OSDN Git Service

[MIR] Add support for the frame-destroy MachineInstr flag
[android-x86/external-llvm.git] / docs / MIRLangRef.rst
1 ========================================
2 Machine IR (MIR) Format Reference Manual
3 ========================================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 .. warning::
9   This is a work in progress.
10
11 Introduction
12 ============
13
14 This document is a reference manual for the Machine IR (MIR) serialization
15 format. MIR is a human readable serialization format that is used to represent
16 LLVM's :ref:`machine specific intermediate representation
17 <machine code representation>`.
18
19 The MIR serialization format is designed to be used for testing the code
20 generation passes in LLVM.
21
22 Overview
23 ========
24
25 The MIR serialization format uses a YAML container. YAML is a standard
26 data serialization language, and the full YAML language spec can be read at
27 `yaml.org
28 <http://www.yaml.org/spec/1.2/spec.html#Introduction>`_.
29
30 A MIR file is split up into a series of `YAML documents`_. The first document
31 can contain an optional embedded LLVM IR module, and the rest of the documents
32 contain the serialized machine functions.
33
34 .. _YAML documents: http://www.yaml.org/spec/1.2/spec.html#id2800132
35
36 MIR Testing Guide
37 =================
38
39 You can use the MIR format for testing in two different ways:
40
41 - You can write MIR tests that invoke a single code generation pass using the
42   ``-run-pass`` option in llc.
43
44 - You can use llc's ``-stop-after`` option with existing or new LLVM assembly
45   tests and check the MIR output of a specific code generation pass.
46
47 Testing Individual Code Generation Passes
48 -----------------------------------------
49
50 The ``-run-pass`` option in llc allows you to create MIR tests that invoke just
51 a single code generation pass. When this option is used, llc will parse an
52 input MIR file, run the specified code generation pass(es), and output the
53 resulting MIR code.
54
55 You can generate an input MIR file for the test by using the ``-stop-after`` or
56 ``-stop-before`` option in llc. For example, if you would like to write a test
57 for the post register allocation pseudo instruction expansion pass, you can
58 specify the machine copy propagation pass in the ``-stop-after`` option, as it
59 runs just before the pass that we are trying to test:
60
61    ``llc -stop-after=machine-cp bug-trigger.ll > test.mir``
62
63 After generating the input MIR file, you'll have to add a run line that uses
64 the ``-run-pass`` option to it. In order to test the post register allocation
65 pseudo instruction expansion pass on X86-64, a run line like the one shown
66 below can be used:
67
68     ``# RUN: llc -o - %s -mtriple=x86_64-- -run-pass=postrapseudos | FileCheck %s``
69
70 The MIR files are target dependent, so they have to be placed in the target
71 specific test directories (``lib/CodeGen/TARGETNAME``). They also need to
72 specify a target triple or a target architecture either in the run line or in
73 the embedded LLVM IR module.
74
75 Simplifying MIR files
76 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
77
78 The MIR code coming out of ``-stop-after``/``-stop-before`` is very verbose;
79 Tests are more accessible and future proof when simplified:
80
81 - Use the ``-simplify-mir`` option with llc.
82
83 - Machine function attributes often have default values or the test works just
84   as well with default values. Typical candidates for this are: `alignment:`,
85   `exposesReturnsTwice`, `legalized`, `regBankSelected`, `selected`.
86   The whole `frameInfo` section is often unnecessary if there is no special
87   frame usage in the function. `tracksRegLiveness` on the other hand is often
88   necessary for some passes that care about block livein lists.
89
90 - The (global) `liveins:` list is typically only interesting for early
91   instruction selection passes and can be removed when testing later passes.
92   The per-block `liveins:` on the other hand are necessary if
93   `tracksRegLiveness` is true.
94
95 - Branch probability data in block `successors:` lists can be dropped if the
96   test doesn't depend on it. Example:
97   `successors: %bb.1(0x40000000), %bb.2(0x40000000)` can be replaced with
98   `successors: %bb.1, %bb.2`.
99
100 - MIR code contains a whole IR module. This is necessary because there are
101   no equivalents in MIR for global variables, references to external functions,
102   function attributes, metadata, debug info. Instead some MIR data references
103   the IR constructs. You can often remove them if the test doesn't depend on
104   them.
105
106 - Alias Analysis is performed on IR values. These are referenced by memory
107   operands in MIR. Example: `:: (load 8 from %ir.foobar, !alias.scope !9)`.
108   If the test doesn't depend on (good) alias analysis the references can be
109   dropped: `:: (load 8)`
110
111 - MIR blocks can reference IR blocks for debug printing, profile information
112   or debug locations. Example: `bb.42.myblock` in MIR references the IR block
113   `myblock`. It is usually possible to drop the `.myblock` reference and simply
114   use `bb.42`.
115
116 - If there are no memory operands or blocks referencing the IR then the
117   IR function can be replaced by a parameterless dummy function like
118   `define @func() { ret void }`.
119
120 - It is possible to drop the whole IR section of the MIR file if it only
121   contains dummy functions (see above). The .mir loader will create the
122   IR functions automatically in this case.
123
124 .. _limitations:
125
126 Limitations
127 -----------
128
129 Currently the MIR format has several limitations in terms of which state it
130 can serialize:
131
132 - The target-specific state in the target-specific ``MachineFunctionInfo``
133   subclasses isn't serialized at the moment.
134
135 - The target-specific ``MachineConstantPoolValue`` subclasses (in the ARM and
136   SystemZ backends) aren't serialized at the moment.
137
138 - The ``MCSymbol`` machine operands are only printed, they can't be parsed.
139
140 - A lot of the state in ``MachineModuleInfo`` isn't serialized - only the CFI
141   instructions and the variable debug information from MMI is serialized right
142   now.
143
144 These limitations impose restrictions on what you can test with the MIR format.
145 For now, tests that would like to test some behaviour that depends on the state
146 of certain ``MCSymbol``  operands or the exception handling state in MMI, can't
147 use the MIR format. As well as that, tests that test some behaviour that
148 depends on the state of the target specific ``MachineFunctionInfo`` or
149 ``MachineConstantPoolValue`` subclasses can't use the MIR format at the moment.
150
151 High Level Structure
152 ====================
153
154 .. _embedded-module:
155
156 Embedded Module
157 ---------------
158
159 When the first YAML document contains a `YAML block literal string`_, the MIR
160 parser will treat this string as an LLVM assembly language string that
161 represents an embedded LLVM IR module.
162 Here is an example of a YAML document that contains an LLVM module:
163
164 .. code-block:: llvm
165
166        define i32 @inc(i32* %x) {
167        entry:
168          %0 = load i32, i32* %x
169          %1 = add i32 %0, 1
170          store i32 %1, i32* %x
171          ret i32 %1
172        }
173
174 .. _YAML block literal string: http://www.yaml.org/spec/1.2/spec.html#id2795688
175
176 Machine Functions
177 -----------------
178
179 The remaining YAML documents contain the machine functions. This is an example
180 of such YAML document:
181
182 .. code-block:: text
183
184      ---
185      name:            inc
186      tracksRegLiveness: true
187      liveins:
188        - { reg: '%rdi' }
189      body: |
190        bb.0.entry:
191          liveins: %rdi
192
193          %eax = MOV32rm %rdi, 1, _, 0, _
194          %eax = INC32r killed %eax, implicit-def dead %eflags
195          MOV32mr killed %rdi, 1, _, 0, _, %eax
196          RETQ %eax
197      ...
198
199 The document above consists of attributes that represent the various
200 properties and data structures in a machine function.
201
202 The attribute ``name`` is required, and its value should be identical to the
203 name of a function that this machine function is based on.
204
205 The attribute ``body`` is a `YAML block literal string`_. Its value represents
206 the function's machine basic blocks and their machine instructions.
207
208 Machine Instructions Format Reference
209 =====================================
210
211 The machine basic blocks and their instructions are represented using a custom,
212 human readable serialization language. This language is used in the
213 `YAML block literal string`_ that corresponds to the machine function's body.
214
215 A source string that uses this language contains a list of machine basic
216 blocks, which are described in the section below.
217
218 Machine Basic Blocks
219 --------------------
220
221 A machine basic block is defined in a single block definition source construct
222 that contains the block's ID.
223 The example below defines two blocks that have an ID of zero and one:
224
225 .. code-block:: text
226
227     bb.0:
228       <instructions>
229     bb.1:
230       <instructions>
231
232 A machine basic block can also have a name. It should be specified after the ID
233 in the block's definition:
234
235 .. code-block:: text
236
237     bb.0.entry:       ; This block's name is "entry"
238        <instructions>
239
240 The block's name should be identical to the name of the IR block that this
241 machine block is based on.
242
243 .. _block-references:
244
245 Block References
246 ^^^^^^^^^^^^^^^^
247
248 The machine basic blocks are identified by their ID numbers. Individual
249 blocks are referenced using the following syntax:
250
251 .. code-block:: text
252
253     %bb.<id>
254
255 Example:
256
257 .. code-block:: llvm
258
259     %bb.0
260
261 The following syntax is also supported, but the former syntax is preferred for
262 block references:
263
264 .. code-block:: text
265
266     %bb.<id>[.<name>]
267
268 Example:
269
270 .. code-block:: llvm
271
272     %bb.1.then
273
274 Successors
275 ^^^^^^^^^^
276
277 The machine basic block's successors have to be specified before any of the
278 instructions:
279
280 .. code-block:: text
281
282     bb.0.entry:
283       successors: %bb.1.then, %bb.2.else
284       <instructions>
285     bb.1.then:
286       <instructions>
287     bb.2.else:
288       <instructions>
289
290 The branch weights can be specified in brackets after the successor blocks.
291 The example below defines a block that has two successors with branch weights
292 of 32 and 16:
293
294 .. code-block:: text
295
296     bb.0.entry:
297       successors: %bb.1.then(32), %bb.2.else(16)
298
299 .. _bb-liveins:
300
301 Live In Registers
302 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
303
304 The machine basic block's live in registers have to be specified before any of
305 the instructions:
306
307 .. code-block:: text
308
309     bb.0.entry:
310       liveins: %edi, %esi
311
312 The list of live in registers and successors can be empty. The language also
313 allows multiple live in register and successor lists - they are combined into
314 one list by the parser.
315
316 Miscellaneous Attributes
317 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
318
319 The attributes ``IsAddressTaken``, ``IsLandingPad`` and ``Alignment`` can be
320 specified in brackets after the block's definition:
321
322 .. code-block:: text
323
324     bb.0.entry (address-taken):
325       <instructions>
326     bb.2.else (align 4):
327       <instructions>
328     bb.3(landing-pad, align 4):
329       <instructions>
330
331 .. TODO: Describe the way the reference to an unnamed LLVM IR block can be
332    preserved.
333
334 Machine Instructions
335 --------------------
336
337 A machine instruction is composed of a name,
338 :ref:`machine operands <machine-operands>`,
339 :ref:`instruction flags <instruction-flags>`, and machine memory operands.
340
341 The instruction's name is usually specified before the operands. The example
342 below shows an instance of the X86 ``RETQ`` instruction with a single machine
343 operand:
344
345 .. code-block:: text
346
347     RETQ %eax
348
349 However, if the machine instruction has one or more explicitly defined register
350 operands, the instruction's name has to be specified after them. The example
351 below shows an instance of the AArch64 ``LDPXpost`` instruction with three
352 defined register operands:
353
354 .. code-block:: text
355
356     %sp, %fp, %lr = LDPXpost %sp, 2
357
358 The instruction names are serialized using the exact definitions from the
359 target's ``*InstrInfo.td`` files, and they are case sensitive. This means that
360 similar instruction names like ``TSTri`` and ``tSTRi`` represent different
361 machine instructions.
362
363 .. _instruction-flags:
364
365 Instruction Flags
366 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
367
368 The flag ``frame-setup`` or ``frame-destroy`` can be specified before the
369 instruction's name:
370
371 .. code-block:: text
372
373     %fp = frame-setup ADDXri %sp, 0, 0
374
375 .. code-block:: text
376
377     %x21, %x20 = frame-destroy LDPXi %sp
378
379 .. _registers:
380
381 Registers
382 ---------
383
384 Registers are one of the key primitives in the machine instructions
385 serialization language. They are primarly used in the
386 :ref:`register machine operands <register-operands>`,
387 but they can also be used in a number of other places, like the
388 :ref:`basic block's live in list <bb-liveins>`.
389
390 The physical registers are identified by their name. They use the following
391 syntax:
392
393 .. code-block:: text
394
395     %<name>
396
397 The example below shows three X86 physical registers:
398
399 .. code-block:: text
400
401     %eax
402     %r15
403     %eflags
404
405 The virtual registers are identified by their ID number. They use the following
406 syntax:
407
408 .. code-block:: text
409
410     %<id>
411
412 Example:
413
414 .. code-block:: text
415
416     %0
417
418 The null registers are represented using an underscore ('``_``'). They can also be
419 represented using a '``%noreg``' named register, although the former syntax
420 is preferred.
421
422 .. _machine-operands:
423
424 Machine Operands
425 ----------------
426
427 There are seventeen different kinds of machine operands, and all of them, except
428 the ``MCSymbol`` operand, can be serialized. The ``MCSymbol`` operands are
429 just printed out - they can't be parsed back yet.
430
431 Immediate Operands
432 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
433
434 The immediate machine operands are untyped, 64-bit signed integers. The
435 example below shows an instance of the X86 ``MOV32ri`` instruction that has an
436 immediate machine operand ``-42``:
437
438 .. code-block:: text
439
440     %eax = MOV32ri -42
441
442 An immediate operand is also used to represent a subregister index when the
443 machine instruction has one of the following opcodes:
444
445 - ``EXTRACT_SUBREG``
446
447 - ``INSERT_SUBREG``
448
449 - ``REG_SEQUENCE``
450
451 - ``SUBREG_TO_REG``
452
453 In case this is true, the Machine Operand is printed according to the target.
454
455 For example:
456
457 In AArch64RegisterInfo.td:
458
459 .. code-block:: text
460
461   def sub_32 : SubRegIndex<32>;
462
463 If the third operand is an immediate with the value ``15`` (target-dependent
464 value), based on the instruction's opcode and the operand's index the operand
465 will be printed as ``%subreg.sub_32``:
466
467 .. code-block:: text
468
469     %1:gpr64 = SUBREG_TO_REG 0, %0, %subreg.sub_32
470
471 For integers > 64bit, we use a special machine operand, ``MO_CImmediate``,
472 which stores the immediate in a ``ConstantInt`` using an ``APInt`` (LLVM's
473 arbitrary precision integers).
474
475 .. TODO: Describe the FPIMM immediate operands.
476
477 .. _register-operands:
478
479 Register Operands
480 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
481
482 The :ref:`register <registers>` primitive is used to represent the register
483 machine operands. The register operands can also have optional
484 :ref:`register flags <register-flags>`,
485 :ref:`a subregister index <subregister-indices>`,
486 and a reference to the tied register operand.
487 The full syntax of a register operand is shown below:
488
489 .. code-block:: text
490
491     [<flags>] <register> [ :<subregister-idx-name> ] [ (tied-def <tied-op>) ]
492
493 This example shows an instance of the X86 ``XOR32rr`` instruction that has
494 5 register operands with different register flags:
495
496 .. code-block:: text
497
498   dead %eax = XOR32rr undef %eax, undef %eax, implicit-def dead %eflags, implicit-def %al
499
500 .. _register-flags:
501
502 Register Flags
503 ~~~~~~~~~~~~~~
504
505 The table below shows all of the possible register flags along with the
506 corresponding internal ``llvm::RegState`` representation:
507
508 .. list-table::
509    :header-rows: 1
510
511    * - Flag
512      - Internal Value
513
514    * - ``implicit``
515      - ``RegState::Implicit``
516
517    * - ``implicit-def``
518      - ``RegState::ImplicitDefine``
519
520    * - ``def``
521      - ``RegState::Define``
522
523    * - ``dead``
524      - ``RegState::Dead``
525
526    * - ``killed``
527      - ``RegState::Kill``
528
529    * - ``undef``
530      - ``RegState::Undef``
531
532    * - ``internal``
533      - ``RegState::InternalRead``
534
535    * - ``early-clobber``
536      - ``RegState::EarlyClobber``
537
538    * - ``debug-use``
539      - ``RegState::Debug``
540
541    * - ``renamable``
542      - ``RegState::Renamable``
543
544 .. _subregister-indices:
545
546 Subregister Indices
547 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
548
549 The register machine operands can reference a portion of a register by using
550 the subregister indices. The example below shows an instance of the ``COPY``
551 pseudo instruction that uses the X86 ``sub_8bit`` subregister index to copy 8
552 lower bits from the 32-bit virtual register 0 to the 8-bit virtual register 1:
553
554 .. code-block:: text
555
556     %1 = COPY %0:sub_8bit
557
558 The names of the subregister indices are target specific, and are typically
559 defined in the target's ``*RegisterInfo.td`` file.
560
561 Constant Pool Indices
562 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
563
564 A constant pool index (CPI) operand is printed using its index in the
565 function's ``MachineConstantPool`` and an offset.
566
567 For example, a CPI with the index 1 and offset 8:
568
569 .. code-block:: text
570
571     %1:gr64 = MOV64ri %const.1 + 8
572
573 For a CPI with the index 0 and offset -12:
574
575 .. code-block:: text
576
577     %1:gr64 = MOV64ri %const.0 - 12
578
579 A constant pool entry is bound to a LLVM IR ``Constant`` or a target-specific
580 ``MachineConstantPoolValue``. When serializing all the function's constants the
581 following format is used:
582
583 .. code-block:: text
584
585     constants:
586       - id:               <index>
587         value:            <value>
588         alignment:        <alignment>
589         isTargetSpecific: <target-specific>
590
591 where ``<index>`` is a 32-bit unsigned integer, ``<value>`` is a `LLVM IR Constant
592 <https://www.llvm.org/docs/LangRef.html#constants>`_, alignment is a 32-bit
593 unsigned integer, and ``<target-specific>`` is either true or false.
594
595 Example:
596
597 .. code-block:: text
598
599     constants:
600       - id:               0
601         value:            'double 3.250000e+00'
602         alignment:        8
603       - id:               1
604         value:            'g-(LPC0+8)'
605         alignment:        4
606         isTargetSpecific: true
607
608 Global Value Operands
609 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
610
611 The global value machine operands reference the global values from the
612 :ref:`embedded LLVM IR module <embedded-module>`.
613 The example below shows an instance of the X86 ``MOV64rm`` instruction that has
614 a global value operand named ``G``:
615
616 .. code-block:: text
617
618     %rax = MOV64rm %rip, 1, _, @G, _
619
620 The named global values are represented using an identifier with the '@' prefix.
621 If the identifier doesn't match the regular expression
622 `[-a-zA-Z$._][-a-zA-Z$._0-9]*`, then this identifier must be quoted.
623
624 The unnamed global values are represented using an unsigned numeric value with
625 the '@' prefix, like in the following examples: ``@0``, ``@989``.
626
627 Target-dependent Index Operands
628 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
629
630 A target index operand is a target-specific index and an offset. The
631 target-specific index is printed using target-specific names and a positive or
632 negative offset.
633
634 For example, the ``amdgpu-constdata-start`` is associated with the index ``0``
635 in the AMDGPU backend. So if we have a target index operand with the index 0
636 and the offset 8:
637
638 .. code-block:: text
639
640     %sgpr2 = S_ADD_U32 _, target-index(amdgpu-constdata-start) + 8, implicit-def _, implicit-def _
641
642 Jump-table Index Operands
643 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
644
645 A jump-table index operand with the index 0 is printed as following:
646
647 .. code-block:: text
648
649     tBR_JTr killed %r0, %jump-table.0
650
651 A machine jump-table entry contains a list of ``MachineBasicBlocks``. When serializing all the function's jump-table entries, the following format is used:
652
653 .. code-block:: text
654
655     jumpTable:
656       kind:             <kind>
657       entries:
658         - id:             <index>
659           blocks:         [ <bbreference>, <bbreference>, ... ]
660
661 where ``<kind>`` is describing how the jump table is represented and emitted (plain address, relocations, PIC, etc.), and each ``<index>`` is a 32-bit unsigned integer and ``blocks`` contains a list of :ref:`machine basic block references <block-references>`.
662
663 Example:
664
665 .. code-block:: text
666
667     jumpTable:
668       kind:             inline
669       entries:
670         - id:             0
671           blocks:         [ '%bb.3', '%bb.9', '%bb.4.d3' ]
672         - id:             1
673           blocks:         [ '%bb.7', '%bb.7', '%bb.4.d3', '%bb.5' ]
674
675 External Symbol Operands
676 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
677
678 An external symbol operand is represented using an identifier with the ``$``
679 prefix. The identifier is surrounded with ""'s and escaped if it has any
680 special non-printable characters in it.
681
682 Example:
683
684 .. code-block:: text
685
686     CALL64pcrel32 $__stack_chk_fail, csr_64, implicit %rsp, implicit-def %rsp
687
688 MCSymbol Operands
689 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
690
691 A MCSymbol operand is holding a pointer to a ``MCSymbol``. For the limitations
692 of this operand in MIR, see :ref:`limitations <limitations>`.
693
694 The syntax is:
695
696 .. code-block:: text
697
698     EH_LABEL <mcsymbol Ltmp1>
699
700 CFIIndex Operands
701 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
702
703 A CFI Index operand is holding an index into a per-function side-table,
704 ``MachineFunction::getFrameInstructions()``, which references all the frame
705 instructions in a ``MachineFunction``. A ``CFI_INSTRUCTION`` may look like it
706 contains multiple operands, but the only operand it contains is the CFI Index.
707 The other operands are tracked by the ``MCCFIInstruction`` object.
708
709 The syntax is:
710
711 .. code-block:: text
712
713     CFI_INSTRUCTION offset %w30, -16
714
715 which may be emitted later in the MC layer as:
716
717 .. code-block:: text
718
719     .cfi_offset w30, -16
720
721 IntrinsicID Operands
722 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
723
724 An Intrinsic ID operand contains a generic intrinsic ID or a target-specific ID.
725
726 The syntax for the ``returnaddress`` intrinsic is:
727
728 .. code-block:: text
729
730    %x0 = COPY intrinsic(@llvm.returnaddress)
731
732 Predicate Operands
733 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
734
735 A Predicate operand contains an IR predicate from ``CmpInst::Predicate``, like
736 ``ICMP_EQ``, etc.
737
738 For an int eq predicate ``ICMP_EQ``, the syntax is:
739
740 .. code-block:: text
741
742    %2:gpr(s32) = G_ICMP intpred(eq), %0, %1
743
744 .. TODO: Describe the parsers default behaviour when optional YAML attributes
745    are missing.
746 .. TODO: Describe the syntax for the bundled instructions.
747 .. TODO: Describe the syntax for virtual register YAML definitions.
748 .. TODO: Describe the machine function's YAML flag attributes.
749 .. TODO: Describe the syntax for the register mask machine operands.
750 .. TODO: Describe the frame information YAML mapping.
751 .. TODO: Describe the syntax of the stack object machine operands and their
752    YAML definitions.
753 .. TODO: Describe the syntax of the block address machine operands.
754 .. TODO: Describe the syntax of the metadata machine operands, and the
755    instructions debug location attribute.
756 .. TODO: Describe the syntax of the register live out machine operands.
757 .. TODO: Describe the syntax of the machine memory operands.