Merge remote branch 'mst/for_anthony' into staging
[qemu/mdroth.git] / tcg / README
bloba18a87ffcd741dcc3ee09121e1294a7764a40535
1 Tiny Code Generator - Fabrice Bellard.
3 1) Introduction
5 TCG (Tiny Code Generator) began as a generic backend for a C
6 compiler. It was simplified to be used in QEMU. It also has its roots
7 in the QOP code generator written by Paul Brook. 
9 2) Definitions
11 The TCG "target" is the architecture for which we generate the
12 code. It is of course not the same as the "target" of QEMU which is
13 the emulated architecture. As TCG started as a generic C backend used
14 for cross compiling, it is assumed that the TCG target is different
15 from the host, although it is never the case for QEMU.
17 A TCG "function" corresponds to a QEMU Translated Block (TB).
19 A TCG "temporary" is a variable only live in a basic
20 block. Temporaries are allocated explicitly in each function.
22 A TCG "local temporary" is a variable only live in a function. Local
23 temporaries are allocated explicitly in each function.
25 A TCG "global" is a variable which is live in all the functions
26 (equivalent of a C global variable). They are defined before the
27 functions defined. A TCG global can be a memory location (e.g. a QEMU
28 CPU register), a fixed host register (e.g. the QEMU CPU state pointer)
29 or a memory location which is stored in a register outside QEMU TBs
30 (not implemented yet).
32 A TCG "basic block" corresponds to a list of instructions terminated
33 by a branch instruction. 
35 3) Intermediate representation
37 3.1) Introduction
39 TCG instructions operate on variables which are temporaries, local
40 temporaries or globals. TCG instructions and variables are strongly
41 typed. Two types are supported: 32 bit integers and 64 bit
42 integers. Pointers are defined as an alias to 32 bit or 64 bit
43 integers depending on the TCG target word size.
45 Each instruction has a fixed number of output variable operands, input
46 variable operands and always constant operands.
48 The notable exception is the call instruction which has a variable
49 number of outputs and inputs.
51 In the textual form, output operands usually come first, followed by
52 input operands, followed by constant operands. The output type is
53 included in the instruction name. Constants are prefixed with a '$'.
55 add_i32 t0, t1, t2  (t0 <- t1 + t2)
57 3.2) Assumptions
59 * Basic blocks
61 - Basic blocks end after branches (e.g. brcond_i32 instruction),
62   goto_tb and exit_tb instructions.
63 - Basic blocks start after the end of a previous basic block, or at a
64   set_label instruction.
66 After the end of a basic block, the content of temporaries is
67 destroyed, but local temporaries and globals are preserved.
69 * Floating point types are not supported yet
71 * Pointers: depending on the TCG target, pointer size is 32 bit or 64
72   bit. The type TCG_TYPE_PTR is an alias to TCG_TYPE_I32 or
73   TCG_TYPE_I64.
75 * Helpers:
77 Using the tcg_gen_helper_x_y it is possible to call any function
78 taking i32, i64 or pointer types. By default, before calling a helper,
79 all globals are stored at their canonical location and it is assumed
80 that the function can modify them. This can be overridden by the
81 TCG_CALL_CONST function modifier. By default, the helper is allowed to
82 modify the CPU state or raise an exception. This can be overridden by
83 the TCG_CALL_PURE function modifier, in which case the call to the
84 function is removed if the return value is not used.
86 On some TCG targets (e.g. x86), several calling conventions are
87 supported.
89 * Branches:
91 Use the instruction 'br' to jump to a label. Use 'jmp' to jump to an
92 explicit address. Conditional branches can only jump to labels.
94 3.3) Code Optimizations
96 When generating instructions, you can count on at least the following
97 optimizations:
99 - Single instructions are simplified, e.g.
101    and_i32 t0, t0, $0xffffffff
102     
103   is suppressed.
105 - A liveness analysis is done at the basic block level. The
106   information is used to suppress moves from a dead variable to
107   another one. It is also used to remove instructions which compute
108   dead results. The later is especially useful for condition code
109   optimization in QEMU.
111   In the following example:
113   add_i32 t0, t1, t2
114   add_i32 t0, t0, $1
115   mov_i32 t0, $1
117   only the last instruction is kept.
119 3.4) Instruction Reference
121 ********* Function call
123 * call <ret> <params> ptr
125 call function 'ptr' (pointer type)
127 <ret> optional 32 bit or 64 bit return value
128 <params> optional 32 bit or 64 bit parameters
130 ********* Jumps/Labels
132 * jmp t0
134 Absolute jump to address t0 (pointer type).
136 * set_label $label
138 Define label 'label' at the current program point.
140 * br $label
142 Jump to label.
144 * brcond_i32/i64 cond, t0, t1, label
146 Conditional jump if t0 cond t1 is true. cond can be:
147     TCG_COND_EQ
148     TCG_COND_NE
149     TCG_COND_LT /* signed */
150     TCG_COND_GE /* signed */
151     TCG_COND_LE /* signed */
152     TCG_COND_GT /* signed */
153     TCG_COND_LTU /* unsigned */
154     TCG_COND_GEU /* unsigned */
155     TCG_COND_LEU /* unsigned */
156     TCG_COND_GTU /* unsigned */
158 ********* Arithmetic
160 * add_i32/i64 t0, t1, t2
162 t0=t1+t2
164 * sub_i32/i64 t0, t1, t2
166 t0=t1-t2
168 * neg_i32/i64 t0, t1
170 t0=-t1 (two's complement)
172 * mul_i32/i64 t0, t1, t2
174 t0=t1*t2
176 * div_i32/i64 t0, t1, t2
178 t0=t1/t2 (signed). Undefined behavior if division by zero or overflow.
180 * divu_i32/i64 t0, t1, t2
182 t0=t1/t2 (unsigned). Undefined behavior if division by zero.
184 * rem_i32/i64 t0, t1, t2
186 t0=t1%t2 (signed). Undefined behavior if division by zero or overflow.
188 * remu_i32/i64 t0, t1, t2
190 t0=t1%t2 (unsigned). Undefined behavior if division by zero.
192 ********* Logical
194 * and_i32/i64 t0, t1, t2
196 t0=t1&t2
198 * or_i32/i64 t0, t1, t2
200 t0=t1|t2
202 * xor_i32/i64 t0, t1, t2
204 t0=t1^t2
206 * not_i32/i64 t0, t1
208 t0=~t1
210 * andc_i32/i64 t0, t1, t2
212 t0=t1&~t2
214 * eqv_i32/i64 t0, t1, t2
216 t0=~(t1^t2), or equivalently, t0=t1^~t2
218 * nand_i32/i64 t0, t1, t2
220 t0=~(t1&t2)
222 * nor_i32/i64 t0, t1, t2
224 t0=~(t1|t2)
226 * orc_i32/i64 t0, t1, t2
228 t0=t1|~t2
230 ********* Shifts/Rotates
232 * shl_i32/i64 t0, t1, t2
234 t0=t1 << t2. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
236 * shr_i32/i64 t0, t1, t2
238 t0=t1 >> t2 (unsigned). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
240 * sar_i32/i64 t0, t1, t2
242 t0=t1 >> t2 (signed). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
244 * rotl_i32/i64 t0, t1, t2
246 Rotation of t2 bits to the left. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
248 * rotr_i32/i64 t0, t1, t2
250 Rotation of t2 bits to the right. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
252 ********* Misc
254 * mov_i32/i64 t0, t1
256 t0 = t1
258 Move t1 to t0 (both operands must have the same type).
260 * ext8s_i32/i64 t0, t1
261 ext8u_i32/i64 t0, t1
262 ext16s_i32/i64 t0, t1
263 ext16u_i32/i64 t0, t1
264 ext32s_i64 t0, t1
265 ext32u_i64 t0, t1
267 8, 16 or 32 bit sign/zero extension (both operands must have the same type)
269 * bswap16_i32/i64 t0, t1
271 16 bit byte swap on a 32/64 bit value. It assumes that the two/six high order
272 bytes are set to zero.
274 * bswap32_i32/i64 t0, t1
276 32 bit byte swap on a 32/64 bit value. With a 64 bit value, it assumes that
277 the four high order bytes are set to zero.
279 * bswap64_i64 t0, t1
281 64 bit byte swap
283 * discard_i32/i64 t0
285 Indicate that the value of t0 won't be used later. It is useful to
286 force dead code elimination.
288 ********* Conditional moves
290 * setcond_i32/i64 cond, dest, t1, t2
292 dest = (t1 cond t2)
294 Set DEST to 1 if (T1 cond T2) is true, otherwise set to 0.
296 ********* Type conversions
298 * ext_i32_i64 t0, t1
299 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does sign extension
301 * extu_i32_i64 t0, t1
302 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does zero extension
304 * trunc_i64_i32 t0, t1
305 Truncate t1 (64 bit) to t0 (32 bit)
307 * concat_i32_i64 t0, t1, t2
308 Construct t0 (64-bit) taking the low half from t1 (32 bit) and the high half
309 from t2 (32 bit).
311 * concat32_i64 t0, t1, t2
312 Construct t0 (64-bit) taking the low half from t1 (64 bit) and the high half
313 from t2 (64 bit).
315 ********* Load/Store
317 * ld_i32/i64 t0, t1, offset
318 ld8s_i32/i64 t0, t1, offset
319 ld8u_i32/i64 t0, t1, offset
320 ld16s_i32/i64 t0, t1, offset
321 ld16u_i32/i64 t0, t1, offset
322 ld32s_i64 t0, t1, offset
323 ld32u_i64 t0, t1, offset
325 t0 = read(t1 + offset)
326 Load 8, 16, 32 or 64 bits with or without sign extension from host memory. 
327 offset must be a constant.
329 * st_i32/i64 t0, t1, offset
330 st8_i32/i64 t0, t1, offset
331 st16_i32/i64 t0, t1, offset
332 st32_i64 t0, t1, offset
334 write(t0, t1 + offset)
335 Write 8, 16, 32 or 64 bits to host memory.
337 ********* 64-bit target on 32-bit host support
339 The following opcodes are internal to TCG.  Thus they are to be implemented by
340 32-bit host code generators, but are not to be emitted by guest translators.
341 They are emitted as needed by inline functions within "tcg-op.h".
343 * brcond2_i32 cond, t0_low, t0_high, t1_low, t1_high, label
345 Similar to brcond, except that the 64-bit values T0 and T1
346 are formed from two 32-bit arguments.
348 * add2_i32 t0_low, t0_high, t1_low, t1_high, t2_low, t2_high
349 * sub2_i32 t0_low, t0_high, t1_low, t1_high, t2_low, t2_high
351 Similar to add/sub, except that the 64-bit inputs T1 and T2 are
352 formed from two 32-bit arguments, and the 64-bit output T0
353 is returned in two 32-bit outputs.
355 * mulu2_i32 t0_low, t0_high, t1, t2
357 Similar to mul, except two 32-bit (unsigned) inputs T1 and T2 yielding
358 the full 64-bit product T0.  The later is returned in two 32-bit outputs.
360 * setcond2_i32 cond, dest, t1_low, t1_high, t2_low, t2_high
362 Similar to setcond, except that the 64-bit values T1 and T2 are
363 formed from two 32-bit arguments.  The result is a 32-bit value.
365 ********* QEMU specific operations
367 * exit_tb t0
369 Exit the current TB and return the value t0 (word type).
371 * goto_tb index
373 Exit the current TB and jump to the TB index 'index' (constant) if the
374 current TB was linked to this TB. Otherwise execute the next
375 instructions.
377 * qemu_ld8u t0, t1, flags
378 qemu_ld8s t0, t1, flags
379 qemu_ld16u t0, t1, flags
380 qemu_ld16s t0, t1, flags
381 qemu_ld32 t0, t1, flags
382 qemu_ld32u t0, t1, flags
383 qemu_ld32s t0, t1, flags
384 qemu_ld64 t0, t1, flags
386 Load data at the QEMU CPU address t1 into t0. t1 has the QEMU CPU address
387 type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or kernel access)
388 for example.
390 Note that "qemu_ld32" implies a 32-bit result, while "qemu_ld32u" and
391 "qemu_ld32s" imply a 64-bit result appropriately extended from 32 bits.
393 * qemu_st8 t0, t1, flags
394 qemu_st16 t0, t1, flags
395 qemu_st32 t0, t1, flags
396 qemu_st64 t0, t1, flags
398 Store the data t0 at the QEMU CPU Address t1. t1 has the QEMU CPU
399 address type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or
400 kernel access) for example.
402 Note 1: Some shortcuts are defined when the last operand is known to be
403 a constant (e.g. addi for add, movi for mov).
405 Note 2: When using TCG, the opcodes must never be generated directly
406 as some of them may not be available as "real" opcodes. Always use the
407 function tcg_gen_xxx(args).
409 4) Backend
411 tcg-target.h contains the target specific definitions. tcg-target.c
412 contains the target specific code.
414 4.1) Assumptions
416 The target word size (TCG_TARGET_REG_BITS) is expected to be 32 bit or
417 64 bit. It is expected that the pointer has the same size as the word.
419 On a 32 bit target, all 64 bit operations are converted to 32 bits. A
420 few specific operations must be implemented to allow it (see add2_i32,
421 sub2_i32, brcond2_i32).
423 Floating point operations are not supported in this version. A
424 previous incarnation of the code generator had full support of them,
425 but it is better to concentrate on integer operations first.
427 On a 64 bit target, no assumption is made in TCG about the storage of
428 the 32 bit values in 64 bit registers.
430 4.2) Constraints
432 GCC like constraints are used to define the constraints of every
433 instruction. Memory constraints are not supported in this
434 version. Aliases are specified in the input operands as for GCC.
436 The same register may be used for both an input and an output, even when
437 they are not explicitly aliased.  If an op expands to multiple target
438 instructions then care must be taken to avoid clobbering input values.
439 GCC style "early clobber" outputs are not currently supported.
441 A target can define specific register or constant constraints. If an
442 operation uses a constant input constraint which does not allow all
443 constants, it must also accept registers in order to have a fallback.
445 The movi_i32 and movi_i64 operations must accept any constants.
447 The mov_i32 and mov_i64 operations must accept any registers of the
448 same type.
450 The ld/st instructions must accept signed 32 bit constant offsets. It
451 can be implemented by reserving a specific register to compute the
452 address if the offset is too big.
454 The ld/st instructions must accept any destination (ld) or source (st)
455 register.
457 4.3) Function call assumptions
459 - The only supported types for parameters and return value are: 32 and
460   64 bit integers and pointer.
461 - The stack grows downwards.
462 - The first N parameters are passed in registers.
463 - The next parameters are passed on the stack by storing them as words.
464 - Some registers are clobbered during the call. 
465 - The function can return 0 or 1 value in registers. On a 32 bit
466   target, functions must be able to return 2 values in registers for
467   64 bit return type.
469 5) Recommended coding rules for best performance
471 - Use globals to represent the parts of the QEMU CPU state which are
472   often modified, e.g. the integer registers and the condition
473   codes. TCG will be able to use host registers to store them.
475 - Avoid globals stored in fixed registers. They must be used only to
476   store the pointer to the CPU state and possibly to store a pointer
477   to a register window.
479 - Use temporaries. Use local temporaries only when really needed,
480   e.g. when you need to use a value after a jump. Local temporaries
481   introduce a performance hit in the current TCG implementation: their
482   content is saved to memory at end of each basic block.
484 - Free temporaries and local temporaries when they are no longer used
485   (tcg_temp_free). Since tcg_const_x() also creates a temporary, you
486   should free it after it is used. Freeing temporaries does not yield
487   a better generated code, but it reduces the memory usage of TCG and
488   the speed of the translation.
490 - Don't hesitate to use helpers for complicated or seldom used target
491   instructions. There is little performance advantage in using TCG to
492   implement target instructions taking more than about twenty TCG
493   instructions.
495 - Use the 'discard' instruction if you know that TCG won't be able to
496   prove that a given global is "dead" at a given program point. The
497   x86 target uses it to improve the condition codes optimisation.