass<string namespace,
483   list<ValueType> regTypes, int alignment, dag regList> {
484     string Namespace = namespace;
485     list<ValueType> RegTypes = regTypes;
486     int Size = 0;  // spill size, in bits; zero lets tblgen pick the size
487     int Alignment = alignment;
489     // CopyCost is the cost of copying a value between two registers
490     // default value 1 means a single instruction
491     // A negative value means copying is extremely expensive or impossible
492     int CopyCost = 1;
493     dag MemberList = regList;
495     // for register classes that are subregisters of this class
496     list<RegisterClass> SubRegClassList = [];
498     code MethodProtos = [{}];  // to insert arbitrary code
499     code MethodBodies = [{}];
500   }
502 To define a ``RegisterClass``, use the following 4 arguments:
504 * The first argument of the definition is the name of the namespace.
506 * The second argument is a list of ``ValueType`` register type values that are
507   defined in ``include/llvm/CodeGen/ValueTypes.td``.  Defined values include
508   integer types (such as ``i16``, ``i32``, and ``i1`` for Boolean),
509   floating-point types (``f32``, ``f64``), and vector types (for example,
510   ``v8i16`` for an ``8 x i16`` vector).  All registers in a ``RegisterClass``
511   must have the same ``ValueType``, but some registers may store vector data in
512   different configurations.  For example a register that can process a 128-bit
513   vector may be able to handle 16 8-bit integer elements, 8 16-bit integers, 4
514   32-bit integers, and so on.
516 * The third argument of the ``RegisterClass`` definition specifies the
517   alignment required of the registers when they are stored or loaded to
518   memory.
520 * The final argument, ``regList``, specifies which registers are in this class.
521   If an alternative allocation order method is not specified, then ``regList``
522   also defines the order of allocation used by the register allocator.  Besides
523   simply listing registers with ``(add R0, R1, ...)``, more advanced set
524   operators are available.  See ``include/llvm/Target/Target.td`` for more
525   information.
527 In ``SparcRegisterInfo.td``, three ``RegisterClass`` objects are defined:
528 ``FPRegs``, ``DFPRegs``, and ``IntRegs``.  For all three register classes, the
529 first argument defines the namespace with the string "``SP``".  ``FPRegs``
530 defines a group of 32 single-precision floating-point registers (``F0`` to
531 ``F31``); ``DFPRegs`` defines a group of 16 double-precision registers
532 (``D0-D15``).
534 .. code-block:: text
536   // F0, F1, F2, ..., F31
537   def FPRegs : RegisterClass<"SP", [f32], 32, (sequence "F%u", 0, 31)>;
539   def DFPRegs : RegisterClass<"SP", [f64], 64,
540                               (add D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8,
541                                    D9, D10, D11, D12, D13, D14, D15)>;
543   def IntRegs : RegisterClass<"SP", [i32], 32,
544       (add L0, L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7,
545            I0, I1, I2, I3, I4, I5,
546            O0, O1, O2, O3, O4, O5, O7,
547            G1,
548            // Non-allocatable regs:
549            G2, G3, G4,
550            O6,        // stack ptr
551            I6,        // frame ptr
552            I7,        // return address
553            G0,        // constant zero
554            G5, G6, G7 // reserved for kernel
555       )>;
557 Using ``SparcRegisterInfo.td`` with TableGen generates several output files
558 that are intended for inclusion in other source code that you write.
559 ``SparcRegisterInfo.td`` generates ``SparcGenRegisterInfo.h.inc``, which should
560 be included in the header file for the implementation of the SPARC register
561 implementation that you write (``SparcRegisterInfo.h``).  In
562 ``SparcGenRegisterInfo.h.inc`` a new structure is defined called
563 ``SparcGenRegisterInfo`` that uses ``TargetRegisterInfo`` as its base.  It also
564 specifies types, based upon the defined register classes: ``DFPRegsClass``,
565 ``FPRegsClass``, and ``IntRegsClass``.
567 ``SparcRegisterInfo.td`` also generates ``SparcGenRegisterInfo.inc``, which is
568 included at the bottom of ``SparcRegisterInfo.cpp``, the SPARC register
569 implementation.  The code below shows only the generated integer registers and
570 associated register classes.  The order of registers in ``IntRegs`` reflects
571 the order in the definition of ``IntRegs`` in the target description file.
573 .. code-block:: c++
575   // IntRegs Register Class...
576   static const unsigned IntRegs[] = {
577     SP::L0, SP::L1, SP::L2, SP::L3, SP::L4, SP::L5,
578     SP::L6, SP::L7, SP::I0, SP::I1, SP::I2, SP::I3,
579     SP::I4, SP::I5, SP::O0, SP::O1, SP::O2, SP::O3,
580     SP::O4, SP::O5, SP::O7, SP::G1, SP::G2, SP::G3,
581     SP::G4, SP::O6, SP::I6, SP::I7, SP::G0, SP::G5,
582     SP::G6, SP::G7,
583   };
585   // IntRegsVTs Register Class Value Types...
586   static const MVT::ValueType IntRegsVTs[] = {
587     MVT::i32, MVT::Other
588   };
590   namespace SP {   // Register class instances
591     DFPRegsClass    DFPRegsRegClass;
592     FPRegsClass     FPRegsRegClass;
593     IntRegsClass    IntRegsRegClass;
594   ...
595     // IntRegs Sub-register Classes...
596     static const TargetRegisterClass* const IntRegsSubRegClasses [] = {
597       NULL
598     };
599   ...
600     // IntRegs Super-register Classes..
601     static const TargetRegisterClass* const IntRegsSuperRegClasses [] = {
602       NULL
603     };
604   ...
605     // IntRegs Register Class sub-classes...
606     static const TargetRegisterClass* const IntRegsSubclasses [] = {
607       NULL
608     };
609   ...
610     // IntRegs Register Class super-classes...
611     static const TargetRegisterClass* const IntRegsSuperclasses [] = {
612       NULL
613     };
615     IntRegsClass::IntRegsClass() : TargetRegisterClass(IntRegsRegClassID,
616       IntRegsVTs, IntRegsSubclasses, IntRegsSuperclasses, IntRegsSubRegClasses,
617       IntRegsSuperRegClasses, 4, 4, 1, IntRegs, IntRegs + 32) {}
618   }
620 The register allocators will avoid using reserved registers, and callee saved
621 registers are not used until all the volatile registers have been used.  That
622 is usually good enough, but in some cases it may be necessary to provide custom
623 allocation orders.
625 Implement a subclass of ``TargetRegisterInfo``
626 ----------------------------------------------
628 The final step is to hand code portions of ``XXXRegisterInfo``, which
629 implements the interface described in ``TargetRegisterInfo.h`` (see
630 :ref:`TargetRegisterInfo`).  These functions return ``0``, ``NULL``, or
631 ``false``, unless overridden.  Here is a list of functions that are overridden
632 for the SPARC implementation in ``SparcRegisterInfo.cpp``:
634 * ``getCalleeSavedRegs`` --- Returns a list of callee-saved registers in the
635   order of the desired callee-save stack frame offset.
637 * ``getReservedRegs`` --- Returns a bitset indexed by physical register
638   numbers, indicating if a particular register is unavailable.
640 * ``hasFP`` --- Return a Boolean indicating if a function should have a
641   dedicated frame pointer register.
643 * ``eliminateCallFramePseudoInstr`` --- If call frame setup or destroy pseudo
644   instructions are used, this can be called to eliminate them.
646 * ``eliminateFrameIndex`` --- Eliminate abstract frame indices from
647   instructions that may use them.
649 * ``emitPrologue`` --- Insert prologue code into the function.
651 * ``emitEpilogue`` --- Insert epilogue code into the function.
653 .. _instruction-set:
655 Instruction Set
656 ===============
658 During the early stages of code generation, the LLVM IR code is converted to a
659 ``SelectionDAG`` with nodes that are instances of the ``SDNode`` class
660 containing target instructions.  An ``SDNode`` has an opcode, operands, type
661 requirements, and operation properties.  For example, is an operation
662 commutative, does an operation load from memory.  The various operation node
663 types are described in the ``include/llvm/CodeGen/SelectionDAGNodes.h`` file
664 (values of the ``NodeType`` enum in the ``ISD`` namespace).
666 TableGen uses the following target description (``.td``) input files to
667 generate much of the code for instruction definition:
669 * ``Target.td`` --- Where the ``Instruction``, ``Operand``, ``InstrInfo``, and
670   other fundamental classes are defined.
672 * ``TargetSelectionDAG.td`` --- Used by ``SelectionDAG`` instruction selection
673   generators, contains ``SDTC*`` classes (selection DAG type constraint),
674   definitions of ``SelectionDAG`` nodes (such as ``imm``, ``cond``, ``bb``,
675   ``add``, ``fadd``, ``sub``), and pattern support (``Pattern``, ``Pat``,
676   ``PatFrag``, ``PatLeaf``, ``ComplexPattern``.
678 * ``XXXInstrFormats.td`` --- Patterns for definitions of target-specific
679   instructions.
681 * ``XXXInstrInfo.td`` --- Target-specific definitions of instruction templates,
682   condition codes, and instructions of an instruction set.  For architecture
683   modifications, a different file name may be used.  For example, for Pentium
684   with SSE instruction, this file is ``X86InstrSSE.td``, and for Pentium with
685   MMX, this file is ``X86InstrMMX.td``.
687 There is also a target-specific ``XXX.td`` file, where ``XXX`` is the name of
688 the target.  The ``XXX.td`` file includes the other ``.td`` input files, but
689 its contents are only directly important for subtargets.
691 You should describe a concrete target-specific class ``XXXInstrInfo`` that
692 represents machine instructions supported by a target machine.
693 ``XXXInstrInfo`` contains an array of ``XXXInstrDescriptor`` objects, each of
694 which describes one instruction.  An instruction descriptor defines:
696 * Opcode mnemonic
697 * Number of operands
698 * List of implicit register definitions and uses
699 * Target-independent properties (such as memory access, is commutable)
700 * Target-specific flags
702 The Instruction class (defined in ``Target.td``) is mostly used as a base for
703 more complex instruction classes.
705 .. code-block:: text
707   class Instruction {
708     string Namespace = "";
709     dag OutOperandList;    // A dag containing the MI def operand list.
710     dag InOperandList;     // A dag containing the MI use operand list.
711     string AsmString = ""; // The .s format to print the instruction with.
712     list<dag> Pattern;     // Set to the DAG pattern for this instruction.
713     list<Register> Uses = [];
714     list<Register> Defs = [];
715     list<Predicate> Predicates = [];  // predicates turned into isel match code
716     ... remainder not shown for space ...
717   }
719 A ``SelectionDAG`` node (``SDNode``) should contain an object representing a
720 target-specific instruction that is defined in ``XXXInstrInfo.td``.  The
721 instruction objects should represent instructions from the architecture manual
722 of the target machine (such as the SPARC Architecture Manual for the SPARC
723 target).
725 A single instruction from the architecture manual is often modeled as multiple
726 target instructions, depending upon its operands.  For example, a manual might
727 describe an add instruction that takes a register or an immediate operand.  An
728 LLVM target could model this with two instructions named ``ADDri`` and
729 ``ADDrr``.
731 You should define a class for each instruction category and define each opcode
732 as a subclass of the category with appropriate parameters such as the fixed
733 binary encoding of opcodes and extended opcodes.  You should map the register
734 bits to the bits of the instruction in which they are encoded (for the JIT).
735 Also you should specify how the instruction should be printed when the
736 automatic assembly printer is used.
738 As is described in the SPARC Architecture Manual, Version 8, there are three
739 major 32-bit formats for instructions.  Format 1 is only for the ``CALL``
740 instruction.  Format 2 is for branch on condition codes and ``SETHI`` (set high
741 bits of a register) instructions.  Format 3 is for other instructions.
743 Each of these formats has corresponding classes in ``SparcInstrFormat.td``.
744 ``InstSP`` is a base class for other instruction classes.  Additional base
745 classes are specified for more precise formats: for example in
746 ``SparcInstrFormat.td``, ``F2_1`` is for ``SETHI``, and ``F2_2`` is for
747 branches.  There are three other base classes: ``F3_1`` for register/register
748 operations, ``F3_2`` for register/immediate operations, and ``F3_3`` for
749 floating-point operations.  ``SparcInstrInfo.td`` also adds the base class
750 ``Pseudo`` for synthetic SPARC instructions.
752 ``SparcInstrInfo.td`` largely consists of operand and instruction definitions
753 for the SPARC target.  In ``SparcInstrInfo.td``, the following target
754 description file entry, ``LDrr``, defines the Load Integer instruction for a
755 Word (the ``LD`` SPARC opcode) from a memory address to a register.  The first
756 parameter, the value 3 (``11``\ :sub:`2`), is the operation value for this
757 category of operation.  The second parameter (``000000``\ :sub:`2`) is the
758 specific operation value for ``LD``/Load Word.  The third parameter is the
759 output destination, which is a register operand and defined in the ``Register``
760 target description file (``IntRegs``).
762 .. code-block:: text
764   def LDrr : F3_1 <3, 0b000000, (outs IntRegs:$rd), (ins (MEMrr $rs1, $rs2):$addr),
765                    "ld [$addr], $dst",
766                    [(set i32:$dst, (load ADDRrr:$addr))]>;
768 The fourth parameter is the input source, which uses the address operand
769 ``MEMrr`` that is defined earlier in ``SparcInstrInfo.td``:
771 .. code-block:: text
773   def MEMrr : Operand<i32> {
774     let PrintMethod = "printMemOperand";
775     let MIOperandInfo = (ops IntRegs, IntRegs);
776   }
778 The fifth parameter is a string that is used by the assembly printer and can be
779 left as an empty string until the assembly printer interface is implemented.
780 The sixth and final parameter is the pattern used to match the instruction
781 during the SelectionDAG Select Phase described in :doc:`CodeGenerator`.
782 This parameter is detailed in the next section, :ref:`instruction-selector`.
784 Instruction class definitions are not overloaded for different operand types,
785 so separate versions of instructions are needed for register, memory, or
786 immediate value operands.  For example, to perform a Load Integer instruction
787 for a Word from an immediate operand to a register, the following instruction
788 class is defined:
790 .. code-block:: text
792   def LDri : F3_2 <3, 0b000000, (outs IntRegs:$rd), (ins (MEMri $rs1, $simm13):$addr),
793                    "ld [$addr], $dst",
794                    [(set i32:$rd, (load ADDRri:$addr))]>;
796 Writing these definitions for so many similar instructions can involve a lot of
797 cut and paste.  In ``.td`` files, the ``multiclass`` directive enables the
798 creation of templates to define several instruction classes at once (using the
799 ``defm`` directive).  For example in ``SparcInstrInfo.td``, the ``multiclass``
800 pattern ``F3_12`` is defined to create 2 instruction classes each time
801 ``F3_12`` is invoked:
803 .. code-block:: text
805   multiclass F3_12 <string OpcStr, bits<6> Op3Val, SDNode OpNode> {
806     def rr  : F3_1 <2, Op3Val,
807                    (outs IntRegs:$rd), (ins IntRegs:$rs1, IntRegs:$rs1),
808                    !strconcat(OpcStr, " $rs1, $rs2, $rd"),
809                    [(set i32:$rd, (OpNode i32:$rs1, i32:$rs2))]>;
810     def ri  : F3_2 <2, Op3Val,
811                    (outs IntRegs:$rd), (ins IntRegs:$rs1, i32imm:$simm13),
812                    !strconcat(OpcStr, " $rs1, $simm13, $rd"),
813                    [(set i32:$rd, (OpNode i32:$rs1, simm13:$simm13))]>;
814   }
816 So when the ``defm`` directive is used for the ``XOR`` and ``ADD``
817 instructions, as seen below, it creates four instruction objects: ``XORrr``,
818 ``XORri``, ``ADDrr``, and ``ADDri``.
820 .. code-block:: text
822   defm XOR   : F3_12<"xor", 0b000011, xor>;
823   defm ADD   : F3_12<"add", 0b000000, add>;
825 ``SparcInstrInfo.td`` also includes definitions for condition codes that are
826 referenced by branch instructions.  The following definitions in
827 ``SparcInstrInfo.td`` indicate the bit location of the SPARC condition code.
828 For example, the 10\ :sup:`th` bit represents the "greater than" condition for
829 integers, and the 22\ :sup:`nd` bit represents the "greater than" condition for
830 floats.
832 .. code-block:: text
834   def ICC_NE  : ICC_VAL< 9>;  // Not Equal
835   def ICC_E   : ICC_VAL< 1>;  // Equal
836   def ICC_G   : ICC_VAL<10>;  // Greater
837   ...
838   def FCC_U   : FCC_VAL<23>;  // Unordered
839   def FCC_G   : FCC_VAL<22>;  // Greater
840   def FCC_UG  : FCC_VAL<21>;  // Unordered or Greater
841   ...
843 (Note that ``Sparc.h`` also defines enums that correspond to the same SPARC
844 condition codes.  Care must be taken to ensure the values in ``Sparc.h``
845 correspond to the values in ``SparcInstrInfo.td``.  I.e., ``SPCC::ICC_NE = 9``,
846 ``SPCC::FCC_U = 23`` and so on.)
848 Instruction Operand Mapping
849 ---------------------------
851 The code generator backend maps instruction operands to fields in the
852 instruction.  Whenever a bit in the instruction encoding ``Inst`` is assigned
853 to field without a concrete value, an operand from the ``outs`` or ``ins`` list
854 is expected to have a matching name. This operand then populates that undefined
855 field. For example, the Sparc target defines the ``XNORrr`` instruction as a
856 ``F3_1`` format instruction having three operands: the output ``$rd``, and the
857 inputs ``$rs1``, and ``$rs2``.
859 .. code-block:: text
861   def XNORrr  : F3_1<2, 0b000111,
862                      (outs IntRegs:$rd), (ins IntRegs:$rs1, IntRegs:$rs2),
863                      "xnor $rs1, $rs2, $rd",
864                      [(set i32:$rd, (not (xor i32:$rs1, i32:$rs2)))]>;
866 The instruction templates in ``SparcInstrFormats.td`` show the base class for
867 ``F3_1`` is ``InstSP``.
869 .. code-block:: text
871   class InstSP<dag outs, dag ins, string asmstr, list<dag> pattern> : Instruction {
872     field bits<32> Inst;
873     let Namespace = "SP";
874     bits<2> op;
875     let Inst{31-30} = op;
876     dag OutOperandList = outs;
877     dag InOperandList = ins;
878     let AsmString   = asmstr;
879     let Pattern = pattern;
880   }
882 ``InstSP`` defines the ``op`` field, and uses it to define bits 30 and 31 of the
883 instruction, but does not assign a value to it.
885 .. code-block:: text
887   class F3<dag outs, dag ins, string asmstr, list<dag> pattern>
888       : InstSP<outs, ins, asmstr, pattern> {
889     bits<5> rd;
890     bits<6> op3;
891     bits<5> rs1;
892     let op{1} = 1;   // Op = 2 or 3
893     let Inst{29-25} = rd;
894     let Inst{24-19} = op3;
895     let Inst{18-14} = rs1;
896   }
898 ``F3`` defines the ``rd``, ``op3``, and ``rs1`` fields, and uses them in the
899 instruction, and again does not assign values.
901 .. code-block:: text
903   class F3_1<bits<2> opVal, bits<6> op3val, dag outs, dag ins,
904              string asmstr, list<dag> pattern> : F3<outs, ins, asmstr, pattern> {
905     bits<8> asi = 0; // asi not currently used
906     bits<5> rs2;
907     let op         = opVal;
908     let op3        = op3val;
909     let Inst{13}   = 0;     // i field = 0
910     let Inst{12-5} = asi;   // address space identifier
911     let Inst{4-0}  = rs2;
912   }
914 ``F3_1`` assigns a value to ``op`` and ``op3`` fields, and defines the ``rs2``
915 field.  Therefore, a ``F3_1`` format instruction will require a definition for
916 ``rd``, ``rs1``, and ``rs2`` in order to fully specify the instruction encoding.
918 The ``XNORrr`` instruction then provides those three operands in its
919 OutOperandList and InOperandList, which bind to the corresponding fields, and
920 thus complete the instruction encoding.
922 For some instructions, a single operand may contain sub-operands. As shown
923 earlier, the instruction ``LDrr`` uses an input operand of type ``MEMrr``. This
924 operand type contains two register sub-operands, defined by the
925 ``MIOperandInfo`` value to be ``(ops IntRegs, IntRegs)``.
927 .. code-block:: text
929   def LDrr : F3_1 <3, 0b000000, (outs IntRegs:$rd), (ins (MEMrr $rs1, $rs2):$addr),
930                    "ld [$addr], $dst",
931                    [(set i32:$dst, (load ADDRrr:$addr))]>;
933 As this instruction is also the ``F3_1`` format, it will expect operands named
934 ``rd``, ``rs1``, and ``rs2`` as well. In order to allow this, a complex operand
935 can optionally give names to each of its sub-operands. In this example
936 ``MEMrr``'s first sub-operand is named ``$rs1``, the second ``$rs2``, and the
937 operand as a whole is also given the name ``$addr``.
939 When a particular instruction doesn't use all the operands that the instruction
940 format defines, a constant value may instead be bound to one or all. For
941 example, the ``RDASR`` instruction only takes a single register operand, so we
942 assign a constant zero to ``rs2``:
944 .. code-block:: text
946   let rs2 = 0 in
947     def RDASR : F3_1<2, 0b101000,
948                      (outs IntRegs:$rd), (ins ASRRegs:$rs1),
949                      "rd $rs1, $rd", []>;
951 Instruction Operand Name Mapping
952 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
954 TableGen will also generate a function called getNamedOperandIdx() which
955 can be used to look up an operand's index in a MachineInstr based on its
956 TableGen name.  Setting the UseNamedOperandTable bit in an instruction's
957 TableGen definition will add all of its operands to an enumeration in the
958 llvm::XXX:OpName namespace and also add an entry for it into the OperandMap
959 table, which can be queried using getNamedOperandIdx()
961 .. code-block:: text
963   int DstIndex = SP::getNamedOperandIdx(SP::XNORrr, SP::OpName::dst); // => 0
964   int BIndex = SP::getNamedOperandIdx(SP::XNORrr, SP::OpName::b);     // => 1
965   int CIndex = SP::getNamedOperandIdx(SP::XNORrr, SP::OpName::c);     // => 2
966   int DIndex = SP::getNamedOperandIdx(SP::XNORrr, SP::OpName::d);     // => -1
968   ...
970 The entries in the OpName enum are taken verbatim from the TableGen definitions,
971 so operands with lowercase names will have lower case entries in the enum.
973 To include the getNamedOperandIdx() function in your backend, you will need
974 to define a few preprocessor macros in XXXInstrInfo.cpp and XXXInstrInfo.h.
975 For example:
977 XXXInstrInfo.cpp:
979 .. code-block:: c++
981   #define GET_INSTRINFO_NAMED_OPS // For getNamedOperandIdx() function
982   #include "XXXGenInstrInfo.inc"
984 XXXInstrInfo.h:
986 .. code-block:: c++
988   #define GET_INSTRINFO_OPERAND_ENUM // For OpName enum
989   #include "XXXGenInstrInfo.inc"
991   namespace XXX {
992     int16_t getNamedOperandIdx(uint16_t Opcode, uint16_t NamedIndex);
993   } // End namespace XXX
995 Instruction Operand Types
996 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
998 TableGen will also generate an enumeration consisting of all named Operand
999 types defined in the backend, in the llvm::XXX::OpTypes namespace.
1000 Some common immediate Operand types (for instance i8, i32, i64, f32, f64)
1001 are defined for all targets in ``include/llvm/Target/Target.td``, and are
1002 available in each Target's OpTypes enum.  Also, only named Operand types appear
1003 in the enumeration: anonymous types are ignored.
1004 For example, the X86 backend defines ``brtarget`` and ``brtarget8``, both
1005 instances of the TableGen ``Operand`` class, which represent branch target
1006 operands:
1008 .. code-block:: text
1010   def brtarget : Operand<OtherVT>;
1011   def brtarget8 : Operand<OtherVT>;
1013 This results in:
1015 .. code-block:: c++
1017   namespace X86 {
1018   namespace OpTypes {
1019   enum OperandType {
1020     ...
1021     brtarget,
1022     brtarget8,
1023     ...
1024     i32imm,
1025     i64imm,
1026     ...
1027     OPERAND_TYPE_LIST_END
1028   } // End namespace OpTypes
1029   } // End namespace X86
1031 In typical TableGen fashion, to use the enum, you will need to define a
1032 preprocessor macro:
1034 .. code-block:: c++
1036   #define GET_INSTRINFO_OPERAND_TYPES_ENUM // For OpTypes enum
1037   #include "XXXGenInstrInfo.inc"
1040 Instruction Scheduling
1041 ----------------------
1043 Instruction itineraries can be queried using MCDesc::getSchedClass(). The
1044 value can be named by an enumeration in llvm::XXX::Sched namespace generated
1045 by TableGen in XXXGenInstrInfo.inc. The name of the schedule classes are
1046 the same as provided in XXXSchedule.td plus a default NoItinerary class.
1048 The schedule models are generated by TableGen by the SubtargetEmitter,
1049 using the ``CodeGenSchedModels`` class. This is distinct from the itinerary
1050 method of specifying machine resource use.  The tool ``utils/schedcover.py``
1051 can be used to determine which instructions have been covered by the
1052 schedule model description and which haven't. The first step is to use the
1053 instructions below to create an output file. Then run ``schedcover.py`` on the
1054 output file:
1056 .. code-block:: shell
1058   $ <src>/utils/schedcover.py <build>/lib/Target/AArch64/tblGenSubtarget.with
1059   instruction, default, CortexA53Model, CortexA57Model, CycloneModel, ExynosM3Model, FalkorModel, KryoModel, ThunderX2T99Model, ThunderXT8XModel
1060   ABSv16i8, WriteV, , , CyWriteV3, M3WriteNMISC1, FalkorWr_2VXVY_2cyc, KryoWrite_2cyc_XY_XY_150ln, ,
1061   ABSv1i64, WriteV, , , CyWriteV3, M3WriteNMISC1, FalkorWr_1VXVY_2cyc, KryoWrite_2cyc_XY_noRSV_67ln, ,
1062   ...
1064 To capture the debug output from generating a schedule model, change to the
1065 appropriate target directory and use the following command:
1066 command with the ``subtarget-emitter`` debug option:
1068 .. code-block:: shell
1070   $ <build>/bin/llvm-tblgen -debug-only=subtarget-emitter -gen-subtarget \
1071     -I <src>/lib/Target/<target> -I <src>/include \
1072     -I <src>/lib/Target <src>/lib/Target/<target>/<target>.td \
1073     -o <build>/lib/Target/<target>/<target>GenSubtargetInfo.inc.tmp \
1074     > tblGenSubtarget.dbg 2>&1
1076 Where ``<build>`` is the build directory, ``src`` is the source directory,
1077 and ``<target>`` is the name of the target.
1078 To double check that the above command is what is needed, one can capture the
1079 exact TableGen command from a build by using:
1081 .. code-block:: shell
1083   $ VERBOSE=1 make ...
1085 and search for ``llvm-tblgen`` commands in the output.
1088 Instruction Relation Mapping
1089 ----------------------------
1091 This TableGen feature is used to relate instructions with each other.  It is
1092 particularly useful when you have multiple instruction formats and need to
1093 switch between them after instruction selection.  This entire feature is driven
1094 by relation models which can be defined in ``XXXInstrInfo.td`` files
1095 according to the target-specific instruction set.  Relation models are defined
1096 using ``InstrMapping`` class as a base.  TableGen parses all the models
1097 and generates instruction relation maps using the specified information.
1098 Relation maps are emitted as tables in the ``XXXGenInstrInfo.inc`` file
1099 along with the functions to query them.  For the detailed information on how to
1100 use this feature, please refer to :doc:`HowToUseInstrMappings`.
1102 Implement a subclass of ``TargetInstrInfo``
1103 -------------------------------------------
1105 The final step is to hand code portions of ``XXXInstrInfo``, which implements
1106 the interface described in ``TargetInstrInfo.h`` (see :ref:`TargetInstrInfo`).
1107 These functions return ``0`` or a Boolean or they assert, unless overridden.
1108 Here's a list of functions that are overridden for the SPARC implementation in
1109 ``SparcInstrInfo.cpp``:
1111 * ``isLoadFromStackSlot`` --- If the specified machine instruction is a direct
1112   load from a stack slot, return the register number of the destination and the
1113   ``FrameIndex`` of the stack slot.
1115 * ``isStoreToStackSlot`` --- If the specified machine instruction is a direct
1116   store to a stack slot, return the register number of the destination and the
1117   ``FrameIndex`` of the stack slot.
1119 * ``copyPhysReg`` --- Copy values between a pair of physical registers.
1121 * ``storeRegToStackSlot`` --- Store a register value to a stack slot.
1123 * ``loadRegFromStackSlot`` --- Load a register value from a stack slot.
1125 * ``storeRegToAddr`` --- Store a register value to memory.
1127 * ``loadRegFromAddr`` --- Load a register value from memory.
1129 * ``foldMemoryOperand`` --- Attempt to combine instructions of any load or
1130   store instruction for the specified operand(s).
1132 Branch Folding and If Conversion
1133 --------------------------------
1135 Performance can be improved by combining instructions or by eliminating
1136 instructions that are never reached.  The ``analyzeBranch`` method in
1137 ``XXXInstrInfo`` may be implemented to examine conditional instructions and
1138 remove unnecessary instructions.  ``analyzeBranch`` looks at the end of a
1139 machine basic block (MBB) for opportunities for improvement, such as branch
1140 folding and if conversion.  The ``BranchFolder`` and ``IfConverter`` machine
1141 function passes (see the source files ``BranchFolding.cpp`` and
1142 ``IfConversion.cpp`` in the ``lib/CodeGen`` directory) call ``analyzeBranch``
1143 to improve the control flow graph that represents the instructions.
1145 Several implementations of ``analyzeBranch`` (for ARM, Alpha, and X86) can be
1146 examined as models for your own ``analyzeBranch`` implementation.  Since SPARC
1147 does not implement a useful ``analyzeBranch``, the ARM target implementation is
1148 shown below.
1150 ``analyzeBranch`` returns a Boolean value and takes four parameters:
1152 * ``MachineBasicBlock &MBB`` --- The incoming block to be examined.
1154 * ``MachineBasicBlock *&TBB`` --- A destination block that is returned.  For a
1155   conditional branch that evaluates to true, ``TBB`` is the destination.
1157 * ``MachineBasicBlock *&FBB`` --- For a conditional branch that evaluates to
1158   false, ``FBB`` is returned as the destination.
1160 * ``std::vector<MachineOperand> &Cond`` --- List of operands to evaluate a
1161   condition for a conditional branch.
1163 In the simplest case, if a block ends without a branch, then it falls through
1164 to the successor block.  No destination blocks are specified for either ``TBB``
1165 or ``FBB``, so both parameters return ``NULL``.  The start of the
1166 ``analyzeBranch`` (see code below for the ARM target) shows the function
1167 parameters and the code for the simplest case.
1169 .. code-block:: c++
1171   bool ARMInstrInfo::analyzeBranch(MachineBasicBlock &MBB,
1172                                    MachineBasicBlock *&TBB,
1173                                    MachineBasicBlock *&FBB,
1174                                    std::vector<MachineOperand> &Cond) const
1175   {
1176     MachineBasicBlock::iterator I = MBB.end();
1177     if (I == MBB.begin() || !isUnpredicatedTerminator(--I))
1178       return false;
1180 If a block ends with a single unconditional branch instruction, then
1181 ``analyzeBranch`` (shown below) should return the destination of that branch in
1182 the ``TBB`` parameter.
1184 .. code-block:: c++
1186     if (LastOpc == ARM::B || LastOpc == ARM::tB) {
1187       TBB = LastInst->getOperand(0).getMBB();
1188       return false;
1189     }
1191 If a block ends with two unconditional branches, then the second branch is
1192 never reached.  In that situation, as shown below, remove the last branch
1193 instruction and return the penultimate branch in the ``TBB`` parameter.
1195 .. code-block:: c++
1197     if ((SecondLastOpc == ARM::B || SecondLastOpc == ARM::tB) &&
1198         (LastOpc == ARM::B || LastOpc == ARM::tB)) {
1199       TBB = SecondLastInst->getOperand(0).getMBB();
1200       I = LastInst;
1201       I->eraseFromParent();
1202       return false;
1203     }
1205 A block may end with a single conditional branch instruction that falls through
1206 to successor block if the condition evaluates to false.  In that case,
1207 ``analyzeBranch`` (shown below) should return the destination of that
1208 conditional branch in the ``TBB`` parameter and a list of operands in the
1209 ``Cond`` parameter to evaluate the condition.
1211 .. code-block:: c++
1213     if (LastOpc == ARM::Bcc || LastOpc == ARM::tBcc) {
1214       // Block ends with fall-through condbranch.
1215       TBB = LastInst->getOperand(0).getMBB();
1216       Cond.push_back(LastInst->getOperand(1));
1217       Cond.push_back(LastInst->getOperand(2));
1218       return false;
1219     }
1221 If a block ends with both a conditional branch and an ensuing unconditional
1222 branch, then ``analyzeBranch`` (shown below) should return the conditional
1223 branch destination (assuming it corresponds to a conditional evaluation of
1224 "``true``") in the ``TBB`` parameter and the unconditional branch destination
1225 in the ``FBB`` (corresponding to a conditional evaluation of "``false``").  A
1226 list of operands to evaluate the condition should be returned in the ``Cond``
1227 parameter.
1229 .. code-block:: c++
1231     unsigned SecondLastOpc = SecondLastInst->getOpcode();
1233     if ((SecondLastOpc == ARM::Bcc && LastOpc == ARM::B) ||
1234         (SecondLastOpc == ARM::tBcc && LastOpc == ARM::tB)) {
1235       TBB =  SecondLastInst->getOperand(0).getMBB();
1236       Cond.push_back(SecondLastInst->getOperand(1));
1237       Cond.push_back(SecondLastInst->getOperand(2));
1238       FBB = LastInst->getOperand(0).getMBB();
1239       return false;
1240     }
1242 For the last two cases (ending with a single conditional branch or ending with
1243 one conditional and one unconditional branch), the operands returned in the
1244 ``Cond`` parameter can be passed to methods of other instructions to create new
1245 branches or perform other operations.  An implementation of ``analyzeBranch``
1246 requires the helper methods ``removeBranch`` and ``insertBranch`` to manage
1247 subsequent operations.
1249 ``analyzeBranch`` should return false indicating success in most circumstances.
1250 ``analyzeBranch`` should only return true when the method is stumped about what
1251 to do, for example, if a block has three terminating branches.
1252 ``analyzeBranch`` may return true if it encounters a terminator it cannot
1253 handle, such as an indirect branch.
1255 .. _instruction-selector:
1257 Instruction Selector
1258 ====================
1260 LLVM uses a ``SelectionDAG`` to represent LLVM IR instructions, and nodes of
1261 the ``SelectionDAG`` ideally represent native target instructions.  During code
1262 generation, instruction selection passes are performed to convert non-native
1263 DAG instructions into native target-specific instructions.  The pass described
1264 in ``XXXISelDAGToDAG.cpp`` is used to match patterns and perform DAG-to-DAG
1265 instruction selection.  Optionally, a pass may be defined (in
1266 ``XXXBranchSelector.cpp``) to perform similar DAG-to-DAG operations for branch
1267 instructions.  Later, the code in ``XXXISelLowering.cpp`` replaces or removes
1268 operations and data types not supported natively (legalizes) in a
1269 ``SelectionDAG``.
1271 TableGen generates code for instruction selection using the following target
1272 description input files:
1274 * ``XXXInstrInfo.td`` --- Contains definitions of instructions in a
1275   target-specific instruction set, generates ``XXXGenDAGISel.inc``, which is
1276   included in ``XXXISelDAGToDAG.cpp``.
1278 * ``XXXCallingConv.td`` --- Contains the calling and return value conventions
1279   for the target architecture, and it generates ``XXXGenCallingConv.inc``,
1280   which is included in ``XXXISelLowering.cpp``.
1282 The implementation of an instruction selection pass must include a header that
1283 declares the ``FunctionPass`` class or a subclass of ``FunctionPass``.  In
1284 ``XXXTargetMachine.cpp``, a Pass Manager (PM) should add each instruction
1285 selection pass into the queue of passes to run.
1287 The LLVM static compiler (``llc``) is an excellent tool for visualizing the
1288 contents of DAGs.  To display the ``SelectionDAG`` before or after specific
1289 processing phases, use the command line options for ``llc``, described at
1290 :ref:`SelectionDAG-Process`.
1292 To describe instruction selector behavior, you should add patterns for lowering
1293 LLVM code into a ``SelectionDAG`` as the last parameter of the instruction
1294 definitions in ``XXXInstrInfo.td``.  For example, in ``SparcInstrInfo.td``,
1295 this entry defines a register store operation, and the last parameter describes
1296 a pattern with the store DAG operator.
1298 .. code-block:: text
1300   def STrr  : F3_1< 3, 0b000100, (outs), (ins MEMrr:$addr, IntRegs:$src),
1301                    "st $src, [$addr]", [(store i32:$src, ADDRrr:$addr)]>;
1303 ``ADDRrr`` is a memory mode that is also defined in ``SparcInstrInfo.td``:
1305 .. code-block:: text
1307   def ADDRrr : ComplexPattern<i32, 2, "SelectADDRrr", [], []>;
1309 The definition of ``ADDRrr`` refers to ``SelectADDRrr``, which is a function
1310 defined in an implementation of the Instructor Selector (such as
1311 ``SparcISelDAGToDAG.cpp``).
1313 In ``lib/Target/TargetSelectionDAG.td``, the DAG operator for store is defined
1314 below:
1316 .. code-block:: text
1318   def store : PatFrag<(ops node:$val, node:$ptr),
1319                       (unindexedstore node:$val, node:$ptr)> {
1320     let IsStore = true;
1321     let IsTruncStore = false;
1322   }
1324 ``XXXInstrInfo.td`` also generates (in ``XXXGenDAGISel.inc``) the
1325 ``SelectCode`` method that is used to call the appropriate processing method
1326 for an instruction.  In this example, ``SelectCode`` calls ``Select_ISD_STORE``
1327 for the ``ISD::STORE`` opcode.
1329 .. code-block:: c++
1331   SDNode *SelectCode(SDValue N) {
1332     ...
1333     MVT::ValueType NVT = N.getNode()->getValueType(0);
1334     switch (N.getOpcode()) {
1335     case ISD::STORE: {
1336       switch (NVT) {
1337       default:
1338         return Select_ISD_STORE(N);
1339         break;
1340       }
1341       break;
1342     }
1343     ...
1345 The pattern for ``STrr`` is matched, so elsewhere in ``XXXGenDAGISel.inc``,
1346 code for ``STrr`` is created for ``Select_ISD_STORE``.  The ``Emit_22`` method
1347 is also generated in ``XXXGenDAGISel.inc`` to complete the processing of this
1348 instruction.
1350 .. code-block:: c++
1352   SDNode *Select_ISD_STORE(const SDValue &N) {
1353     SDValue Chain = N.getOperand(0);
1354     if (Predicate_store(N.getNode())) {
1355       SDValue N1 = N.getOperand(1);
1356       SDValue N2 = N.getOperand(2);
1357       SDValue CPTmp0;
1358       SDValue CPTmp1;
1360       // Pattern: (st:void i32:i32:$src,
1361       //           ADDRrr:i32:$addr)<<P:Predicate_store>>
1362       // Emits: (STrr:void ADDRrr:i32:$addr, IntRegs:i32:$src)
1363       // Pattern complexity = 13  cost = 1  size = 0
1364       if (SelectADDRrr(N, N2, CPTmp0, CPTmp1) &&
1365           N1.getNode()->getValueType(0) == MVT::i32 &&
1366           N2.getNode()->getValueType(0) == MVT::i32) {
1367         return Emit_22(N, SP::STrr, CPTmp0, CPTmp1);
1368       }
1369   ...
1371 The SelectionDAG Legalize Phase
1372 -------------------------------
1374 The Legalize phase converts a DAG to use types and operations that are natively
1375 supported by the target.  For natively unsupported types and operations, you
1376 need to add code to the target-specific ``XXXTargetLowering`` implementation to
1377 convert unsupported types and operations to supported ones.
1379 In the constructor for the ``XXXTargetLowering`` class, first use the
1380 ``addRegisterClass`` method to specify which types are supported and which
1381 register classes are associated with them.  The code for the register classes
1382 are generated by TableGen from ``XXXRegisterInfo.td`` and placed in
1383 ``XXXGenRegisterInfo.h.inc``.  For example, the implementation of the
1384 constructor for the SparcTargetLowering class (in ``SparcISelLowering.cpp``)
1385 starts with the following code:
1387 .. code-block:: c++
1389   addRegisterClass(MVT::i32, SP::IntRegsRegisterClass);
1390   addRegisterClass(MVT::f32, SP::FPRegsRegisterClass);
1391   addRegisterClass(MVT::f64, SP::DFPRegsRegisterClass);
1393 You should examine the node types in the ``ISD`` namespace
1394 (``include/llvm/CodeGen/SelectionDAGNodes.h``) and determine which operations
1395 the target natively supports.  For operations that do **not** have native
1396 support, add a callback to the constructor for the ``XXXTargetLowering`` class,
1397 so the instruction selection process knows what to do.  The ``TargetLowering``
1398 class callback methods (declared in ``llvm/Target/TargetLowering.h``) are:
1400 * ``setOperationAction`` --- General operation.
1401 * ``setLoadExtAction`` --- Load with extension.
1402 * ``setTruncStoreAction`` --- Truncating store.
1403 * ``setIndexedLoadAction`` --- Indexed load.
1404 * ``setIndexedStoreAction`` --- Indexed store.
1405 * ``setConvertAction`` --- Type conversion.
1406 * ``setCondCodeAction`` --- Support for a given condition code.
1408 Note: on older releases, ``setLoadXAction`` is used instead of
1409 ``setLoadExtAction``.  Also, on older releases, ``setCondCodeAction`` may not
1410 be supported.  Examine your release to see what methods are specifically
1411 supported.
1413 These callbacks are used to determine that an operation does or does not work
1414 with a specified type (or types).  And in all cases, the third parameter is a
1415 ``LegalAction`` type enum value: ``Promote``, ``Expand``, ``Custom``, or
1416 ``Legal``.  ``SparcISelLowering.cpp`` contains examples of all four
1417 ``LegalAction`` values.
1419 Promote
1420 ^^^^^^^
1422 For an operation without native support for a given type, the specified type
1423 may be promoted to a larger type that is supported.  For example, SPARC does
1424 not support a sign-extending load for Boolean values (``i1`` type), so in
1425 ``SparcISelLowering.cpp`` the third parameter below, ``Promote``, changes
1426 ``i1`` type values to a large type before loading.
1428 .. code-block:: c++
1430   setLoadExtAction(ISD::SEXTLOAD, MVT::i1, Promote);
1432 Expand
1433 ^^^^^^
1435 For a type without native support, a value may need to be broken down further,
1436 rather than promoted.  For an operation without native support, a combination
1437 of other operations may be used to similar effect.  In SPARC, the
1438 floating-point sine and cosine trig operations are supported by expansion to
1439 other operations, as indicated by the third parameter, ``Expand``, to
1440 ``setOperationAction``:
1442 .. code-block:: c++
1444   setOperationAction(ISD::FSIN, MVT::f32, Expand);
1445   setOperationAction(ISD::FCOS, MVT::f32, Expand);
1447 Custom
1448 ^^^^^^
1450 For some operations, simple type promotion or operation expansion may be
1451 insufficient.  In some cases, a special intrinsic function must be implemented.
1453 For example, a constant value may require special treatment, or an operation
1454 may require spilling and restoring registers in the stack and working with
1455 register allocators.
1457 As seen in ``SparcISelLowering.cpp`` code below, to perform a type conversion
1458 from a floating point value to a signed integer, first the
1459 ``setOperationAction`` should be called with ``Custom`` as the third parameter:
1461 .. code-block:: c++
1463   setOperationAction(ISD::FP_TO_SINT, MVT::i32, Custom);
1465 In the ``LowerOperation`` method, for each ``Custom`` operation, a case
1466 statement should be added to indicate what function to call.  In the following
1467 code, an ``FP_TO_SINT`` opcode will call the ``LowerFP_TO_SINT`` method:
1469 .. code-block:: c++
1471   SDValue SparcTargetLowering::LowerOperation(SDValue Op, SelectionDAG &DAG) {
1472     switch (Op.getOpcode()) {
1473     case ISD::FP_TO_SINT: return LowerFP_TO_SINT(Op, DAG);
1474     ...
1475     }
1476   }
1478 Finally, the ``LowerFP_TO_SINT`` method is implemented, using an FP register to
1479 convert the floating-point value to an integer.
1481 .. code-block:: c++
1483   static SDValue LowerFP_TO_SINT(SDValue Op, SelectionDAG &DAG) {
1484     assert(Op.getValueType() == MVT::i32);
1485     Op = DAG.getNode(SPISD::FTOI, MVT::f32, Op.getOperand(0));
1486     return DAG.getNode(ISD::BITCAST, MVT::i32, Op);
1487   }
1489 Legal
1490 ^^^^^
1492 The ``Legal`` ``LegalizeAction`` enum value simply indicates that an operation
1493 **is** natively supported.  ``Legal`` represents the default condition, so it
1494 is rarely used.  In ``SparcISelLowering.cpp``, the action for ``CTPOP`` (an
1495 operation to count the bits set in an integer) is natively supported only for
1496 SPARC v9.  The following code enables the ``Expand`` conversion technique for
1497 non-v9 SPARC implementations.
1499 .. code-block:: c++
1501   setOperationAction(ISD::CTPOP, MVT::i32, Expand);
1502   ...
1503   if (TM.getSubtarget<SparcSubtarget>().isV9())
1504     setOperationAction(ISD::CTPOP, MVT::i32, Legal);
1506 Calling Conventions
1507 -------------------
1509 To support target-specific calling conventions, ``XXXGenCallingConv.td`` uses
1510 interfaces (such as ``CCIfType`` and ``CCAssignToReg``) that are defined in
1511 ``lib/Target/TargetCallingConv.td``.  TableGen can take the target descriptor
1512 file ``XXXGenCallingConv.td`` and generate the header file
1513 ``XXXGenCallingConv.inc``, which is typically included in
1514 ``XXXISelLowering.cpp``.  You can use the interfaces in
1515 ``TargetCallingConv.td`` to specify:
1517 * The order of parameter allocation.
1519 * Where parameters and return values are placed (that is, on the stack or in
1520   registers).
1522 * Which registers may be used.
1524 * Whether the caller or callee unwinds the stack.
1526 The following example demonstrates the use of the ``CCIfType`` and
1527 ``CCAssignToReg`` interfaces.  If the ``CCIfType`` predicate is true (that is,
1528 if the current argument is of type ``f32`` or ``f64``), then the action is
1529 performed.  In this case, the ``CCAssignToReg`` action assigns the argument
1530 value to the first available register: either ``R0`` or ``R1``.
1532 .. code-block:: text
1534   CCIfType<[f32,f64], CCAssignToReg<[R0, R1]>>
1536 ``SparcCallingConv.td`` contains definitions for a target-specific return-value
1537 calling convention (``RetCC_Sparc32``) and a basic 32-bit C calling convention
1538 (``CC_Sparc32``).  The definition of ``RetCC_Sparc32`` (shown below) indicates
1539 which registers are used for specified scalar return types.  A single-precision
1540 float is returned to register ``F0``, and a double-precision float goes to
1541 register ``D0``.  A 32-bit integer is returned in register ``I0`` or ``I1``.
1543 .. code-block:: text
1545   def RetCC_Sparc32 : CallingConv<[
1546     CCIfType<[i32], CCAssignToReg<[I0, I1]>>,
1547     CCIfType<[f32], CCAssignToReg<[F0]>>,
1548     CCIfType<[f64], CCAssignToReg<[D0]>>
1549   ]>;
1551 The definition of ``CC_Sparc32`` in ``SparcCallingConv.td`` introduces
1552 ``CCAssignToStack``, which assigns the value to a stack slot with the specified
1553 size and alignment.  In the example below, the first parameter, 4, indicates
1554 the size of the slot, and the second parameter, also 4, indicates the stack
1555 alignment along 4-byte units.  (Special cases: if size is zero, then the ABI
1556 size is used; if alignment is zero, then the ABI alignment is used.)
1558 .. code-block:: text
1560   def CC_Sparc32 : CallingConv<[
1561     // All arguments get passed in integer registers if there is space.
1562     CCIfType<[i32, f32, f64], CCAssignToReg<[I0, I1, I2, I3, I4, I5]>>,
1563     CCAssignToStack<4, 4>
1564   ]>;
1566 ``CCDelegateTo`` is another commonly used interface, which tries to find a
1567 specified sub-calling convention, and, if a match is found, it is invoked.  In
1568 the following example (in ``X86CallingConv.td``), the definition of
1569 ``RetCC_X86_32_C`` ends with ``CCDelegateTo``.  After the current value is
1570 assigned to the register ``ST0`` or ``ST1``, the ``RetCC_X86Common`` is
1571 invoked.
1573 .. code-block:: text
1575   def RetCC_X86_32_C : CallingConv<[
1576     CCIfType<[f32], CCAssignToReg<[ST0, ST1]>>,
1577     CCIfType<[f64], CCAssignToReg<[ST0, ST1]>>,
1578     CCDelegateTo<RetCC_X86Common>
1579   ]>;
1581 ``CCIfCC`` is an interface that attempts to match the given name to the current
1582 calling convention.  If the name identifies the current calling convention,
1583 then a specified action is invoked.  In the following example (in
1584 ``X86CallingConv.td``), if the ``Fast`` calling convention is in use, then
1585 ``RetCC_X86_32_Fast`` is invoked.  If the ``SSECall`` calling convention is in
1586 use, then ``RetCC_X86_32_SSE`` is invoked.
1588 .. code-block:: text
1590   def RetCC_X86_32 : CallingConv<[
1591     CCIfCC<"CallingConv::Fast", CCDelegateTo<RetCC_X86_32_Fast>>,
1592     CCIfCC<"CallingConv::X86_SSECall", CCDelegateTo<RetCC_X86_32_SSE>>,
1593     CCDelegateTo<RetCC_X86_32_C>
1594   ]>;
1596 ``CCAssignToRegAndStack`` is the same as ``CCAssignToReg``, but also allocates
1597 a stack slot, when some register is used. Basically, it works like:
1598 ``CCIf<CCAssignToReg<regList>, CCAssignToStack<size, align>>``.
1600 .. code-block:: text
1602   class CCAssignToRegAndStack<list<Register> regList, int size, int align>
1603       : CCAssignToReg<regList> {
1604     int Size = size;
1605     int Align = align;
1606   }
1608 Other calling convention interfaces include:
1610 * ``CCIf <predicate, action>`` --- If the predicate matches, apply the action.
1612 * ``CCIfInReg <action>`` --- If the argument is marked with the "``inreg``"
1613   attribute, then apply the action.
1615 * ``CCIfNest <action>`` --- If the argument is marked with the "``nest``"
1616   attribute, then apply the action.
1618 * ``CCIfNotVarArg <action>`` --- If the current function does not take a
1619   variable number of arguments, apply the action.
1621 * ``CCAssignToRegWithShadow <registerList, shadowList>`` --- similar to
1622   ``CCAssignToReg``, but with a shadow list of registers.
1624 * ``CCPassByVal <size, align>`` --- Assign value to a stack slot with the
1625   minimum specified size and alignment.
1627 * ``CCPromoteToType <type>`` --- Promote the current value to the specified
1628   type.
1630 * ``CallingConv <[actions]>`` --- Define each calling convention that is
1631   supported.
1633 Assembly Printer
1634 ================
1636 During the code emission stage, the code generator may utilize an LLVM pass to
1637 produce assembly output.  To do this, you want to implement the code for a
1638 printer that converts LLVM IR to a GAS-format assembly language for your target
1639 machine, using the following steps:
1641 * Define all the assembly strings for your target, adding them to the
1642   instructions defined in the ``XXXInstrInfo.td`` file.  (See
1643   :ref:`instruction-set`.)  TableGen will produce an output file
1644   (``XXXGenAsmWriter.inc``) with an implementation of the ``printInstruction``
1645   method for the ``XXXAsmPrinter`` class.
1647 * Write ``XXXTargetAsmInfo.h``, which contains the bare-bones declaration of
1648   the ``XXXTargetAsmInfo`` class (a subclass of ``TargetAsmInfo``).
1650 * Write ``XXXTargetAsmInfo.cpp``, which contains target-specific values for
1651   ``TargetAsmInfo`` properties and sometimes new implementations for methods.
1653 * Write ``XXXAsmPrinter.cpp``, which implements the ``AsmPrinter`` class that
1654   performs the LLVM-to-assembly conversion.
1656 The code in ``XXXTargetAsmInfo.h`` is usually a trivial declaration of the
1657 ``XXXTargetAsmInfo`` class for use in ``XXXTargetAsmInfo.cpp``.  Similarly,
1658 ``XXXTargetAsmInfo.cpp`` usually has a few declarations of ``XXXTargetAsmInfo``
1659 replacement values that override the default values in ``TargetAsmInfo.cpp``.
1660 For example in ``SparcTargetAsmInfo.cpp``:
1662 .. code-block:: c++
1664   SparcTargetAsmInfo::SparcTargetAsmInfo(const SparcTargetMachine &TM) {
1665     Data16bitsDirective = "\t.half\t";
1666     Data32bitsDirective = "\t.word\t";
1667     Data64bitsDirective = 0;  // .xword is only supported by V9.
1668     ZeroDirective = "\t.skip\t";
1669     CommentString = "!";
1670     ConstantPoolSection = "\t.section \".rodata\",#alloc\n";
1671   }
1673 The X86 assembly printer implementation (``X86TargetAsmInfo``) is an example
1674 where the target specific ``TargetAsmInfo`` class uses an overridden methods:
1675 ``ExpandInlineAsm``.
1677 A target-specific implementation of ``AsmPrinter`` is written in
1678 ``XXXAsmPrinter.cpp``, which implements the ``AsmPrinter`` class that converts
1679 the LLVM to printable assembly.  The implementation must include the following
1680 headers that have declarations for the ``AsmPrinter`` and
1681 ``MachineFunctionPass`` classes.  The ``MachineFunctionPass`` is a subclass of
1682 ``FunctionPass``.
1684 .. code-block:: c++
1686   #include "llvm/CodeGen/AsmPrinter.h"
1687   #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
1689 As a ``FunctionPass``, ``AsmPrinter`` first calls ``doInitialization`` to set
1690 up the ``AsmPrinter``.  In ``SparcAsmPrinter``, a ``Mangler`` object is
1691 instantiated to process variable names.
1693 In ``XXXAsmPrinter.cpp``, the ``runOnMachineFunction`` method (declared in
1694 ``MachineFunctionPass``) must be implemented for ``XXXAsmPrinter``.  In
1695 ``MachineFunctionPass``, the ``runOnFunction`` method invokes
1696 ``runOnMachineFunction``.  Target-specific implementations of
1697 ``runOnMachineFunction`` differ, but generally do the following to process each
1698 machine function:
1700 * Call ``SetupMachineFunction`` to perform initialization.
1702 * Call ``EmitConstantPool`` to print out (to the output stream) constants which
1703   have been spilled to memory.
1705 * Call ``EmitJumpTableInfo`` to print out jump tables used by the current
1706   function.
1708 * Print out the label for the current function.
1710 * Print out the code for the function, including basic block labels and the
1711   assembly for the instruction (using ``printInstruction``)
1713 The ``XXXAsmPrinter`` implementation must also include the code generated by
1714 TableGen that is output in the ``XXXGenAsmWriter.inc`` file.  The code in
1715 ``XXXGenAsmWriter.inc`` contains an implementation of the ``printInstruction``
1716 method that may call these methods:
1718 * ``printOperand``
1719 * ``printMemOperand``
1720 * ``printCCOperand`` (for conditional statements)
1721 * ``printDataDirective``
1722 * ``printDeclare``
1723 * ``printImplicitDef``
1724 * ``printInlineAsm``
1726 The implementations of ``printDeclare``, ``printImplicitDef``,
1727 ``printInlineAsm``, and ``printLabel`` in ``AsmPrinter.cpp`` are generally
1728 adequate for printing assembly and do not need to be overridden.
1730 The ``printOperand`` method is implemented with a long ``switch``/``case``
1731 statement for the type of operand: register, immediate, basic block, external
1732 symbol, global address, constant pool index, or jump table index.  For an
1733 instruction with a memory address operand, the ``printMemOperand`` method
1734 should be implemented to generate the proper output.  Similarly,
1735 ``printCCOperand`` should be used to print a conditional operand.
1737 ``doFinalization`` should be overridden in ``XXXAsmPrinter``, and it should be
1738 called to shut down the assembly printer.  During ``doFinalization``, global
1739 variables and constants are printed to output.
1741 Subtarget Support
1742 =================
1744 Subtarget support is used to inform the code generation process of instruction
1745 set variations for a given chip set.  For example, the LLVM SPARC
1746 implementation provided covers three major versions of the SPARC microprocessor
1747 architecture: Version 8 (V8, which is a 32-bit architecture), Version 9 (V9, a
1748 64-bit architecture), and the UltraSPARC architecture.  V8 has 16
1749 double-precision floating-point registers that are also usable as either 32
1750 single-precision or 8 quad-precision registers.  V8 is also purely big-endian.
1751 V9 has 32 double-precision floating-point registers that are also usable as 16
1752 quad-precision registers, but cannot be used as single-precision registers.
1753 The UltraSPARC architecture combines V9 with UltraSPARC Visual Instruction Set
1754 extensions.
1756 If subtarget support is needed, you should implement a target-specific
1757 ``XXXSubtarget`` class for your architecture.  This class should process the
1758 command-line options ``-mcpu=`` and ``-mattr=``.
1760 TableGen uses definitions in the ``Target.td`` and ``Sparc.td`` files to
1761 generate code in ``SparcGenSubtarget.inc``.  In ``Target.td``, shown below, the
1762 ``SubtargetFeature`` interface is defined.  The first 4 string parameters of
1763 the ``SubtargetFeature`` interface are a feature name, a XXXSubtarget field set
1764 by the feature, the value of the XXXSubtarget field, and a description of the
1765 feature.  (The fifth parameter is a list of features whose presence is implied,
1766 and its default value is an empty array.)
1768 If the value for the field is the string "true" or "false", the field
1769 is assumed to be a bool and only one SubtargetFeature should refer to it.
1770 Otherwise, it is assumed to be an integer. The integer value may be the name
1771 of an enum constant. If multiple features use the same integer field, the
1772 field will be set to the maximum value of all enabled features that share
1773 the field.
1775 .. code-block:: text
1777   class SubtargetFeature<string n, string f, string v, string d,
1778                          list<SubtargetFeature> i = []> {
1779     string Name = n;
1780     string FieldName = f;
1781     string Value = v;
1782     string Desc = d;
1783     list<SubtargetFeature> Implies = i;
1784   }
1786 In the ``Sparc.td`` file, the ``SubtargetFeature`` is used to define the
1787 following features.
1789 .. code-block:: text
1791   def FeatureV9 : SubtargetFeature<"v9", "IsV9", "true",
1792                        "Enable SPARC-V9 instructions">;
1793   def FeatureV8Deprecated : SubtargetFeature<"deprecated-v8",
1794                        "UseV8DeprecatedInsts", "true",
1795                        "Enable deprecated V8 instructions in V9 mode">;
1796   def FeatureVIS : SubtargetFeature<"vis", "IsVIS", "true",
1797                        "Enable UltraSPARC Visual Instruction Set extensions">;
1799 Elsewhere in ``Sparc.td``, the ``Proc`` class is defined and then is used to
1800 define particular SPARC processor subtypes that may have the previously
1801 described features.
1803 .. code-block:: text
1805   class Proc<string Name, list<SubtargetFeature> Features>
1806     : Processor<Name, NoItineraries, Features>;
1808   def : Proc<"generic",         []>;
1809   def : Proc<"v8",              []>;
1810   def : Proc<"supersparc",      []>;
1811   def : Proc<"sparclite",       []>;
1812   def : Proc<"f934",            []>;
1813   def : Proc<"hypersparc",      []>;
1814   def : Proc<"sparclite86x",    []>;
1815   def : Proc<"sparclet",        []>;
1816   def : Proc<"tsc701",          []>;
1817   def : Proc<"v9",              [FeatureV9]>;
1818   def : Proc<"ultrasparc",      [FeatureV9, FeatureV8Deprecated]>;
1819   def : Proc<"ultrasparc3",     [FeatureV9, FeatureV8Deprecated]>;
1820   def : Proc<"ultrasparc3-vis", [FeatureV9, FeatureV8Deprecated, FeatureVIS]>;
1822 From ``Target.td`` and ``Sparc.td`` files, the resulting
1823 ``SparcGenSubtarget.inc`` specifies enum values to identify the features,
1824 arrays of constants to represent the CPU features and CPU subtypes, and the
1825 ``ParseSubtargetFeatures`` method that parses the features string that sets
1826 specified subtarget options.  The generated ``SparcGenSubtarget.inc`` file
1827 should be included in the ``SparcSubtarget.cpp``.  The target-specific
1828 implementation of the ``XXXSubtarget`` method should follow this pseudocode:
1830 .. code-block:: c++
1832   XXXSubtarget::XXXSubtarget(const Module &M, const std::string &FS) {
1833     // Set the default features
1834     // Determine default and user specified characteristics of the CPU
1835     // Call ParseSubtargetFeatures(FS, CPU) to parse the features string
1836     // Perform any additional operations
1837   }
1839 JIT Support
1840 ===========
1842 The implementation of a target machine optionally includes a Just-In-Time (JIT)
1843 code generator that emits machine code and auxiliary structures as binary
1844 output that can be written directly to memory.  To do this, implement JIT code
1845 generation by performing the following steps:
1847 * Write an ``XXXCodeEmitter.cpp`` file that contains a machine function pass
1848   that transforms target-machine instructions into relocatable machine
1849   code.
1851 * Write an ``XXXJITInfo.cpp`` file that implements the JIT interfaces for
1852   target-specific code-generation activities, such as emitting machine code and
1853   stubs.
1855 * Modify ``XXXTargetMachine`` so that it provides a ``TargetJITInfo`` object
1856   through its ``getJITInfo`` method.
1858 There are several different approaches to writing the JIT support code.  For
1859 instance, TableGen and target descriptor files may be used for creating a JIT
1860 code generator, but are not mandatory.  For the Alpha and PowerPC target
1861 machines, TableGen is used to generate ``XXXGenCodeEmitter.inc``, which
1862 contains the binary coding of machine instructions and the
1863 ``getBinaryCodeForInstr`` method to access those codes.  Other JIT
1864 implementations do not.
1866 Both ``XXXJITInfo.cpp`` and ``XXXCodeEmitter.cpp`` must include the
1867 ``llvm/CodeGen/MachineCodeEmitter.h`` header file that defines the
1868 ``MachineCodeEmitter`` class containing code for several callback functions
1869 that write data (in bytes, words, strings, etc.) to the output stream.
1871 Machine Code Emitter
1872 --------------------
1874 In ``XXXCodeEmitter.cpp``, a target-specific of the ``Emitter`` class is
1875 implemented as a function pass (subclass of ``MachineFunctionPass``).  The
1876 target-specific implementation of ``runOnMachineFunction`` (invoked by
1877 ``runOnFunction`` in ``MachineFunctionPass``) iterates through the
1878 ``MachineBasicBlock`` calls ``emitInstruction`` to process each instruction and
1879 emit binary code.  ``emitInstruction`` is largely implemented with case
1880 statements on the instruction types defined in ``XXXInstrInfo.h``.  For
1881 example, in ``X86CodeEmitter.cpp``, the ``emitInstruction`` method is built
1882 around the following ``switch``/``case`` statements:
1884 .. code-block:: c++
1886   switch (Desc->TSFlags & X86::FormMask) {
1887   case X86II::Pseudo:  // for not yet implemented instructions
1888      ...               // or pseudo-instructions
1889      break;
1890   case X86II::RawFrm:  // for instructions with a fixed opcode value
1891      ...
1892      break;
1893   case X86II::AddRegFrm: // for instructions that have one register operand
1894      ...                 // added to their opcode
1895      break;
1896   case X86II::MRMDestReg:// for instructions that use the Mod/RM byte
1897      ...                 // to specify a destination (register)
1898      break;
1899   case X86II::MRMDestMem:// for instructions that use the Mod/RM byte
1900      ...                 // to specify a destination (memory)
1901      break;
1902   case X86II::MRMSrcReg: // for instructions that use the Mod/RM byte
1903      ...                 // to specify a source (register)
1904      break;
1905   case X86II::MRMSrcMem: // for instructions that use the Mod/RM byte
1906      ...                 // to specify a source (memory)
1907      break;
1908   case X86II::MRM0r: case X86II::MRM1r:  // for instructions that operate on
1909   case X86II::MRM2r: case X86II::MRM3r:  // a REGISTER r/m operand and
1910   case X86II::MRM4r: case X86II::MRM5r:  // use the Mod/RM byte and a field
1911   case X86II::MRM6r: case X86II::MRM7r:  // to hold extended opcode data
1912      ...
1913      break;
1914   case X86II::MRM0m: case X86II::MRM1m:  // for instructions that operate on
1915   case X86II::MRM2m: case X86II::MRM3m:  // a MEMORY r/m operand and
1916   case X86II::MRM4m: case X86II::MRM5m:  // use the Mod/RM byte and a field
1917   case X86II::MRM6m: case X86II::MRM7m:  // to hold extended opcode data
1918      ...
1919      break;
1920   case X86II::MRMInitReg: // for instructions whose source and
1921      ...                  // destination are the same register
1922      break;
1923   }
1925 The implementations of these case statements often first emit the opcode and
1926 then get the operand(s).  Then depending upon the operand, helper methods may
1927 be called to process the operand(s).  For example, in ``X86CodeEmitter.cpp``,
1928 for the ``X86II::AddRegFrm`` case, the first data emitted (by ``emitByte``) is
1929 the opcode added to the register operand.  Then an object representing the
1930 machine operand, ``MO1``, is extracted.  The helper methods such as
1931 ``isImmediate``, ``isGlobalAddress``, ``isExternalSymbol``,
1932 ``isConstantPoolIndex``, and ``isJumpTableIndex`` determine the operand type.
1933 (``X86CodeEmitter.cpp`` also has private methods such as ``emitConstant``,
1934 ``emitGlobalAddress``, ``emitExternalSymbolAddress``, ``emitConstPoolAddress``,
1935 and ``emitJumpTableAddress`` that emit the data into the output stream.)
1937 .. code-block:: c++
1939   case X86II::AddRegFrm:
1940     MCE.emitByte(BaseOpcode + getX86RegNum(MI.getOperand(CurOp++).getReg()));
1942     if (CurOp != NumOps) {
1943       const MachineOperand &MO1 = MI.getOperand(CurOp++);
1944       unsigned Size = X86InstrInfo::sizeOfImm(Desc);
1945       if (MO1.isImmediate())
1946         emitConstant(MO1.getImm(), Size);
1947       else {
1948         unsigned rt = Is64BitMode ? X86::reloc_pcrel_word
1949           : (IsPIC ? X86::reloc_picrel_word : X86::reloc_absolute_word);
1950         if (Opcode == X86::MOV64ri)
1951           rt = X86::reloc_absolute_dword;  // FIXME: add X86II flag?
1952         if (MO1.isGlobalAddress()) {
1953           bool NeedStub = isa<Function>(MO1.getGlobal());
1954           bool isLazy = gvNeedsLazyPtr(MO1.getGlobal());
1955           emitGlobalAddress(MO1.getGlobal(), rt, MO1.getOffset(), 0,
1956                             NeedStub, isLazy);
1957         } else if (MO1.isExternalSymbol())
1958           emitExternalSymbolAddress(MO1.getSymbolName(), rt);
1959         else if (MO1.isConstantPoolIndex())
1960           emitConstPoolAddress(MO1.getIndex(), rt);
1961         else if (MO1.isJumpTableIndex())
1962           emitJumpTableAddress(MO1.getIndex(), rt);
1963       }
1964     }
1965     break;
1967 In the previous example, ``XXXCodeEmitter.cpp`` uses the variable ``rt``, which
1968 is a ``RelocationType`` enum that may be used to relocate addresses (for
1969 example, a global address with a PIC base offset).  The ``RelocationType`` enum
1970 for that target is defined in the short target-specific ``XXXRelocations.h``
1971 file.  The ``RelocationType`` is used by the ``relocate`` method defined in
1972 ``XXXJITInfo.cpp`` to rewrite addresses for referenced global symbols.
1974 For example, ``X86Relocations.h`` specifies the following relocation types for
1975 the X86 addresses.  In all four cases, the relocated value is added to the
1976 value already in memory.  For ``reloc_pcrel_word`` and ``reloc_picrel_word``,
1977 there is an additional initial adjustment.
1979 .. code-block:: c++
1981   enum RelocationType {
1982     reloc_pcrel_word = 0,    // add reloc value after adjusting for the PC loc
1983     reloc_picrel_word = 1,   // add reloc value after adjusting for the PIC base
1984     reloc_absolute_word = 2, // absolute relocation; no additional adjustment
1985     reloc_absolute_dword = 3 // absolute relocation; no additional adjustment
1986   };
1988 Target JIT Info
1989 ---------------
1991 ``XXXJITInfo.cpp`` implements the JIT interfaces for target-specific
1992 code-generation activities, such as emitting machine code and stubs.  At
1993 minimum, a target-specific version of ``XXXJITInfo`` implements the following:
1995 * ``getLazyResolverFunction`` --- Initializes the JIT, gives the target a
1996   function that is used for compilation.
1998 * ``emitFunctionStub`` --- Returns a native function with a specified address
1999   for a callback function.
2001 * ``relocate`` --- Changes the addresses of referenced globals, based on
2002   relocation types.
2004 * Callback function that are wrappers to a function stub that is used when the
2005   real target is not initially known.
2007 ``getLazyResolverFunction`` is generally trivial to implement.  It makes the
2008 incoming parameter as the global ``JITCompilerFunction`` and returns the
2009 callback function that will be used a function wrapper.  For the Alpha target
2010 (in ``AlphaJITInfo.cpp``), the ``getLazyResolverFunction`` implementation is
2011 simply:
2013 .. code-block:: c++
2015   TargetJITInfo::LazyResolverFn AlphaJITInfo::getLazyResolverFunction(
2016                                               JITCompilerFn F) {
2017     JITCompilerFunction = F;
2018     return AlphaCompilationCallback;
2019   }
2021 For the X86 target, the ``getLazyResolverFunction`` implementation is a little
2022 more complicated, because it returns a different callback function for
2023 processors with SSE instructions and XMM registers.
2025 The callback function initially saves and later restores the callee register
2026 values, incoming arguments, and frame and return address.  The callback
2027 function needs low-level access to the registers or stack, so it is typically
2028 implemented with assembler.