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[android-x86/external-llvm.git] / docs / WritingAnLLVMBackend.rst
1 =======================
2 Writing an LLVM Backend
3 =======================
4
5 .. toctree::
6    :hidden:
7
8    HowToUseInstrMappings
9
10 .. contents::
11    :local:
12
13 Introduction
14 ============
15
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).
20
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.
25
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.
32
33 Audience
34 --------
35
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.
38
39 Prerequisite Reading
40 --------------------
41
42 These essential documents must be read before reading this document:
43
44 * `LLVM Language Reference Manual <LangRef.html>`_ --- a reference manual for
45   the LLVM assembly language.
46
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.
53
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.
59
60 * :doc:`WritingAnLLVMPass` --- The assembly printer is a ``FunctionPass``, as
61   are several ``SelectionDAG`` processing steps.
62
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.
71
72 Basic Steps
73 -----------
74
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:
77
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.
84
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.
91
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.
97
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.
107
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``.
113
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.
118
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.
121
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.
125
126 Preliminaries
127 -------------
128
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.
133
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``.
137
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).
145
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``.
149
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``.)
157
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.
161
162 Once your target is stable, you can add it to the ``LLVM_ALL_TARGETS`` variable
163 located in the main ``CMakeLists.txt``.
164
165 Target Machine
166 ==============
167
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.
175
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``.
181
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.
189
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.
193
194 .. code-block:: c++
195
196   namespace llvm {
197
198   class Module;
199
200   class SparcTargetMachine : public LLVMTargetMachine {
201     const DataLayout DataLayout;       // Calculates type size & alignment
202     SparcSubtarget Subtarget;
203     SparcInstrInfo InstrInfo;
204     TargetFrameInfo FrameInfo;
205
206   protected:
207     virtual const TargetAsmInfo *createTargetAsmInfo() const;
208
209   public:
210     SparcTargetMachine(const Module &M, const std::string &FS);
211
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; }
219     static unsigned getModuleMatchQuality(const Module &M);
220
221     // Pass Pipeline Configuration
222     virtual bool addInstSelector(PassManagerBase &PM, bool Fast);
223     virtual bool addPreEmitPass(PassManagerBase &PM, bool Fast);
224   };
225
226   } // end namespace llvm
227
228 * ``getInstrInfo()``
229 * ``getRegisterInfo()``
230 * ``getFrameInfo()``
231 * ``getDataLayout()``
232 * ``getSubtargetImpl()``
233
234 For some targets, you also need to support the following methods:
235
236 * ``getTargetLowering()``
237 * ``getJITInfo()``
238
239 Some architectures, such as GPUs, do not support jumping to an arbitrary
240 program location and implement branching using masked execution and loop using
241 special instructions around the loop body. In order to avoid CFG modifications
242 that introduce irreducible control flow not handled by such hardware, a target
243 must call `setRequiresStructuredCFG(true)` when being initialized.
244
245 In addition, the ``XXXTargetMachine`` constructor should specify a
246 ``TargetDescription`` string that determines the data layout for the target
247 machine, including characteristics such as pointer size, alignment, and
248 endianness.  For example, the constructor for ``SparcTargetMachine`` contains
249 the following:
250
251 .. code-block:: c++
252
253   SparcTargetMachine::SparcTargetMachine(const Module &M, const std::string &FS)
254     : DataLayout("E-p:32:32-f128:128:128"),
255       Subtarget(M, FS), InstrInfo(Subtarget),
256       FrameInfo(TargetFrameInfo::StackGrowsDown, 8, 0) {
257   }
258
259 Hyphens separate portions of the ``TargetDescription`` string.
260
261 * An upper-case "``E``" in the string indicates a big-endian target data model.
262   A lower-case "``e``" indicates little-endian.
263
264 * "``p:``" is followed by pointer information: size, ABI alignment, and
265   preferred alignment.  If only two figures follow "``p:``", then the first
266   value is pointer size, and the second value is both ABI and preferred
267   alignment.
268
269 * Then a letter for numeric type alignment: "``i``", "``f``", "``v``", or
270   "``a``" (corresponding to integer, floating point, vector, or aggregate).
271   "``i``", "``v``", or "``a``" are followed by ABI alignment and preferred
272   alignment. "``f``" is followed by three values: the first indicates the size
273   of a long double, then ABI alignment, and then ABI preferred alignment.
274
275 Target Registration
276 ===================
277
278 You must also register your target with the ``TargetRegistry``, which is what
279 other LLVM tools use to be able to lookup and use your target at runtime.  The
280 ``TargetRegistry`` can be used directly, but for most targets there are helper
281 templates which should take care of the work for you.
282
283 All targets should declare a global ``Target`` object which is used to
284 represent the target during registration.  Then, in the target's ``TargetInfo``
285 library, the target should define that object and use the ``RegisterTarget``
286 template to register the target.  For example, the Sparc registration code
287 looks like this:
288
289 .. code-block:: c++
290
291   Target llvm::getTheSparcTarget();
292
293   extern "C" void LLVMInitializeSparcTargetInfo() {
294     RegisterTarget<Triple::sparc, /*HasJIT=*/false>
295       X(getTheSparcTarget(), "sparc", "Sparc");
296   }
297
298 This allows the ``TargetRegistry`` to look up the target by name or by target
299 triple.  In addition, most targets will also register additional features which
300 are available in separate libraries.  These registration steps are separate,
301 because some clients may wish to only link in some parts of the target --- the
302 JIT code generator does not require the use of the assembler printer, for
303 example.  Here is an example of registering the Sparc assembly printer:
304
305 .. code-block:: c++
306
307   extern "C" void LLVMInitializeSparcAsmPrinter() {
308     RegisterAsmPrinter<SparcAsmPrinter> X(getTheSparcTarget());
309   }
310
311 For more information, see "`llvm/Target/TargetRegistry.h
312 </doxygen/TargetRegistry_8h-source.html>`_".
313
314 Register Set and Register Classes
315 =================================
316
317 You should describe a concrete target-specific class that represents the
318 register file of a target machine.  This class is called ``XXXRegisterInfo``
319 (where ``XXX`` identifies the target) and represents the class register file
320 data that is used for register allocation.  It also describes the interactions
321 between registers.
322
323 You also need to define register classes to categorize related registers.  A
324 register class should be added for groups of registers that are all treated the
325 same way for some instruction.  Typical examples are register classes for
326 integer, floating-point, or vector registers.  A register allocator allows an
327 instruction to use any register in a specified register class to perform the
328 instruction in a similar manner.  Register classes allocate virtual registers
329 to instructions from these sets, and register classes let the
330 target-independent register allocator automatically choose the actual
331 registers.
332
333 Much of the code for registers, including register definition, register
334 aliases, and register classes, is generated by TableGen from
335 ``XXXRegisterInfo.td`` input files and placed in ``XXXGenRegisterInfo.h.inc``
336 and ``XXXGenRegisterInfo.inc`` output files.  Some of the code in the
337 implementation of ``XXXRegisterInfo`` requires hand-coding.
338
339 Defining a Register
340 -------------------
341
342 The ``XXXRegisterInfo.td`` file typically starts with register definitions for
343 a target machine.  The ``Register`` class (specified in ``Target.td``) is used
344 to define an object for each register.  The specified string ``n`` becomes the
345 ``Name`` of the register.  The basic ``Register`` object does not have any
346 subregisters and does not specify any aliases.
347
348 .. code-block:: text
349
350   class Register<string n> {
351     string Namespace = "";
352     string AsmName = n;
353     string Name = n;
354     int SpillSize = 0;
355     int SpillAlignment = 0;
356     list<Register> Aliases = [];
357     list<Register> SubRegs = [];
358     list<int> DwarfNumbers = [];
359   }
360
361 For example, in the ``X86RegisterInfo.td`` file, there are register definitions
362 that utilize the ``Register`` class, such as:
363
364 .. code-block:: text
365
366   def AL : Register<"AL">, DwarfRegNum<[0, 0, 0]>;
367
368 This defines the register ``AL`` and assigns it values (with ``DwarfRegNum``)
369 that are used by ``gcc``, ``gdb``, or a debug information writer to identify a
370 register.  For register ``AL``, ``DwarfRegNum`` takes an array of 3 values
371 representing 3 different modes: the first element is for X86-64, the second for
372 exception handling (EH) on X86-32, and the third is generic. -1 is a special
373 Dwarf number that indicates the gcc number is undefined, and -2 indicates the
374 register number is invalid for this mode.
375
376 From the previously described line in the ``X86RegisterInfo.td`` file, TableGen
377 generates this code in the ``X86GenRegisterInfo.inc`` file:
378
379 .. code-block:: c++
380
381   static const unsigned GR8[] = { X86::AL, ... };
382
383   const unsigned AL_AliasSet[] = { X86::AX, X86::EAX, X86::RAX, 0 };
384
385   const TargetRegisterDesc RegisterDescriptors[] = {
386     ...
387   { "AL", "AL", AL_AliasSet, Empty_SubRegsSet, Empty_SubRegsSet, AL_SuperRegsSet }, ...
388
389 From the register info file, TableGen generates a ``TargetRegisterDesc`` object
390 for each register.  ``TargetRegisterDesc`` is defined in
391 ``include/llvm/Target/TargetRegisterInfo.h`` with the following fields:
392
393 .. code-block:: c++
394
395   struct TargetRegisterDesc {
396     const char     *AsmName;      // Assembly language name for the register
397     const char     *Name;         // Printable name for the reg (for debugging)
398     const unsigned *AliasSet;     // Register Alias Set
399     const unsigned *SubRegs;      // Sub-register set
400     const unsigned *ImmSubRegs;   // Immediate sub-register set
401     const unsigned *SuperRegs;    // Super-register set
402   };
403
404 TableGen uses the entire target description file (``.td``) to determine text
405 names for the register (in the ``AsmName`` and ``Name`` fields of
406 ``TargetRegisterDesc``) and the relationships of other registers to the defined
407 register (in the other ``TargetRegisterDesc`` fields).  In this example, other
408 definitions establish the registers "``AX``", "``EAX``", and "``RAX``" as
409 aliases for one another, so TableGen generates a null-terminated array
410 (``AL_AliasSet``) for this register alias set.
411
412 The ``Register`` class is commonly used as a base class for more complex
413 classes.  In ``Target.td``, the ``Register`` class is the base for the
414 ``RegisterWithSubRegs`` class that is used to define registers that need to
415 specify subregisters in the ``SubRegs`` list, as shown here:
416
417 .. code-block:: text
418
419   class RegisterWithSubRegs<string n, list<Register> subregs> : Register<n> {
420     let SubRegs = subregs;
421   }
422
423 In ``SparcRegisterInfo.td``, additional register classes are defined for SPARC:
424 a ``Register`` subclass, ``SparcReg``, and further subclasses: ``Ri``, ``Rf``,
425 and ``Rd``.  SPARC registers are identified by 5-bit ID numbers, which is a
426 feature common to these subclasses.  Note the use of "``let``" expressions to
427 override values that are initially defined in a superclass (such as ``SubRegs``
428 field in the ``Rd`` class).
429
430 .. code-block:: text
431
432   class SparcReg<string n> : Register<n> {
433     field bits<5> Num;
434     let Namespace = "SP";
435   }
436   // Ri - 32-bit integer registers
437   class Ri<bits<5> num, string n> :
438   SparcReg<n> {
439     let Num = num;
440   }
441   // Rf - 32-bit floating-point registers
442   class Rf<bits<5> num, string n> :
443   SparcReg<n> {
444     let Num = num;
445   }
446   // Rd - Slots in the FP register file for 64-bit floating-point values.
447   class Rd<bits<5> num, string n, list<Register> subregs> : SparcReg<n> {
448     let Num = num;
449     let SubRegs = subregs;
450   }
451
452 In the ``SparcRegisterInfo.td`` file, there are register definitions that
453 utilize these subclasses of ``Register``, such as:
454
455 .. code-block:: text
456
457   def G0 : Ri< 0, "G0">, DwarfRegNum<[0]>;
458   def G1 : Ri< 1, "G1">, DwarfRegNum<[1]>;
459   ...
460   def F0 : Rf< 0, "F0">, DwarfRegNum<[32]>;
461   def F1 : Rf< 1, "F1">, DwarfRegNum<[33]>;
462   ...
463   def D0 : Rd< 0, "F0", [F0, F1]>, DwarfRegNum<[32]>;
464   def D1 : Rd< 2, "F2", [F2, F3]>, DwarfRegNum<[34]>;
465
466 The last two registers shown above (``D0`` and ``D1``) are double-precision
467 floating-point registers that are aliases for pairs of single-precision
468 floating-point sub-registers.  In addition to aliases, the sub-register and
469 super-register relationships of the defined register are in fields of a
470 register's ``TargetRegisterDesc``.
471
472 Defining a Register Class
473 -------------------------
474
475 The ``RegisterClass`` class (specified in ``Target.td``) is used to define an
476 object that represents a group of related registers and also defines the
477 default allocation order of the registers.  A target description file
478 ``XXXRegisterInfo.td`` that uses ``Target.td`` can construct register classes
479 using the following class:
480
481 .. code-block:: text
482
483   class RegisterClass<string namespace,
484   list<ValueType> regTypes, int alignment, dag regList> {
485     string Namespace = namespace;
486     list<ValueType> RegTypes = regTypes;
487     int Size = 0;  // spill size, in bits; zero lets tblgen pick the size
488     int Alignment = alignment;
489
490     // CopyCost is the cost of copying a value between two registers
491     // default value 1 means a single instruction
492     // A negative value means copying is extremely expensive or impossible
493     int CopyCost = 1;
494     dag MemberList = regList;
495
496     // for register classes that are subregisters of this class
497     list<RegisterClass> SubRegClassList = [];
498
499     code MethodProtos = [{}];  // to insert arbitrary code
500     code MethodBodies = [{}];
501   }
502
503 To define a ``RegisterClass``, use the following 4 arguments:
504
505 * The first argument of the definition is the name of the namespace.
506
507 * The second argument is a list of ``ValueType`` register type values that are
508   defined in ``include/llvm/CodeGen/ValueTypes.td``.  Defined values include
509   integer types (such as ``i16``, ``i32``, and ``i1`` for Boolean),
510   floating-point types (``f32``, ``f64``), and vector types (for example,
511   ``v8i16`` for an ``8 x i16`` vector).  All registers in a ``RegisterClass``
512   must have the same ``ValueType``, but some registers may store vector data in
513   different configurations.  For example a register that can process a 128-bit
514   vector may be able to handle 16 8-bit integer elements, 8 16-bit integers, 4
515   32-bit integers, and so on.
516
517 * The third argument of the ``RegisterClass`` definition specifies the
518   alignment required of the registers when they are stored or loaded to
519   memory.
520
521 * The final argument, ``regList``, specifies which registers are in this class.
522   If an alternative allocation order method is not specified, then ``regList``
523   also defines the order of allocation used by the register allocator.  Besides
524   simply listing registers with ``(add R0, R1, ...)``, more advanced set
525   operators are available.  See ``include/llvm/Target/Target.td`` for more
526   information.
527
528 In ``SparcRegisterInfo.td``, three ``RegisterClass`` objects are defined:
529 ``FPRegs``, ``DFPRegs``, and ``IntRegs``.  For all three register classes, the
530 first argument defines the namespace with the string "``SP``".  ``FPRegs``
531 defines a group of 32 single-precision floating-point registers (``F0`` to
532 ``F31``); ``DFPRegs`` defines a group of 16 double-precision registers
533 (``D0-D15``).
534
535 .. code-block:: text
536
537   // F0, F1, F2, ..., F31
538   def FPRegs : RegisterClass<"SP", [f32], 32, (sequence "F%u", 0, 31)>;
539
540   def DFPRegs : RegisterClass<"SP", [f64], 64,
541                               (add D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8,
542                                    D9, D10, D11, D12, D13, D14, D15)>;
543
544   def IntRegs : RegisterClass<"SP", [i32], 32,
545       (add L0, L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7,
546            I0, I1, I2, I3, I4, I5,
547            O0, O1, O2, O3, O4, O5, O7,
548            G1,
549            // Non-allocatable regs:
550            G2, G3, G4,
551            O6,        // stack ptr
552            I6,        // frame ptr
553            I7,        // return address
554            G0,        // constant zero
555            G5, G6, G7 // reserved for kernel
556       )>;
557
558 Using ``SparcRegisterInfo.td`` with TableGen generates several output files
559 that are intended for inclusion in other source code that you write.
560 ``SparcRegisterInfo.td`` generates ``SparcGenRegisterInfo.h.inc``, which should
561 be included in the header file for the implementation of the SPARC register
562 implementation that you write (``SparcRegisterInfo.h``).  In
563 ``SparcGenRegisterInfo.h.inc`` a new structure is defined called
564 ``SparcGenRegisterInfo`` that uses ``TargetRegisterInfo`` as its base.  It also
565 specifies types, based upon the defined register classes: ``DFPRegsClass``,
566 ``FPRegsClass``, and ``IntRegsClass``.
567
568 ``SparcRegisterInfo.td`` also generates ``SparcGenRegisterInfo.inc``, which is
569 included at the bottom of ``SparcRegisterInfo.cpp``, the SPARC register
570 implementation.  The code below shows only the generated integer registers and
571 associated register classes.  The order of registers in ``IntRegs`` reflects
572 the order in the definition of ``IntRegs`` in the target description file.
573
574 .. code-block:: c++
575
576   // IntRegs Register Class...
577   static const unsigned IntRegs[] = {
578     SP::L0, SP::L1, SP::L2, SP::L3, SP::L4, SP::L5,
579     SP::L6, SP::L7, SP::I0, SP::I1, SP::I2, SP::I3,
580     SP::I4, SP::I5, SP::O0, SP::O1, SP::O2, SP::O3,
581     SP::O4, SP::O5, SP::O7, SP::G1, SP::G2, SP::G3,
582     SP::G4, SP::O6, SP::I6, SP::I7, SP::G0, SP::G5,
583     SP::G6, SP::G7,
584   };
585
586   // IntRegsVTs Register Class Value Types...
587   static const MVT::ValueType IntRegsVTs[] = {
588     MVT::i32, MVT::Other
589   };
590
591   namespace SP {   // Register class instances
592     DFPRegsClass    DFPRegsRegClass;
593     FPRegsClass     FPRegsRegClass;
594     IntRegsClass    IntRegsRegClass;
595   ...
596     // IntRegs Sub-register Classes...
597     static const TargetRegisterClass* const IntRegsSubRegClasses [] = {
598       NULL
599     };
600   ...
601     // IntRegs Super-register Classes..
602     static const TargetRegisterClass* const IntRegsSuperRegClasses [] = {
603       NULL
604     };
605   ...
606     // IntRegs Register Class sub-classes...
607     static const TargetRegisterClass* const IntRegsSubclasses [] = {
608       NULL
609     };
610   ...
611     // IntRegs Register Class super-classes...
612     static const TargetRegisterClass* const IntRegsSuperclasses [] = {
613       NULL
614     };
615
616     IntRegsClass::IntRegsClass() : TargetRegisterClass(IntRegsRegClassID,
617       IntRegsVTs, IntRegsSubclasses, IntRegsSuperclasses, IntRegsSubRegClasses,
618       IntRegsSuperRegClasses, 4, 4, 1, IntRegs, IntRegs + 32) {}
619   }
620
621 The register allocators will avoid using reserved registers, and callee saved
622 registers are not used until all the volatile registers have been used.  That
623 is usually good enough, but in some cases it may be necessary to provide custom
624 allocation orders.
625
626 Implement a subclass of ``TargetRegisterInfo``
627 ----------------------------------------------
628
629 The final step is to hand code portions of ``XXXRegisterInfo``, which
630 implements the interface described in ``TargetRegisterInfo.h`` (see
631 :ref:`TargetRegisterInfo`).  These functions return ``0``, ``NULL``, or
632 ``false``, unless overridden.  Here is a list of functions that are overridden
633 for the SPARC implementation in ``SparcRegisterInfo.cpp``:
634
635 * ``getCalleeSavedRegs`` --- Returns a list of callee-saved registers in the
636   order of the desired callee-save stack frame offset.
637
638 * ``getReservedRegs`` --- Returns a bitset indexed by physical register
639   numbers, indicating if a particular register is unavailable.
640
641 * ``hasFP`` --- Return a Boolean indicating if a function should have a
642   dedicated frame pointer register.
643
644 * ``eliminateCallFramePseudoInstr`` --- If call frame setup or destroy pseudo
645   instructions are used, this can be called to eliminate them.
646
647 * ``eliminateFrameIndex`` --- Eliminate abstract frame indices from
648   instructions that may use them.
649
650 * ``emitPrologue`` --- Insert prologue code into the function.
651
652 * ``emitEpilogue`` --- Insert epilogue code into the function.
653
654 .. _instruction-set:
655
656 Instruction Set
657 ===============
658
659 During the early stages of code generation, the LLVM IR code is converted to a
660 ``SelectionDAG`` with nodes that are instances of the ``SDNode`` class
661 containing target instructions.  An ``SDNode`` has an opcode, operands, type
662 requirements, and operation properties.  For example, is an operation
663 commutative, does an operation load from memory.  The various operation node
664 types are described in the ``include/llvm/CodeGen/SelectionDAGNodes.h`` file
665 (values of the ``NodeType`` enum in the ``ISD`` namespace).
666
667 TableGen uses the following target description (``.td``) input files to
668 generate much of the code for instruction definition:
669
670 * ``Target.td`` --- Where the ``Instruction``, ``Operand``, ``InstrInfo``, and
671   other fundamental classes are defined.
672
673 * ``TargetSelectionDAG.td`` --- Used by ``SelectionDAG`` instruction selection
674   generators, contains ``SDTC*`` classes (selection DAG type constraint),
675   definitions of ``SelectionDAG`` nodes (such as ``imm``, ``cond``, ``bb``,
676   ``add``, ``fadd``, ``sub``), and pattern support (``Pattern``, ``Pat``,
677   ``PatFrag``, ``PatLeaf``, ``ComplexPattern``.
678
679 * ``XXXInstrFormats.td`` --- Patterns for definitions of target-specific
680   instructions.
681
682 * ``XXXInstrInfo.td`` --- Target-specific definitions of instruction templates,
683   condition codes, and instructions of an instruction set.  For architecture
684   modifications, a different file name may be used.  For example, for Pentium
685   with SSE instruction, this file is ``X86InstrSSE.td``, and for Pentium with
686   MMX, this file is ``X86InstrMMX.td``.
687
688 There is also a target-specific ``XXX.td`` file, where ``XXX`` is the name of
689 the target.  The ``XXX.td`` file includes the other ``.td`` input files, but
690 its contents are only directly important for subtargets.
691
692 You should describe a concrete target-specific class ``XXXInstrInfo`` that
693 represents machine instructions supported by a target machine.
694 ``XXXInstrInfo`` contains an array of ``XXXInstrDescriptor`` objects, each of
695 which describes one instruction.  An instruction descriptor defines:
696
697 * Opcode mnemonic
698 * Number of operands
699 * List of implicit register definitions and uses
700 * Target-independent properties (such as memory access, is commutable)
701 * Target-specific flags
702
703 The Instruction class (defined in ``Target.td``) is mostly used as a base for
704 more complex instruction classes.
705
706 .. code-block:: text
707
708   class Instruction {
709     string Namespace = "";
710     dag OutOperandList;    // A dag containing the MI def operand list.
711     dag InOperandList;     // A dag containing the MI use operand list.
712     string AsmString = ""; // The .s format to print the instruction with.
713     list<dag> Pattern;     // Set to the DAG pattern for this instruction.
714     list<Register> Uses = [];
715     list<Register> Defs = [];
716     list<Predicate> Predicates = [];  // predicates turned into isel match code
717     ... remainder not shown for space ...
718   }
719
720 A ``SelectionDAG`` node (``SDNode``) should contain an object representing a
721 target-specific instruction that is defined in ``XXXInstrInfo.td``.  The
722 instruction objects should represent instructions from the architecture manual
723 of the target machine (such as the SPARC Architecture Manual for the SPARC
724 target).
725
726 A single instruction from the architecture manual is often modeled as multiple
727 target instructions, depending upon its operands.  For example, a manual might
728 describe an add instruction that takes a register or an immediate operand.  An
729 LLVM target could model this with two instructions named ``ADDri`` and
730 ``ADDrr``.
731
732 You should define a class for each instruction category and define each opcode
733 as a subclass of the category with appropriate parameters such as the fixed
734 binary encoding of opcodes and extended opcodes.  You should map the register
735 bits to the bits of the instruction in which they are encoded (for the JIT).
736 Also you should specify how the instruction should be printed when the
737 automatic assembly printer is used.
738
739 As is described in the SPARC Architecture Manual, Version 8, there are three
740 major 32-bit formats for instructions.  Format 1 is only for the ``CALL``
741 instruction.  Format 2 is for branch on condition codes and ``SETHI`` (set high
742 bits of a register) instructions.  Format 3 is for other instructions.
743
744 Each of these formats has corresponding classes in ``SparcInstrFormat.td``.
745 ``InstSP`` is a base class for other instruction classes.  Additional base
746 classes are specified for more precise formats: for example in
747 ``SparcInstrFormat.td``, ``F2_1`` is for ``SETHI``, and ``F2_2`` is for
748 branches.  There are three other base classes: ``F3_1`` for register/register
749 operations, ``F3_2`` for register/immediate operations, and ``F3_3`` for
750 floating-point operations.  ``SparcInstrInfo.td`` also adds the base class
751 ``Pseudo`` for synthetic SPARC instructions.
752
753 ``SparcInstrInfo.td`` largely consists of operand and instruction definitions
754 for the SPARC target.  In ``SparcInstrInfo.td``, the following target
755 description file entry, ``LDrr``, defines the Load Integer instruction for a
756 Word (the ``LD`` SPARC opcode) from a memory address to a register.  The first
757 parameter, the value 3 (``11``\ :sub:`2`), is the operation value for this
758 category of operation.  The second parameter (``000000``\ :sub:`2`) is the
759 specific operation value for ``LD``/Load Word.  The third parameter is the
760 output destination, which is a register operand and defined in the ``Register``
761 target description file (``IntRegs``).
762
763 .. code-block:: text
764
765   def LDrr : F3_1 <3, 0b000000, (outs IntRegs:$dst), (ins MEMrr:$addr),
766                    "ld [$addr], $dst",
767                    [(set i32:$dst, (load ADDRrr:$addr))]>;
768
769 The fourth parameter is the input source, which uses the address operand
770 ``MEMrr`` that is defined earlier in ``SparcInstrInfo.td``:
771
772 .. code-block:: text
773
774   def MEMrr : Operand<i32> {
775     let PrintMethod = "printMemOperand";
776     let MIOperandInfo = (ops IntRegs, IntRegs);
777   }
778
779 The fifth parameter is a string that is used by the assembly printer and can be
780 left as an empty string until the assembly printer interface is implemented.
781 The sixth and final parameter is the pattern used to match the instruction
782 during the SelectionDAG Select Phase described in :doc:`CodeGenerator`.
783 This parameter is detailed in the next section, :ref:`instruction-selector`.
784
785 Instruction class definitions are not overloaded for different operand types,
786 so separate versions of instructions are needed for register, memory, or
787 immediate value operands.  For example, to perform a Load Integer instruction
788 for a Word from an immediate operand to a register, the following instruction
789 class is defined:
790
791 .. code-block:: text
792
793   def LDri : F3_2 <3, 0b000000, (outs IntRegs:$dst), (ins MEMri:$addr),
794                    "ld [$addr], $dst",
795                    [(set i32:$dst, (load ADDRri:$addr))]>;
796
797 Writing these definitions for so many similar instructions can involve a lot of
798 cut and paste.  In ``.td`` files, the ``multiclass`` directive enables the
799 creation of templates to define several instruction classes at once (using the
800 ``defm`` directive).  For example in ``SparcInstrInfo.td``, the ``multiclass``
801 pattern ``F3_12`` is defined to create 2 instruction classes each time
802 ``F3_12`` is invoked:
803
804 .. code-block:: text
805
806   multiclass F3_12 <string OpcStr, bits<6> Op3Val, SDNode OpNode> {
807     def rr  : F3_1 <2, Op3Val,
808                    (outs IntRegs:$dst), (ins IntRegs:$b, IntRegs:$c),
809                    !strconcat(OpcStr, " $b, $c, $dst"),
810                    [(set i32:$dst, (OpNode i32:$b, i32:$c))]>;
811     def ri  : F3_2 <2, Op3Val,
812                    (outs IntRegs:$dst), (ins IntRegs:$b, i32imm:$c),
813                    !strconcat(OpcStr, " $b, $c, $dst"),
814                    [(set i32:$dst, (OpNode i32:$b, simm13:$c))]>;
815   }
816
817 So when the ``defm`` directive is used for the ``XOR`` and ``ADD``
818 instructions, as seen below, it creates four instruction objects: ``XORrr``,
819 ``XORri``, ``ADDrr``, and ``ADDri``.
820
821 .. code-block:: text
822
823   defm XOR   : F3_12<"xor", 0b000011, xor>;
824   defm ADD   : F3_12<"add", 0b000000, add>;
825
826 ``SparcInstrInfo.td`` also includes definitions for condition codes that are
827 referenced by branch instructions.  The following definitions in
828 ``SparcInstrInfo.td`` indicate the bit location of the SPARC condition code.
829 For example, the 10\ :sup:`th` bit represents the "greater than" condition for
830 integers, and the 22\ :sup:`nd` bit represents the "greater than" condition for
831 floats.
832
833 .. code-block:: text
834
835   def ICC_NE  : ICC_VAL< 9>;  // Not Equal
836   def ICC_E   : ICC_VAL< 1>;  // Equal
837   def ICC_G   : ICC_VAL<10>;  // Greater
838   ...
839   def FCC_U   : FCC_VAL<23>;  // Unordered
840   def FCC_G   : FCC_VAL<22>;  // Greater
841   def FCC_UG  : FCC_VAL<21>;  // Unordered or Greater
842   ...
843
844 (Note that ``Sparc.h`` also defines enums that correspond to the same SPARC
845 condition codes.  Care must be taken to ensure the values in ``Sparc.h``
846 correspond to the values in ``SparcInstrInfo.td``.  I.e., ``SPCC::ICC_NE = 9``,
847 ``SPCC::FCC_U = 23`` and so on.)
848
849 Instruction Operand Mapping
850 ---------------------------
851
852 The code generator backend maps instruction operands to fields in the
853 instruction.  Operands are assigned to unbound fields in the instruction in the
854 order they are defined.  Fields are bound when they are assigned a value.  For
855 example, the Sparc target defines the ``XNORrr`` instruction as a ``F3_1``
856 format instruction having three operands.
857
858 .. code-block:: text
859
860   def XNORrr  : F3_1<2, 0b000111,
861                      (outs IntRegs:$dst), (ins IntRegs:$b, IntRegs:$c),
862                      "xnor $b, $c, $dst",
863                      [(set i32:$dst, (not (xor i32:$b, i32:$c)))]>;
864
865 The instruction templates in ``SparcInstrFormats.td`` show the base class for
866 ``F3_1`` is ``InstSP``.
867
868 .. code-block:: text
869
870   class InstSP<dag outs, dag ins, string asmstr, list<dag> pattern> : Instruction {
871     field bits<32> Inst;
872     let Namespace = "SP";
873     bits<2> op;
874     let Inst{31-30} = op;
875     dag OutOperandList = outs;
876     dag InOperandList = ins;
877     let AsmString   = asmstr;
878     let Pattern = pattern;
879   }
880
881 ``InstSP`` leaves the ``op`` field unbound.
882
883 .. code-block:: text
884
885   class F3<dag outs, dag ins, string asmstr, list<dag> pattern>
886       : InstSP<outs, ins, asmstr, pattern> {
887     bits<5> rd;
888     bits<6> op3;
889     bits<5> rs1;
890     let op{1} = 1;   // Op = 2 or 3
891     let Inst{29-25} = rd;
892     let Inst{24-19} = op3;
893     let Inst{18-14} = rs1;
894   }
895
896 ``F3`` binds the ``op`` field and defines the ``rd``, ``op3``, and ``rs1``
897 fields.  ``F3`` format instructions will bind the operands ``rd``, ``op3``, and
898 ``rs1`` fields.
899
900 .. code-block:: text
901
902   class F3_1<bits<2> opVal, bits<6> op3val, dag outs, dag ins,
903              string asmstr, list<dag> pattern> : F3<outs, ins, asmstr, pattern> {
904     bits<8> asi = 0; // asi not currently used
905     bits<5> rs2;
906     let op         = opVal;
907     let op3        = op3val;
908     let Inst{13}   = 0;     // i field = 0
909     let Inst{12-5} = asi;   // address space identifier
910     let Inst{4-0}  = rs2;
911   }
912
913 ``F3_1`` binds the ``op3`` field and defines the ``rs2`` fields.  ``F3_1``
914 format instructions will bind the operands to the ``rd``, ``rs1``, and ``rs2``
915 fields.  This results in the ``XNORrr`` instruction binding ``$dst``, ``$b``,
916 and ``$c`` operands to the ``rd``, ``rs1``, and ``rs2`` fields respectively.
917
918 Instruction Operand Name Mapping
919 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
920
921 TableGen will also generate a function called getNamedOperandIdx() which
922 can be used to look up an operand's index in a MachineInstr based on its
923 TableGen name.  Setting the UseNamedOperandTable bit in an instruction's
924 TableGen definition will add all of its operands to an enumeration in the
925 llvm::XXX:OpName namespace and also add an entry for it into the OperandMap
926 table, which can be queried using getNamedOperandIdx()
927
928 .. code-block:: text
929
930   int DstIndex = SP::getNamedOperandIdx(SP::XNORrr, SP::OpName::dst); // => 0
931   int BIndex = SP::getNamedOperandIdx(SP::XNORrr, SP::OpName::b);     // => 1
932   int CIndex = SP::getNamedOperandIdx(SP::XNORrr, SP::OpName::c);     // => 2
933   int DIndex = SP::getNamedOperandIdx(SP::XNORrr, SP::OpName::d);     // => -1
934
935   ...
936
937 The entries in the OpName enum are taken verbatim from the TableGen definitions,
938 so operands with lowercase names will have lower case entries in the enum.
939
940 To include the getNamedOperandIdx() function in your backend, you will need
941 to define a few preprocessor macros in XXXInstrInfo.cpp and XXXInstrInfo.h.
942 For example:
943
944 XXXInstrInfo.cpp:
945
946 .. code-block:: c++ 
947
948   #define GET_INSTRINFO_NAMED_OPS // For getNamedOperandIdx() function
949   #include "XXXGenInstrInfo.inc"
950
951 XXXInstrInfo.h:
952
953 .. code-block:: c++
954
955   #define GET_INSTRINFO_OPERAND_ENUM // For OpName enum
956   #include "XXXGenInstrInfo.inc"
957
958   namespace XXX {
959     int16_t getNamedOperandIdx(uint16_t Opcode, uint16_t NamedIndex);
960   } // End namespace XXX
961
962 Instruction Operand Types
963 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
964
965 TableGen will also generate an enumeration consisting of all named Operand
966 types defined in the backend, in the llvm::XXX::OpTypes namespace.
967 Some common immediate Operand types (for instance i8, i32, i64, f32, f64)
968 are defined for all targets in ``include/llvm/Target/Target.td``, and are
969 available in each Target's OpTypes enum.  Also, only named Operand types appear
970 in the enumeration: anonymous types are ignored.
971 For example, the X86 backend defines ``brtarget`` and ``brtarget8``, both
972 instances of the TableGen ``Operand`` class, which represent branch target
973 operands:
974
975 .. code-block:: text
976
977   def brtarget : Operand<OtherVT>;
978   def brtarget8 : Operand<OtherVT>;
979
980 This results in:
981
982 .. code-block:: c++
983
984   namespace X86 {
985   namespace OpTypes {
986   enum OperandType {
987     ...
988     brtarget,
989     brtarget8,
990     ...
991     i32imm,
992     i64imm,
993     ...
994     OPERAND_TYPE_LIST_END
995   } // End namespace OpTypes
996   } // End namespace X86
997
998 In typical TableGen fashion, to use the enum, you will need to define a
999 preprocessor macro:
1000
1001 .. code-block:: c++
1002
1003   #define GET_INSTRINFO_OPERAND_TYPES_ENUM // For OpTypes enum
1004   #include "XXXGenInstrInfo.inc"
1005
1006
1007 Instruction Scheduling
1008 ----------------------
1009
1010 Instruction itineraries can be queried using MCDesc::getSchedClass(). The
1011 value can be named by an enumeration in llvm::XXX::Sched namespace generated
1012 by TableGen in XXXGenInstrInfo.inc. The name of the schedule classes are
1013 the same as provided in XXXSchedule.td plus a default NoItinerary class.
1014
1015 The schedule models are generated by TableGen by the SubtargetEmitter,
1016 using the ``CodeGenSchedModels`` class. This is distinct from the itinerary
1017 method of specifying machine resource use.  The tool ``utils/schedcover.py``
1018 can be used to determine which instructions have been covered by the
1019 schedule model description and which haven't. The first step is to use the
1020 instructions below to create an output file. Then run ``schedcover.py`` on the
1021 output file:
1022
1023 .. code-block:: shell
1024
1025   $ <src>/utils/schedcover.py <build>/lib/Target/AArch64/tblGenSubtarget.with
1026   instruction, default, CortexA53Model, CortexA57Model, CycloneModel, ExynosM1Model, FalkorModel, KryoModel, ThunderX2T99Model, ThunderXT8XModel
1027   ABSv16i8, WriteV, , , CyWriteV3, M1WriteNMISC1, FalkorWr_2VXVY_2cyc, KryoWrite_2cyc_XY_XY_150ln, , 
1028   ABSv1i64, WriteV, , , CyWriteV3, M1WriteNMISC1, FalkorWr_1VXVY_2cyc, KryoWrite_2cyc_XY_noRSV_67ln, , 
1029   ...
1030
1031 To capture the debug output from generating a schedule model, change to the
1032 appropriate target directory and use the following command:
1033 command with the ``subtarget-emitter`` debug option:
1034
1035 .. code-block:: shell
1036
1037   $ <build>/bin/llvm-tblgen -debug-only=subtarget-emitter -gen-subtarget \
1038     -I <src>/lib/Target/<target> -I <src>/include \
1039     -I <src>/lib/Target <src>/lib/Target/<target>/<target>.td \
1040     -o <build>/lib/Target/<target>/<target>GenSubtargetInfo.inc.tmp \
1041     > tblGenSubtarget.dbg 2>&1
1042
1043 Where ``<build>`` is the build directory, ``src`` is the source directory,
1044 and ``<target>`` is the name of the target.
1045 To double check that the above command is what is needed, one can capture the
1046 exact TableGen command from a build by using:
1047
1048 .. code-block:: shell
1049
1050   $ VERBOSE=1 make ... 
1051
1052 and search for ``llvm-tblgen`` commands in the output.
1053
1054
1055 Instruction Relation Mapping
1056 ----------------------------
1057
1058 This TableGen feature is used to relate instructions with each other.  It is
1059 particularly useful when you have multiple instruction formats and need to
1060 switch between them after instruction selection.  This entire feature is driven
1061 by relation models which can be defined in ``XXXInstrInfo.td`` files
1062 according to the target-specific instruction set.  Relation models are defined
1063 using ``InstrMapping`` class as a base.  TableGen parses all the models
1064 and generates instruction relation maps using the specified information.
1065 Relation maps are emitted as tables in the ``XXXGenInstrInfo.inc`` file
1066 along with the functions to query them.  For the detailed information on how to
1067 use this feature, please refer to :doc:`HowToUseInstrMappings`.
1068
1069 Implement a subclass of ``TargetInstrInfo``
1070 -------------------------------------------
1071
1072 The final step is to hand code portions of ``XXXInstrInfo``, which implements
1073 the interface described in ``TargetInstrInfo.h`` (see :ref:`TargetInstrInfo`).
1074 These functions return ``0`` or a Boolean or they assert, unless overridden.
1075 Here's a list of functions that are overridden for the SPARC implementation in
1076 ``SparcInstrInfo.cpp``:
1077
1078 * ``isLoadFromStackSlot`` --- If the specified machine instruction is a direct
1079   load from a stack slot, return the register number of the destination and the
1080   ``FrameIndex`` of the stack slot.
1081
1082 * ``isStoreToStackSlot`` --- If the specified machine instruction is a direct
1083   store to a stack slot, return the register number of the destination and the
1084   ``FrameIndex`` of the stack slot.
1085
1086 * ``copyPhysReg`` --- Copy values between a pair of physical registers.
1087
1088 * ``storeRegToStackSlot`` --- Store a register value to a stack slot.
1089
1090 * ``loadRegFromStackSlot`` --- Load a register value from a stack slot.
1091
1092 * ``storeRegToAddr`` --- Store a register value to memory.
1093
1094 * ``loadRegFromAddr`` --- Load a register value from memory.
1095
1096 * ``foldMemoryOperand`` --- Attempt to combine instructions of any load or
1097   store instruction for the specified operand(s).
1098
1099 Branch Folding and If Conversion
1100 --------------------------------
1101
1102 Performance can be improved by combining instructions or by eliminating
1103 instructions that are never reached.  The ``AnalyzeBranch`` method in
1104 ``XXXInstrInfo`` may be implemented to examine conditional instructions and
1105 remove unnecessary instructions.  ``AnalyzeBranch`` looks at the end of a
1106 machine basic block (MBB) for opportunities for improvement, such as branch
1107 folding and if conversion.  The ``BranchFolder`` and ``IfConverter`` machine
1108 function passes (see the source files ``BranchFolding.cpp`` and
1109 ``IfConversion.cpp`` in the ``lib/CodeGen`` directory) call ``AnalyzeBranch``
1110 to improve the control flow graph that represents the instructions.
1111
1112 Several implementations of ``AnalyzeBranch`` (for ARM, Alpha, and X86) can be
1113 examined as models for your own ``AnalyzeBranch`` implementation.  Since SPARC
1114 does not implement a useful ``AnalyzeBranch``, the ARM target implementation is
1115 shown below.
1116
1117 ``AnalyzeBranch`` returns a Boolean value and takes four parameters:
1118
1119 * ``MachineBasicBlock &MBB`` --- The incoming block to be examined.
1120
1121 * ``MachineBasicBlock *&TBB`` --- A destination block that is returned.  For a
1122   conditional branch that evaluates to true, ``TBB`` is the destination.
1123
1124 * ``MachineBasicBlock *&FBB`` --- For a conditional branch that evaluates to
1125   false, ``FBB`` is returned as the destination.
1126
1127 * ``std::vector<MachineOperand> &Cond`` --- List of operands to evaluate a
1128   condition for a conditional branch.
1129
1130 In the simplest case, if a block ends without a branch, then it falls through
1131 to the successor block.  No destination blocks are specified for either ``TBB``
1132 or ``FBB``, so both parameters return ``NULL``.  The start of the
1133 ``AnalyzeBranch`` (see code below for the ARM target) shows the function
1134 parameters and the code for the simplest case.
1135
1136 .. code-block:: c++
1137
1138   bool ARMInstrInfo::AnalyzeBranch(MachineBasicBlock &MBB,
1139                                    MachineBasicBlock *&TBB,
1140                                    MachineBasicBlock *&FBB,
1141                                    std::vector<MachineOperand> &Cond) const
1142   {
1143     MachineBasicBlock::iterator I = MBB.end();
1144     if (I == MBB.begin() || !isUnpredicatedTerminator(--I))
1145       return false;
1146
1147 If a block ends with a single unconditional branch instruction, then
1148 ``AnalyzeBranch`` (shown below) should return the destination of that branch in
1149 the ``TBB`` parameter.
1150
1151 .. code-block:: c++
1152
1153     if (LastOpc == ARM::B || LastOpc == ARM::tB) {
1154       TBB = LastInst->getOperand(0).getMBB();
1155       return false;
1156     }
1157
1158 If a block ends with two unconditional branches, then the second branch is
1159 never reached.  In that situation, as shown below, remove the last branch
1160 instruction and return the penultimate branch in the ``TBB`` parameter.
1161
1162 .. code-block:: c++
1163
1164     if ((SecondLastOpc == ARM::B || SecondLastOpc == ARM::tB) &&
1165         (LastOpc == ARM::B || LastOpc == ARM::tB)) {
1166       TBB = SecondLastInst->getOperand(0).getMBB();
1167       I = LastInst;
1168       I->eraseFromParent();
1169       return false;
1170     }
1171
1172 A block may end with a single conditional branch instruction that falls through
1173 to successor block if the condition evaluates to false.  In that case,
1174 ``AnalyzeBranch`` (shown below) should return the destination of that
1175 conditional branch in the ``TBB`` parameter and a list of operands in the
1176 ``Cond`` parameter to evaluate the condition.
1177
1178 .. code-block:: c++
1179
1180     if (LastOpc == ARM::Bcc || LastOpc == ARM::tBcc) {
1181       // Block ends with fall-through condbranch.
1182       TBB = LastInst->getOperand(0).getMBB();
1183       Cond.push_back(LastInst->getOperand(1));
1184       Cond.push_back(LastInst->getOperand(2));
1185       return false;
1186     }
1187
1188 If a block ends with both a conditional branch and an ensuing unconditional
1189 branch, then ``AnalyzeBranch`` (shown below) should return the conditional
1190 branch destination (assuming it corresponds to a conditional evaluation of
1191 "``true``") in the ``TBB`` parameter and the unconditional branch destination
1192 in the ``FBB`` (corresponding to a conditional evaluation of "``false``").  A
1193 list of operands to evaluate the condition should be returned in the ``Cond``
1194 parameter.
1195
1196 .. code-block:: c++
1197
1198     unsigned SecondLastOpc = SecondLastInst->getOpcode();
1199
1200     if ((SecondLastOpc == ARM::Bcc && LastOpc == ARM::B) ||
1201         (SecondLastOpc == ARM::tBcc && LastOpc == ARM::tB)) {
1202       TBB =  SecondLastInst->getOperand(0).getMBB();
1203       Cond.push_back(SecondLastInst->getOperand(1));
1204       Cond.push_back(SecondLastInst->getOperand(2));
1205       FBB = LastInst->getOperand(0).getMBB();
1206       return false;
1207     }
1208
1209 For the last two cases (ending with a single conditional branch or ending with
1210 one conditional and one unconditional branch), the operands returned in the
1211 ``Cond`` parameter can be passed to methods of other instructions to create new
1212 branches or perform other operations.  An implementation of ``AnalyzeBranch``
1213 requires the helper methods ``RemoveBranch`` and ``InsertBranch`` to manage
1214 subsequent operations.
1215
1216 ``AnalyzeBranch`` should return false indicating success in most circumstances.
1217 ``AnalyzeBranch`` should only return true when the method is stumped about what
1218 to do, for example, if a block has three terminating branches.
1219 ``AnalyzeBranch`` may return true if it encounters a terminator it cannot
1220 handle, such as an indirect branch.
1221
1222 .. _instruction-selector:
1223
1224 Instruction Selector
1225 ====================
1226
1227 LLVM uses a ``SelectionDAG`` to represent LLVM IR instructions, and nodes of
1228 the ``SelectionDAG`` ideally represent native target instructions.  During code
1229 generation, instruction selection passes are performed to convert non-native
1230 DAG instructions into native target-specific instructions.  The pass described
1231 in ``XXXISelDAGToDAG.cpp`` is used to match patterns and perform DAG-to-DAG
1232 instruction selection.  Optionally, a pass may be defined (in
1233 ``XXXBranchSelector.cpp``) to perform similar DAG-to-DAG operations for branch
1234 instructions.  Later, the code in ``XXXISelLowering.cpp`` replaces or removes
1235 operations and data types not supported natively (legalizes) in a
1236 ``SelectionDAG``.
1237
1238 TableGen generates code for instruction selection using the following target
1239 description input files:
1240
1241 * ``XXXInstrInfo.td`` --- Contains definitions of instructions in a
1242   target-specific instruction set, generates ``XXXGenDAGISel.inc``, which is
1243   included in ``XXXISelDAGToDAG.cpp``.
1244
1245 * ``XXXCallingConv.td`` --- Contains the calling and return value conventions
1246   for the target architecture, and it generates ``XXXGenCallingConv.inc``,
1247   which is included in ``XXXISelLowering.cpp``.
1248
1249 The implementation of an instruction selection pass must include a header that
1250 declares the ``FunctionPass`` class or a subclass of ``FunctionPass``.  In
1251 ``XXXTargetMachine.cpp``, a Pass Manager (PM) should add each instruction
1252 selection pass into the queue of passes to run.
1253
1254 The LLVM static compiler (``llc``) is an excellent tool for visualizing the
1255 contents of DAGs.  To display the ``SelectionDAG`` before or after specific
1256 processing phases, use the command line options for ``llc``, described at
1257 :ref:`SelectionDAG-Process`.
1258
1259 To describe instruction selector behavior, you should add patterns for lowering
1260 LLVM code into a ``SelectionDAG`` as the last parameter of the instruction
1261 definitions in ``XXXInstrInfo.td``.  For example, in ``SparcInstrInfo.td``,
1262 this entry defines a register store operation, and the last parameter describes
1263 a pattern with the store DAG operator.
1264
1265 .. code-block:: text
1266
1267   def STrr  : F3_1< 3, 0b000100, (outs), (ins MEMrr:$addr, IntRegs:$src),
1268                    "st $src, [$addr]", [(store i32:$src, ADDRrr:$addr)]>;
1269
1270 ``ADDRrr`` is a memory mode that is also defined in ``SparcInstrInfo.td``:
1271
1272 .. code-block:: text
1273
1274   def ADDRrr : ComplexPattern<i32, 2, "SelectADDRrr", [], []>;
1275
1276 The definition of ``ADDRrr`` refers to ``SelectADDRrr``, which is a function
1277 defined in an implementation of the Instructor Selector (such as
1278 ``SparcISelDAGToDAG.cpp``).
1279
1280 In ``lib/Target/TargetSelectionDAG.td``, the DAG operator for store is defined
1281 below:
1282
1283 .. code-block:: text
1284
1285   def store : PatFrag<(ops node:$val, node:$ptr),
1286                       (st node:$val, node:$ptr), [{
1287     if (StoreSDNode *ST = dyn_cast<StoreSDNode>(N))
1288       return !ST->isTruncatingStore() &&
1289              ST->getAddressingMode() == ISD::UNINDEXED;
1290     return false;
1291   }]>;
1292
1293 ``XXXInstrInfo.td`` also generates (in ``XXXGenDAGISel.inc``) the
1294 ``SelectCode`` method that is used to call the appropriate processing method
1295 for an instruction.  In this example, ``SelectCode`` calls ``Select_ISD_STORE``
1296 for the ``ISD::STORE`` opcode.
1297
1298 .. code-block:: c++
1299
1300   SDNode *SelectCode(SDValue N) {
1301     ...
1302     MVT::ValueType NVT = N.getNode()->getValueType(0);
1303     switch (N.getOpcode()) {
1304     case ISD::STORE: {
1305       switch (NVT) {
1306       default:
1307         return Select_ISD_STORE(N);
1308         break;
1309       }
1310       break;
1311     }
1312     ...
1313
1314 The pattern for ``STrr`` is matched, so elsewhere in ``XXXGenDAGISel.inc``,
1315 code for ``STrr`` is created for ``Select_ISD_STORE``.  The ``Emit_22`` method
1316 is also generated in ``XXXGenDAGISel.inc`` to complete the processing of this
1317 instruction.
1318
1319 .. code-block:: c++
1320
1321   SDNode *Select_ISD_STORE(const SDValue &N) {
1322     SDValue Chain = N.getOperand(0);
1323     if (Predicate_store(N.getNode())) {
1324       SDValue N1 = N.getOperand(1);
1325       SDValue N2 = N.getOperand(2);
1326       SDValue CPTmp0;
1327       SDValue CPTmp1;
1328
1329       // Pattern: (st:void i32:i32:$src,
1330       //           ADDRrr:i32:$addr)<<P:Predicate_store>>
1331       // Emits: (STrr:void ADDRrr:i32:$addr, IntRegs:i32:$src)
1332       // Pattern complexity = 13  cost = 1  size = 0
1333       if (SelectADDRrr(N, N2, CPTmp0, CPTmp1) &&
1334           N1.getNode()->getValueType(0) == MVT::i32 &&
1335           N2.getNode()->getValueType(0) == MVT::i32) {
1336         return Emit_22(N, SP::STrr, CPTmp0, CPTmp1);
1337       }
1338   ...
1339
1340 The SelectionDAG Legalize Phase
1341 -------------------------------
1342
1343 The Legalize phase converts a DAG to use types and operations that are natively
1344 supported by the target.  For natively unsupported types and operations, you
1345 need to add code to the target-specific ``XXXTargetLowering`` implementation to
1346 convert unsupported types and operations to supported ones.
1347
1348 In the constructor for the ``XXXTargetLowering`` class, first use the
1349 ``addRegisterClass`` method to specify which types are supported and which
1350 register classes are associated with them.  The code for the register classes
1351 are generated by TableGen from ``XXXRegisterInfo.td`` and placed in
1352 ``XXXGenRegisterInfo.h.inc``.  For example, the implementation of the
1353 constructor for the SparcTargetLowering class (in ``SparcISelLowering.cpp``)
1354 starts with the following code:
1355
1356 .. code-block:: c++
1357
1358   addRegisterClass(MVT::i32, SP::IntRegsRegisterClass);
1359   addRegisterClass(MVT::f32, SP::FPRegsRegisterClass);
1360   addRegisterClass(MVT::f64, SP::DFPRegsRegisterClass);
1361
1362 You should examine the node types in the ``ISD`` namespace
1363 (``include/llvm/CodeGen/SelectionDAGNodes.h``) and determine which operations
1364 the target natively supports.  For operations that do **not** have native
1365 support, add a callback to the constructor for the ``XXXTargetLowering`` class,
1366 so the instruction selection process knows what to do.  The ``TargetLowering``
1367 class callback methods (declared in ``llvm/Target/TargetLowering.h``) are:
1368
1369 * ``setOperationAction`` --- General operation.
1370 * ``setLoadExtAction`` --- Load with extension.
1371 * ``setTruncStoreAction`` --- Truncating store.
1372 * ``setIndexedLoadAction`` --- Indexed load.
1373 * ``setIndexedStoreAction`` --- Indexed store.
1374 * ``setConvertAction`` --- Type conversion.
1375 * ``setCondCodeAction`` --- Support for a given condition code.
1376
1377 Note: on older releases, ``setLoadXAction`` is used instead of
1378 ``setLoadExtAction``.  Also, on older releases, ``setCondCodeAction`` may not
1379 be supported.  Examine your release to see what methods are specifically
1380 supported.
1381
1382 These callbacks are used to determine that an operation does or does not work
1383 with a specified type (or types).  And in all cases, the third parameter is a
1384 ``LegalAction`` type enum value: ``Promote``, ``Expand``, ``Custom``, or
1385 ``Legal``.  ``SparcISelLowering.cpp`` contains examples of all four
1386 ``LegalAction`` values.
1387
1388 Promote
1389 ^^^^^^^
1390
1391 For an operation without native support for a given type, the specified type
1392 may be promoted to a larger type that is supported.  For example, SPARC does
1393 not support a sign-extending load for Boolean values (``i1`` type), so in
1394 ``SparcISelLowering.cpp`` the third parameter below, ``Promote``, changes
1395 ``i1`` type values to a large type before loading.
1396
1397 .. code-block:: c++
1398
1399   setLoadExtAction(ISD::SEXTLOAD, MVT::i1, Promote);
1400
1401 Expand
1402 ^^^^^^
1403
1404 For a type without native support, a value may need to be broken down further,
1405 rather than promoted.  For an operation without native support, a combination
1406 of other operations may be used to similar effect.  In SPARC, the
1407 floating-point sine and cosine trig operations are supported by expansion to
1408 other operations, as indicated by the third parameter, ``Expand``, to
1409 ``setOperationAction``:
1410
1411 .. code-block:: c++
1412
1413   setOperationAction(ISD::FSIN, MVT::f32, Expand);
1414   setOperationAction(ISD::FCOS, MVT::f32, Expand);
1415
1416 Custom
1417 ^^^^^^
1418
1419 For some operations, simple type promotion or operation expansion may be
1420 insufficient.  In some cases, a special intrinsic function must be implemented.
1421
1422 For example, a constant value may require special treatment, or an operation
1423 may require spilling and restoring registers in the stack and working with
1424 register allocators.
1425
1426 As seen in ``SparcISelLowering.cpp`` code below, to perform a type conversion
1427 from a floating point value to a signed integer, first the
1428 ``setOperationAction`` should be called with ``Custom`` as the third parameter:
1429
1430 .. code-block:: c++
1431
1432   setOperationAction(ISD::FP_TO_SINT, MVT::i32, Custom);
1433
1434 In the ``LowerOperation`` method, for each ``Custom`` operation, a case
1435 statement should be added to indicate what function to call.  In the following
1436 code, an ``FP_TO_SINT`` opcode will call the ``LowerFP_TO_SINT`` method:
1437
1438 .. code-block:: c++
1439
1440   SDValue SparcTargetLowering::LowerOperation(SDValue Op, SelectionDAG &DAG) {
1441     switch (Op.getOpcode()) {
1442     case ISD::FP_TO_SINT: return LowerFP_TO_SINT(Op, DAG);
1443     ...
1444     }
1445   }
1446
1447 Finally, the ``LowerFP_TO_SINT`` method is implemented, using an FP register to
1448 convert the floating-point value to an integer.
1449
1450 .. code-block:: c++
1451
1452   static SDValue LowerFP_TO_SINT(SDValue Op, SelectionDAG &DAG) {
1453     assert(Op.getValueType() == MVT::i32);
1454     Op = DAG.getNode(SPISD::FTOI, MVT::f32, Op.getOperand(0));
1455     return DAG.getNode(ISD::BITCAST, MVT::i32, Op);
1456   }
1457
1458 Legal
1459 ^^^^^
1460
1461 The ``Legal`` ``LegalizeAction`` enum value simply indicates that an operation
1462 **is** natively supported.  ``Legal`` represents the default condition, so it
1463 is rarely used.  In ``SparcISelLowering.cpp``, the action for ``CTPOP`` (an
1464 operation to count the bits set in an integer) is natively supported only for
1465 SPARC v9.  The following code enables the ``Expand`` conversion technique for
1466 non-v9 SPARC implementations.
1467
1468 .. code-block:: c++
1469
1470   setOperationAction(ISD::CTPOP, MVT::i32, Expand);
1471   ...
1472   if (TM.getSubtarget<SparcSubtarget>().isV9())
1473     setOperationAction(ISD::CTPOP, MVT::i32, Legal);
1474
1475 Calling Conventions
1476 -------------------
1477
1478 To support target-specific calling conventions, ``XXXGenCallingConv.td`` uses
1479 interfaces (such as ``CCIfType`` and ``CCAssignToReg``) that are defined in
1480 ``lib/Target/TargetCallingConv.td``.  TableGen can take the target descriptor
1481 file ``XXXGenCallingConv.td`` and generate the header file
1482 ``XXXGenCallingConv.inc``, which is typically included in
1483 ``XXXISelLowering.cpp``.  You can use the interfaces in
1484 ``TargetCallingConv.td`` to specify:
1485
1486 * The order of parameter allocation.
1487
1488 * Where parameters and return values are placed (that is, on the stack or in
1489   registers).
1490
1491 * Which registers may be used.
1492
1493 * Whether the caller or callee unwinds the stack.
1494
1495 The following example demonstrates the use of the ``CCIfType`` and
1496 ``CCAssignToReg`` interfaces.  If the ``CCIfType`` predicate is true (that is,
1497 if the current argument is of type ``f32`` or ``f64``), then the action is
1498 performed.  In this case, the ``CCAssignToReg`` action assigns the argument
1499 value to the first available register: either ``R0`` or ``R1``.
1500
1501 .. code-block:: text
1502
1503   CCIfType<[f32,f64], CCAssignToReg<[R0, R1]>>
1504
1505 ``SparcCallingConv.td`` contains definitions for a target-specific return-value
1506 calling convention (``RetCC_Sparc32``) and a basic 32-bit C calling convention
1507 (``CC_Sparc32``).  The definition of ``RetCC_Sparc32`` (shown below) indicates
1508 which registers are used for specified scalar return types.  A single-precision
1509 float is returned to register ``F0``, and a double-precision float goes to
1510 register ``D0``.  A 32-bit integer is returned in register ``I0`` or ``I1``.
1511
1512 .. code-block:: text
1513
1514   def RetCC_Sparc32 : CallingConv<[
1515     CCIfType<[i32], CCAssignToReg<[I0, I1]>>,
1516     CCIfType<[f32], CCAssignToReg<[F0]>>,
1517     CCIfType<[f64], CCAssignToReg<[D0]>>
1518   ]>;
1519
1520 The definition of ``CC_Sparc32`` in ``SparcCallingConv.td`` introduces
1521 ``CCAssignToStack``, which assigns the value to a stack slot with the specified
1522 size and alignment.  In the example below, the first parameter, 4, indicates
1523 the size of the slot, and the second parameter, also 4, indicates the stack
1524 alignment along 4-byte units.  (Special cases: if size is zero, then the ABI
1525 size is used; if alignment is zero, then the ABI alignment is used.)
1526
1527 .. code-block:: text
1528
1529   def CC_Sparc32 : CallingConv<[
1530     // All arguments get passed in integer registers if there is space.
1531     CCIfType<[i32, f32, f64], CCAssignToReg<[I0, I1, I2, I3, I4, I5]>>,
1532     CCAssignToStack<4, 4>
1533   ]>;
1534
1535 ``CCDelegateTo`` is another commonly used interface, which tries to find a
1536 specified sub-calling convention, and, if a match is found, it is invoked.  In
1537 the following example (in ``X86CallingConv.td``), the definition of
1538 ``RetCC_X86_32_C`` ends with ``CCDelegateTo``.  After the current value is
1539 assigned to the register ``ST0`` or ``ST1``, the ``RetCC_X86Common`` is
1540 invoked.
1541
1542 .. code-block:: text
1543
1544   def RetCC_X86_32_C : CallingConv<[
1545     CCIfType<[f32], CCAssignToReg<[ST0, ST1]>>,
1546     CCIfType<[f64], CCAssignToReg<[ST0, ST1]>>,
1547     CCDelegateTo<RetCC_X86Common>
1548   ]>;
1549
1550 ``CCIfCC`` is an interface that attempts to match the given name to the current
1551 calling convention.  If the name identifies the current calling convention,
1552 then a specified action is invoked.  In the following example (in
1553 ``X86CallingConv.td``), if the ``Fast`` calling convention is in use, then
1554 ``RetCC_X86_32_Fast`` is invoked.  If the ``SSECall`` calling convention is in
1555 use, then ``RetCC_X86_32_SSE`` is invoked.
1556
1557 .. code-block:: text
1558
1559   def RetCC_X86_32 : CallingConv<[
1560     CCIfCC<"CallingConv::Fast", CCDelegateTo<RetCC_X86_32_Fast>>,
1561     CCIfCC<"CallingConv::X86_SSECall", CCDelegateTo<RetCC_X86_32_SSE>>,
1562     CCDelegateTo<RetCC_X86_32_C>
1563   ]>;
1564
1565 Other calling convention interfaces include:
1566
1567 * ``CCIf <predicate, action>`` --- If the predicate matches, apply the action.
1568
1569 * ``CCIfInReg <action>`` --- If the argument is marked with the "``inreg``"
1570   attribute, then apply the action.
1571
1572 * ``CCIfNest <action>`` --- If the argument is marked with the "``nest``"
1573   attribute, then apply the action.
1574
1575 * ``CCIfNotVarArg <action>`` --- If the current function does not take a
1576   variable number of arguments, apply the action.
1577
1578 * ``CCAssignToRegWithShadow <registerList, shadowList>`` --- similar to
1579   ``CCAssignToReg``, but with a shadow list of registers.
1580
1581 * ``CCPassByVal <size, align>`` --- Assign value to a stack slot with the
1582   minimum specified size and alignment.
1583
1584 * ``CCPromoteToType <type>`` --- Promote the current value to the specified
1585   type.
1586
1587 * ``CallingConv <[actions]>`` --- Define each calling convention that is
1588   supported.
1589
1590 Assembly Printer
1591 ================
1592
1593 During the code emission stage, the code generator may utilize an LLVM pass to
1594 produce assembly output.  To do this, you want to implement the code for a
1595 printer that converts LLVM IR to a GAS-format assembly language for your target
1596 machine, using the following steps:
1597
1598 * Define all the assembly strings for your target, adding them to the
1599   instructions defined in the ``XXXInstrInfo.td`` file.  (See
1600   :ref:`instruction-set`.)  TableGen will produce an output file
1601   (``XXXGenAsmWriter.inc``) with an implementation of the ``printInstruction``
1602   method for the ``XXXAsmPrinter`` class.
1603
1604 * Write ``XXXTargetAsmInfo.h``, which contains the bare-bones declaration of
1605   the ``XXXTargetAsmInfo`` class (a subclass of ``TargetAsmInfo``).
1606
1607 * Write ``XXXTargetAsmInfo.cpp``, which contains target-specific values for
1608   ``TargetAsmInfo`` properties and sometimes new implementations for methods.
1609
1610 * Write ``XXXAsmPrinter.cpp``, which implements the ``AsmPrinter`` class that
1611   performs the LLVM-to-assembly conversion.
1612
1613 The code in ``XXXTargetAsmInfo.h`` is usually a trivial declaration of the
1614 ``XXXTargetAsmInfo`` class for use in ``XXXTargetAsmInfo.cpp``.  Similarly,
1615 ``XXXTargetAsmInfo.cpp`` usually has a few declarations of ``XXXTargetAsmInfo``
1616 replacement values that override the default values in ``TargetAsmInfo.cpp``.
1617 For example in ``SparcTargetAsmInfo.cpp``:
1618
1619 .. code-block:: c++
1620
1621   SparcTargetAsmInfo::SparcTargetAsmInfo(const SparcTargetMachine &TM) {
1622     Data16bitsDirective = "\t.half\t";
1623     Data32bitsDirective = "\t.word\t";
1624     Data64bitsDirective = 0;  // .xword is only supported by V9.
1625     ZeroDirective = "\t.skip\t";
1626     CommentString = "!";
1627     ConstantPoolSection = "\t.section \".rodata\",#alloc\n";
1628   }
1629
1630 The X86 assembly printer implementation (``X86TargetAsmInfo``) is an example
1631 where the target specific ``TargetAsmInfo`` class uses an overridden methods:
1632 ``ExpandInlineAsm``.
1633
1634 A target-specific implementation of ``AsmPrinter`` is written in
1635 ``XXXAsmPrinter.cpp``, which implements the ``AsmPrinter`` class that converts
1636 the LLVM to printable assembly.  The implementation must include the following
1637 headers that have declarations for the ``AsmPrinter`` and
1638 ``MachineFunctionPass`` classes.  The ``MachineFunctionPass`` is a subclass of
1639 ``FunctionPass``.
1640
1641 .. code-block:: c++
1642
1643   #include "llvm/CodeGen/AsmPrinter.h"
1644   #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
1645
1646 As a ``FunctionPass``, ``AsmPrinter`` first calls ``doInitialization`` to set
1647 up the ``AsmPrinter``.  In ``SparcAsmPrinter``, a ``Mangler`` object is
1648 instantiated to process variable names.
1649
1650 In ``XXXAsmPrinter.cpp``, the ``runOnMachineFunction`` method (declared in
1651 ``MachineFunctionPass``) must be implemented for ``XXXAsmPrinter``.  In
1652 ``MachineFunctionPass``, the ``runOnFunction`` method invokes
1653 ``runOnMachineFunction``.  Target-specific implementations of
1654 ``runOnMachineFunction`` differ, but generally do the following to process each
1655 machine function:
1656
1657 * Call ``SetupMachineFunction`` to perform initialization.
1658
1659 * Call ``EmitConstantPool`` to print out (to the output stream) constants which
1660   have been spilled to memory.
1661
1662 * Call ``EmitJumpTableInfo`` to print out jump tables used by the current
1663   function.
1664
1665 * Print out the label for the current function.
1666
1667 * Print out the code for the function, including basic block labels and the
1668   assembly for the instruction (using ``printInstruction``)
1669
1670 The ``XXXAsmPrinter`` implementation must also include the code generated by
1671 TableGen that is output in the ``XXXGenAsmWriter.inc`` file.  The code in
1672 ``XXXGenAsmWriter.inc`` contains an implementation of the ``printInstruction``
1673 method that may call these methods:
1674
1675 * ``printOperand``
1676 * ``printMemOperand``
1677 * ``printCCOperand`` (for conditional statements)
1678 * ``printDataDirective``
1679 * ``printDeclare``
1680 * ``printImplicitDef``
1681 * ``printInlineAsm``
1682
1683 The implementations of ``printDeclare``, ``printImplicitDef``,
1684 ``printInlineAsm``, and ``printLabel`` in ``AsmPrinter.cpp`` are generally
1685 adequate for printing assembly and do not need to be overridden.
1686
1687 The ``printOperand`` method is implemented with a long ``switch``/``case``
1688 statement for the type of operand: register, immediate, basic block, external
1689 symbol, global address, constant pool index, or jump table index.  For an
1690 instruction with a memory address operand, the ``printMemOperand`` method
1691 should be implemented to generate the proper output.  Similarly,
1692 ``printCCOperand`` should be used to print a conditional operand.
1693
1694 ``doFinalization`` should be overridden in ``XXXAsmPrinter``, and it should be
1695 called to shut down the assembly printer.  During ``doFinalization``, global
1696 variables and constants are printed to output.
1697
1698 Subtarget Support
1699 =================
1700
1701 Subtarget support is used to inform the code generation process of instruction
1702 set variations for a given chip set.  For example, the LLVM SPARC
1703 implementation provided covers three major versions of the SPARC microprocessor
1704 architecture: Version 8 (V8, which is a 32-bit architecture), Version 9 (V9, a
1705 64-bit architecture), and the UltraSPARC architecture.  V8 has 16
1706 double-precision floating-point registers that are also usable as either 32
1707 single-precision or 8 quad-precision registers.  V8 is also purely big-endian.
1708 V9 has 32 double-precision floating-point registers that are also usable as 16
1709 quad-precision registers, but cannot be used as single-precision registers.
1710 The UltraSPARC architecture combines V9 with UltraSPARC Visual Instruction Set
1711 extensions.
1712
1713 If subtarget support is needed, you should implement a target-specific
1714 ``XXXSubtarget`` class for your architecture.  This class should process the
1715 command-line options ``-mcpu=`` and ``-mattr=``.
1716
1717 TableGen uses definitions in the ``Target.td`` and ``Sparc.td`` files to
1718 generate code in ``SparcGenSubtarget.inc``.  In ``Target.td``, shown below, the
1719 ``SubtargetFeature`` interface is defined.  The first 4 string parameters of
1720 the ``SubtargetFeature`` interface are a feature name, an attribute set by the
1721 feature, the value of the attribute, and a description of the feature.  (The
1722 fifth parameter is a list of features whose presence is implied, and its
1723 default value is an empty array.)
1724
1725 .. code-block:: text
1726
1727   class SubtargetFeature<string n, string a, string v, string d,
1728                          list<SubtargetFeature> i = []> {
1729     string Name = n;
1730     string Attribute = a;
1731     string Value = v;
1732     string Desc = d;
1733     list<SubtargetFeature> Implies = i;
1734   }
1735
1736 In the ``Sparc.td`` file, the ``SubtargetFeature`` is used to define the
1737 following features.
1738
1739 .. code-block:: text
1740
1741   def FeatureV9 : SubtargetFeature<"v9", "IsV9", "true",
1742                        "Enable SPARC-V9 instructions">;
1743   def FeatureV8Deprecated : SubtargetFeature<"deprecated-v8",
1744                        "V8DeprecatedInsts", "true",
1745                        "Enable deprecated V8 instructions in V9 mode">;
1746   def FeatureVIS : SubtargetFeature<"vis", "IsVIS", "true",
1747                        "Enable UltraSPARC Visual Instruction Set extensions">;
1748
1749 Elsewhere in ``Sparc.td``, the ``Proc`` class is defined and then is used to
1750 define particular SPARC processor subtypes that may have the previously
1751 described features.
1752
1753 .. code-block:: text
1754
1755   class Proc<string Name, list<SubtargetFeature> Features>
1756     : Processor<Name, NoItineraries, Features>;
1757
1758   def : Proc<"generic",         []>;
1759   def : Proc<"v8",              []>;
1760   def : Proc<"supersparc",      []>;
1761   def : Proc<"sparclite",       []>;
1762   def : Proc<"f934",            []>;
1763   def : Proc<"hypersparc",      []>;
1764   def : Proc<"sparclite86x",    []>;
1765   def : Proc<"sparclet",        []>;
1766   def : Proc<"tsc701",          []>;
1767   def : Proc<"v9",              [FeatureV9]>;
1768   def : Proc<"ultrasparc",      [FeatureV9, FeatureV8Deprecated]>;
1769   def : Proc<"ultrasparc3",     [FeatureV9, FeatureV8Deprecated]>;
1770   def : Proc<"ultrasparc3-vis", [FeatureV9, FeatureV8Deprecated, FeatureVIS]>;
1771
1772 From ``Target.td`` and ``Sparc.td`` files, the resulting
1773 ``SparcGenSubtarget.inc`` specifies enum values to identify the features,
1774 arrays of constants to represent the CPU features and CPU subtypes, and the
1775 ``ParseSubtargetFeatures`` method that parses the features string that sets
1776 specified subtarget options.  The generated ``SparcGenSubtarget.inc`` file
1777 should be included in the ``SparcSubtarget.cpp``.  The target-specific
1778 implementation of the ``XXXSubtarget`` method should follow this pseudocode:
1779
1780 .. code-block:: c++
1781
1782   XXXSubtarget::XXXSubtarget(const Module &M, const std::string &FS) {
1783     // Set the default features
1784     // Determine default and user specified characteristics of the CPU
1785     // Call ParseSubtargetFeatures(FS, CPU) to parse the features string
1786     // Perform any additional operations
1787   }
1788
1789 JIT Support
1790 ===========
1791
1792 The implementation of a target machine optionally includes a Just-In-Time (JIT)
1793 code generator that emits machine code and auxiliary structures as binary
1794 output that can be written directly to memory.  To do this, implement JIT code
1795 generation by performing the following steps:
1796
1797 * Write an ``XXXCodeEmitter.cpp`` file that contains a machine function pass
1798   that transforms target-machine instructions into relocatable machine
1799   code.
1800
1801 * Write an ``XXXJITInfo.cpp`` file that implements the JIT interfaces for
1802   target-specific code-generation activities, such as emitting machine code and
1803   stubs.
1804
1805 * Modify ``XXXTargetMachine`` so that it provides a ``TargetJITInfo`` object
1806   through its ``getJITInfo`` method.
1807
1808 There are several different approaches to writing the JIT support code.  For
1809 instance, TableGen and target descriptor files may be used for creating a JIT
1810 code generator, but are not mandatory.  For the Alpha and PowerPC target
1811 machines, TableGen is used to generate ``XXXGenCodeEmitter.inc``, which
1812 contains the binary coding of machine instructions and the
1813 ``getBinaryCodeForInstr`` method to access those codes.  Other JIT
1814 implementations do not.
1815
1816 Both ``XXXJITInfo.cpp`` and ``XXXCodeEmitter.cpp`` must include the
1817 ``llvm/CodeGen/MachineCodeEmitter.h`` header file that defines the
1818 ``MachineCodeEmitter`` class containing code for several callback functions
1819 that write data (in bytes, words, strings, etc.) to the output stream.
1820
1821 Machine Code Emitter
1822 --------------------
1823
1824 In ``XXXCodeEmitter.cpp``, a target-specific of the ``Emitter`` class is
1825 implemented as a function pass (subclass of ``MachineFunctionPass``).  The
1826 target-specific implementation of ``runOnMachineFunction`` (invoked by
1827 ``runOnFunction`` in ``MachineFunctionPass``) iterates through the
1828 ``MachineBasicBlock`` calls ``emitInstruction`` to process each instruction and
1829 emit binary code.  ``emitInstruction`` is largely implemented with case
1830 statements on the instruction types defined in ``XXXInstrInfo.h``.  For
1831 example, in ``X86CodeEmitter.cpp``, the ``emitInstruction`` method is built
1832 around the following ``switch``/``case`` statements:
1833
1834 .. code-block:: c++
1835
1836   switch (Desc->TSFlags & X86::FormMask) {
1837   case X86II::Pseudo:  // for not yet implemented instructions
1838      ...               // or pseudo-instructions
1839      break;
1840   case X86II::RawFrm:  // for instructions with a fixed opcode value
1841      ...
1842      break;
1843   case X86II::AddRegFrm: // for instructions that have one register operand
1844      ...                 // added to their opcode
1845      break;
1846   case X86II::MRMDestReg:// for instructions that use the Mod/RM byte
1847      ...                 // to specify a destination (register)
1848      break;
1849   case X86II::MRMDestMem:// for instructions that use the Mod/RM byte
1850      ...                 // to specify a destination (memory)
1851      break;
1852   case X86II::MRMSrcReg: // for instructions that use the Mod/RM byte
1853      ...                 // to specify a source (register)
1854      break;
1855   case X86II::MRMSrcMem: // for instructions that use the Mod/RM byte
1856      ...                 // to specify a source (memory)
1857      break;
1858   case X86II::MRM0r: case X86II::MRM1r:  // for instructions that operate on
1859   case X86II::MRM2r: case X86II::MRM3r:  // a REGISTER r/m operand and
1860   case X86II::MRM4r: case X86II::MRM5r:  // use the Mod/RM byte and a field
1861   case X86II::MRM6r: case X86II::MRM7r:  // to hold extended opcode data
1862      ...
1863      break;
1864   case X86II::MRM0m: case X86II::MRM1m:  // for instructions that operate on
1865   case X86II::MRM2m: case X86II::MRM3m:  // a MEMORY r/m operand and
1866   case X86II::MRM4m: case X86II::MRM5m:  // use the Mod/RM byte and a field
1867   case X86II::MRM6m: case X86II::MRM7m:  // to hold extended opcode data
1868      ...
1869      break;
1870   case X86II::MRMInitReg: // for instructions whose source and
1871      ...                  // destination are the same register
1872      break;
1873   }
1874
1875 The implementations of these case statements often first emit the opcode and
1876 then get the operand(s).  Then depending upon the operand, helper methods may
1877 be called to process the operand(s).  For example, in ``X86CodeEmitter.cpp``,
1878 for the ``X86II::AddRegFrm`` case, the first data emitted (by ``emitByte``) is
1879 the opcode added to the register operand.  Then an object representing the
1880 machine operand, ``MO1``, is extracted.  The helper methods such as
1881 ``isImmediate``, ``isGlobalAddress``, ``isExternalSymbol``,
1882 ``isConstantPoolIndex``, and ``isJumpTableIndex`` determine the operand type.
1883 (``X86CodeEmitter.cpp`` also has private methods such as ``emitConstant``,
1884 ``emitGlobalAddress``, ``emitExternalSymbolAddress``, ``emitConstPoolAddress``,
1885 and ``emitJumpTableAddress`` that emit the data into the output stream.)
1886
1887 .. code-block:: c++
1888
1889   case X86II::AddRegFrm:
1890     MCE.emitByte(BaseOpcode + getX86RegNum(MI.getOperand(CurOp++).getReg()));
1891
1892     if (CurOp != NumOps) {
1893       const MachineOperand &MO1 = MI.getOperand(CurOp++);
1894       unsigned Size = X86InstrInfo::sizeOfImm(Desc);
1895       if (MO1.isImmediate())
1896         emitConstant(MO1.getImm(), Size);
1897       else {
1898         unsigned rt = Is64BitMode ? X86::reloc_pcrel_word
1899           : (IsPIC ? X86::reloc_picrel_word : X86::reloc_absolute_word);
1900         if (Opcode == X86::MOV64ri)
1901           rt = X86::reloc_absolute_dword;  // FIXME: add X86II flag?
1902         if (MO1.isGlobalAddress()) {
1903           bool NeedStub = isa<Function>(MO1.getGlobal());
1904           bool isLazy = gvNeedsLazyPtr(MO1.getGlobal());
1905           emitGlobalAddress(MO1.getGlobal(), rt, MO1.getOffset(), 0,
1906                             NeedStub, isLazy);
1907         } else if (MO1.isExternalSymbol())
1908           emitExternalSymbolAddress(MO1.getSymbolName(), rt);
1909         else if (MO1.isConstantPoolIndex())
1910           emitConstPoolAddress(MO1.getIndex(), rt);
1911         else if (MO1.isJumpTableIndex())
1912           emitJumpTableAddress(MO1.getIndex(), rt);
1913       }
1914     }
1915     break;
1916
1917 In the previous example, ``XXXCodeEmitter.cpp`` uses the variable ``rt``, which
1918 is a ``RelocationType`` enum that may be used to relocate addresses (for
1919 example, a global address with a PIC base offset).  The ``RelocationType`` enum
1920 for that target is defined in the short target-specific ``XXXRelocations.h``
1921 file.  The ``RelocationType`` is used by the ``relocate`` method defined in
1922 ``XXXJITInfo.cpp`` to rewrite addresses for referenced global symbols.
1923
1924 For example, ``X86Relocations.h`` specifies the following relocation types for
1925 the X86 addresses.  In all four cases, the relocated value is added to the
1926 value already in memory.  For ``reloc_pcrel_word`` and ``reloc_picrel_word``,
1927 there is an additional initial adjustment.
1928
1929 .. code-block:: c++
1930
1931   enum RelocationType {
1932     reloc_pcrel_word = 0,    // add reloc value after adjusting for the PC loc
1933     reloc_picrel_word = 1,   // add reloc value after adjusting for the PIC base
1934     reloc_absolute_word = 2, // absolute relocation; no additional adjustment
1935     reloc_absolute_dword = 3 // absolute relocation; no additional adjustment
1936   };
1937
1938 Target JIT Info
1939 ---------------
1940
1941 ``XXXJITInfo.cpp`` implements the JIT interfaces for target-specific
1942 code-generation activities, such as emitting machine code and stubs.  At
1943 minimum, a target-specific version of ``XXXJITInfo`` implements the following:
1944
1945 * ``getLazyResolverFunction`` --- Initializes the JIT, gives the target a
1946   function that is used for compilation.
1947
1948 * ``emitFunctionStub`` --- Returns a native function with a specified address
1949   for a callback function.
1950
1951 * ``relocate`` --- Changes the addresses of referenced globals, based on
1952   relocation types.
1953
1954 * Callback function that are wrappers to a function stub that is used when the
1955   real target is not initially known.
1956
1957 ``getLazyResolverFunction`` is generally trivial to implement.  It makes the
1958 incoming parameter as the global ``JITCompilerFunction`` and returns the
1959 callback function that will be used a function wrapper.  For the Alpha target
1960 (in ``AlphaJITInfo.cpp``), the ``getLazyResolverFunction`` implementation is
1961 simply:
1962
1963 .. code-block:: c++
1964
1965   TargetJITInfo::LazyResolverFn AlphaJITInfo::getLazyResolverFunction(
1966                                               JITCompilerFn F) {
1967     JITCompilerFunction = F;
1968     return AlphaCompilationCallback;
1969   }
1970
1971 For the X86 target, the ``getLazyResolverFunction`` implementation is a little
1972 more complicated, because it returns a different callback function for
1973 processors with SSE instructions and XMM registers.
1974
1975 The callback function initially saves and later restores the callee register
1976 values, incoming arguments, and frame and return address.  The callback
1977 function needs low-level access to the registers or stack, so it is typically
1978 implemented with assembler.
1979