ssi: Support for multiple attached devices
[qemu-kvm.git] / tcg / README
blobaa86992bca8d0c153be7fcb7d7bce84a25ab9d65
1 Tiny Code Generator - Fabrice Bellard.
3 1) Introduction
5 TCG (Tiny Code Generator) began as a generic backend for a C
6 compiler. It was simplified to be used in QEMU. It also has its roots
7 in the QOP code generator written by Paul Brook. 
9 2) Definitions
11 The TCG "target" is the architecture for which we generate the
12 code. It is of course not the same as the "target" of QEMU which is
13 the emulated architecture. As TCG started as a generic C backend used
14 for cross compiling, it is assumed that the TCG target is different
15 from the host, although it is never the case for QEMU.
17 A TCG "function" corresponds to a QEMU Translated Block (TB).
19 A TCG "temporary" is a variable only live in a basic
20 block. Temporaries are allocated explicitly in each function.
22 A TCG "local temporary" is a variable only live in a function. Local
23 temporaries are allocated explicitly in each function.
25 A TCG "global" is a variable which is live in all the functions
26 (equivalent of a C global variable). They are defined before the
27 functions defined. A TCG global can be a memory location (e.g. a QEMU
28 CPU register), a fixed host register (e.g. the QEMU CPU state pointer)
29 or a memory location which is stored in a register outside QEMU TBs
30 (not implemented yet).
32 A TCG "basic block" corresponds to a list of instructions terminated
33 by a branch instruction. 
35 3) Intermediate representation
37 3.1) Introduction
39 TCG instructions operate on variables which are temporaries, local
40 temporaries or globals. TCG instructions and variables are strongly
41 typed. Two types are supported: 32 bit integers and 64 bit
42 integers. Pointers are defined as an alias to 32 bit or 64 bit
43 integers depending on the TCG target word size.
45 Each instruction has a fixed number of output variable operands, input
46 variable operands and always constant operands.
48 The notable exception is the call instruction which has a variable
49 number of outputs and inputs.
51 In the textual form, output operands usually come first, followed by
52 input operands, followed by constant operands. The output type is
53 included in the instruction name. Constants are prefixed with a '$'.
55 add_i32 t0, t1, t2  (t0 <- t1 + t2)
57 3.2) Assumptions
59 * Basic blocks
61 - Basic blocks end after branches (e.g. brcond_i32 instruction),
62   goto_tb and exit_tb instructions.
63 - Basic blocks start after the end of a previous basic block, or at a
64   set_label instruction.
66 After the end of a basic block, the content of temporaries is
67 destroyed, but local temporaries and globals are preserved.
69 * Floating point types are not supported yet
71 * Pointers: depending on the TCG target, pointer size is 32 bit or 64
72   bit. The type TCG_TYPE_PTR is an alias to TCG_TYPE_I32 or
73   TCG_TYPE_I64.
75 * Helpers:
77 Using the tcg_gen_helper_x_y it is possible to call any function
78 taking i32, i64 or pointer types. By default, before calling a helper,
79 all globals are stored at their canonical location and it is assumed
80 that the function can modify them. This can be overridden by the
81 TCG_CALL_CONST function modifier. By default, the helper is allowed to
82 modify the CPU state or raise an exception. This can be overridden by
83 the TCG_CALL_PURE function modifier, in which case the call to the
84 function is removed if the return value is not used.
86 On some TCG targets (e.g. x86), several calling conventions are
87 supported.
89 * Branches:
91 Use the instruction 'br' to jump to a label.
93 3.3) Code Optimizations
95 When generating instructions, you can count on at least the following
96 optimizations:
98 - Single instructions are simplified, e.g.
100    and_i32 t0, t0, $0xffffffff
101     
102   is suppressed.
104 - A liveness analysis is done at the basic block level. The
105   information is used to suppress moves from a dead variable to
106   another one. It is also used to remove instructions which compute
107   dead results. The later is especially useful for condition code
108   optimization in QEMU.
110   In the following example:
112   add_i32 t0, t1, t2
113   add_i32 t0, t0, $1
114   mov_i32 t0, $1
116   only the last instruction is kept.
118 3.4) Instruction Reference
120 ********* Function call
122 * call <ret> <params> ptr
124 call function 'ptr' (pointer type)
126 <ret> optional 32 bit or 64 bit return value
127 <params> optional 32 bit or 64 bit parameters
129 ********* Jumps/Labels
131 * set_label $label
133 Define label 'label' at the current program point.
135 * br $label
137 Jump to label.
139 * brcond_i32/i64 t0, t1, cond, label
141 Conditional jump if t0 cond t1 is true. cond can be:
142     TCG_COND_EQ
143     TCG_COND_NE
144     TCG_COND_LT /* signed */
145     TCG_COND_GE /* signed */
146     TCG_COND_LE /* signed */
147     TCG_COND_GT /* signed */
148     TCG_COND_LTU /* unsigned */
149     TCG_COND_GEU /* unsigned */
150     TCG_COND_LEU /* unsigned */
151     TCG_COND_GTU /* unsigned */
153 ********* Arithmetic
155 * add_i32/i64 t0, t1, t2
157 t0=t1+t2
159 * sub_i32/i64 t0, t1, t2
161 t0=t1-t2
163 * neg_i32/i64 t0, t1
165 t0=-t1 (two's complement)
167 * mul_i32/i64 t0, t1, t2
169 t0=t1*t2
171 * div_i32/i64 t0, t1, t2
173 t0=t1/t2 (signed). Undefined behavior if division by zero or overflow.
175 * divu_i32/i64 t0, t1, t2
177 t0=t1/t2 (unsigned). Undefined behavior if division by zero.
179 * rem_i32/i64 t0, t1, t2
181 t0=t1%t2 (signed). Undefined behavior if division by zero or overflow.
183 * remu_i32/i64 t0, t1, t2
185 t0=t1%t2 (unsigned). Undefined behavior if division by zero.
187 ********* Logical
189 * and_i32/i64 t0, t1, t2
191 t0=t1&t2
193 * or_i32/i64 t0, t1, t2
195 t0=t1|t2
197 * xor_i32/i64 t0, t1, t2
199 t0=t1^t2
201 * not_i32/i64 t0, t1
203 t0=~t1
205 * andc_i32/i64 t0, t1, t2
207 t0=t1&~t2
209 * eqv_i32/i64 t0, t1, t2
211 t0=~(t1^t2), or equivalently, t0=t1^~t2
213 * nand_i32/i64 t0, t1, t2
215 t0=~(t1&t2)
217 * nor_i32/i64 t0, t1, t2
219 t0=~(t1|t2)
221 * orc_i32/i64 t0, t1, t2
223 t0=t1|~t2
225 ********* Shifts/Rotates
227 * shl_i32/i64 t0, t1, t2
229 t0=t1 << t2. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
231 * shr_i32/i64 t0, t1, t2
233 t0=t1 >> t2 (unsigned). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
235 * sar_i32/i64 t0, t1, t2
237 t0=t1 >> t2 (signed). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
239 * rotl_i32/i64 t0, t1, t2
241 Rotation of t2 bits to the left. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
243 * rotr_i32/i64 t0, t1, t2
245 Rotation of t2 bits to the right. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
247 ********* Misc
249 * mov_i32/i64 t0, t1
251 t0 = t1
253 Move t1 to t0 (both operands must have the same type).
255 * ext8s_i32/i64 t0, t1
256 ext8u_i32/i64 t0, t1
257 ext16s_i32/i64 t0, t1
258 ext16u_i32/i64 t0, t1
259 ext32s_i64 t0, t1
260 ext32u_i64 t0, t1
262 8, 16 or 32 bit sign/zero extension (both operands must have the same type)
264 * bswap16_i32/i64 t0, t1
266 16 bit byte swap on a 32/64 bit value. It assumes that the two/six high order
267 bytes are set to zero.
269 * bswap32_i32/i64 t0, t1
271 32 bit byte swap on a 32/64 bit value. With a 64 bit value, it assumes that
272 the four high order bytes are set to zero.
274 * bswap64_i64 t0, t1
276 64 bit byte swap
278 * discard_i32/i64 t0
280 Indicate that the value of t0 won't be used later. It is useful to
281 force dead code elimination.
283 * deposit_i32/i64 dest, t1, t2, pos, len
285 Deposit T2 as a bitfield into T1, placing the result in DEST.
286 The bitfield is described by POS/LEN, which are immediate values:
288   LEN - the length of the bitfield
289   POS - the position of the first bit, counting from the LSB
291 For example, pos=8, len=4 indicates a 4-bit field at bit 8.
292 This operation would be equivalent to
294   dest = (t1 & ~0x0f00) | ((t2 << 8) & 0x0f00)
297 ********* Conditional moves
299 * setcond_i32/i64 dest, t1, t2, cond
301 dest = (t1 cond t2)
303 Set DEST to 1 if (T1 cond T2) is true, otherwise set to 0.
305 * movcond_i32/i64 dest, c1, c2, v1, v2, cond
307 dest = (c1 cond c2 ? v1 : v2)
309 Set DEST to V1 if (C1 cond C2) is true, otherwise set to V2.
311 ********* Type conversions
313 * ext_i32_i64 t0, t1
314 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does sign extension
316 * extu_i32_i64 t0, t1
317 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does zero extension
319 * trunc_i64_i32 t0, t1
320 Truncate t1 (64 bit) to t0 (32 bit)
322 * concat_i32_i64 t0, t1, t2
323 Construct t0 (64-bit) taking the low half from t1 (32 bit) and the high half
324 from t2 (32 bit).
326 * concat32_i64 t0, t1, t2
327 Construct t0 (64-bit) taking the low half from t1 (64 bit) and the high half
328 from t2 (64 bit).
330 ********* Load/Store
332 * ld_i32/i64 t0, t1, offset
333 ld8s_i32/i64 t0, t1, offset
334 ld8u_i32/i64 t0, t1, offset
335 ld16s_i32/i64 t0, t1, offset
336 ld16u_i32/i64 t0, t1, offset
337 ld32s_i64 t0, t1, offset
338 ld32u_i64 t0, t1, offset
340 t0 = read(t1 + offset)
341 Load 8, 16, 32 or 64 bits with or without sign extension from host memory. 
342 offset must be a constant.
344 * st_i32/i64 t0, t1, offset
345 st8_i32/i64 t0, t1, offset
346 st16_i32/i64 t0, t1, offset
347 st32_i64 t0, t1, offset
349 write(t0, t1 + offset)
350 Write 8, 16, 32 or 64 bits to host memory.
352 ********* 64-bit target on 32-bit host support
354 The following opcodes are internal to TCG.  Thus they are to be implemented by
355 32-bit host code generators, but are not to be emitted by guest translators.
356 They are emitted as needed by inline functions within "tcg-op.h".
358 * brcond2_i32 t0_low, t0_high, t1_low, t1_high, cond, label
360 Similar to brcond, except that the 64-bit values T0 and T1
361 are formed from two 32-bit arguments.
363 * add2_i32 t0_low, t0_high, t1_low, t1_high, t2_low, t2_high
364 * sub2_i32 t0_low, t0_high, t1_low, t1_high, t2_low, t2_high
366 Similar to add/sub, except that the 64-bit inputs T1 and T2 are
367 formed from two 32-bit arguments, and the 64-bit output T0
368 is returned in two 32-bit outputs.
370 * mulu2_i32 t0_low, t0_high, t1, t2
372 Similar to mul, except two 32-bit (unsigned) inputs T1 and T2 yielding
373 the full 64-bit product T0.  The later is returned in two 32-bit outputs.
375 * setcond2_i32 dest, t1_low, t1_high, t2_low, t2_high, cond
377 Similar to setcond, except that the 64-bit values T1 and T2 are
378 formed from two 32-bit arguments.  The result is a 32-bit value.
380 ********* QEMU specific operations
382 * exit_tb t0
384 Exit the current TB and return the value t0 (word type).
386 * goto_tb index
388 Exit the current TB and jump to the TB index 'index' (constant) if the
389 current TB was linked to this TB. Otherwise execute the next
390 instructions. Only indices 0 and 1 are valid and tcg_gen_goto_tb may be issued
391 at most once with each slot index per TB.
393 * qemu_ld8u t0, t1, flags
394 qemu_ld8s t0, t1, flags
395 qemu_ld16u t0, t1, flags
396 qemu_ld16s t0, t1, flags
397 qemu_ld32 t0, t1, flags
398 qemu_ld32u t0, t1, flags
399 qemu_ld32s t0, t1, flags
400 qemu_ld64 t0, t1, flags
402 Load data at the QEMU CPU address t1 into t0. t1 has the QEMU CPU address
403 type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or kernel access)
404 for example.
406 Note that "qemu_ld32" implies a 32-bit result, while "qemu_ld32u" and
407 "qemu_ld32s" imply a 64-bit result appropriately extended from 32 bits.
409 * qemu_st8 t0, t1, flags
410 qemu_st16 t0, t1, flags
411 qemu_st32 t0, t1, flags
412 qemu_st64 t0, t1, flags
414 Store the data t0 at the QEMU CPU Address t1. t1 has the QEMU CPU
415 address type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or
416 kernel access) for example.
418 Note 1: Some shortcuts are defined when the last operand is known to be
419 a constant (e.g. addi for add, movi for mov).
421 Note 2: When using TCG, the opcodes must never be generated directly
422 as some of them may not be available as "real" opcodes. Always use the
423 function tcg_gen_xxx(args).
425 4) Backend
427 tcg-target.h contains the target specific definitions. tcg-target.c
428 contains the target specific code.
430 4.1) Assumptions
432 The target word size (TCG_TARGET_REG_BITS) is expected to be 32 bit or
433 64 bit. It is expected that the pointer has the same size as the word.
435 On a 32 bit target, all 64 bit operations are converted to 32 bits. A
436 few specific operations must be implemented to allow it (see add2_i32,
437 sub2_i32, brcond2_i32).
439 Floating point operations are not supported in this version. A
440 previous incarnation of the code generator had full support of them,
441 but it is better to concentrate on integer operations first.
443 On a 64 bit target, no assumption is made in TCG about the storage of
444 the 32 bit values in 64 bit registers.
446 4.2) Constraints
448 GCC like constraints are used to define the constraints of every
449 instruction. Memory constraints are not supported in this
450 version. Aliases are specified in the input operands as for GCC.
452 The same register may be used for both an input and an output, even when
453 they are not explicitly aliased.  If an op expands to multiple target
454 instructions then care must be taken to avoid clobbering input values.
455 GCC style "early clobber" outputs are not currently supported.
457 A target can define specific register or constant constraints. If an
458 operation uses a constant input constraint which does not allow all
459 constants, it must also accept registers in order to have a fallback.
461 The movi_i32 and movi_i64 operations must accept any constants.
463 The mov_i32 and mov_i64 operations must accept any registers of the
464 same type.
466 The ld/st instructions must accept signed 32 bit constant offsets. It
467 can be implemented by reserving a specific register to compute the
468 address if the offset is too big.
470 The ld/st instructions must accept any destination (ld) or source (st)
471 register.
473 4.3) Function call assumptions
475 - The only supported types for parameters and return value are: 32 and
476   64 bit integers and pointer.
477 - The stack grows downwards.
478 - The first N parameters are passed in registers.
479 - The next parameters are passed on the stack by storing them as words.
480 - Some registers are clobbered during the call. 
481 - The function can return 0 or 1 value in registers. On a 32 bit
482   target, functions must be able to return 2 values in registers for
483   64 bit return type.
485 5) Recommended coding rules for best performance
487 - Use globals to represent the parts of the QEMU CPU state which are
488   often modified, e.g. the integer registers and the condition
489   codes. TCG will be able to use host registers to store them.
491 - Avoid globals stored in fixed registers. They must be used only to
492   store the pointer to the CPU state and possibly to store a pointer
493   to a register window.
495 - Use temporaries. Use local temporaries only when really needed,
496   e.g. when you need to use a value after a jump. Local temporaries
497   introduce a performance hit in the current TCG implementation: their
498   content is saved to memory at end of each basic block.
500 - Free temporaries and local temporaries when they are no longer used
501   (tcg_temp_free). Since tcg_const_x() also creates a temporary, you
502   should free it after it is used. Freeing temporaries does not yield
503   a better generated code, but it reduces the memory usage of TCG and
504   the speed of the translation.
506 - Don't hesitate to use helpers for complicated or seldom used target
507   instructions. There is little performance advantage in using TCG to
508   implement target instructions taking more than about twenty TCG
509   instructions. Note that this rule of thumb is more applicable to
510   helpers doing complex logic or arithmetic, where the C compiler has
511   scope to do a good job of optimisation; it is less relevant where
512   the instruction is mostly doing loads and stores, and in those cases
513   inline TCG may still be faster for longer sequences.
515 - The hard limit on the number of TCG instructions you can generate
516   per target instruction is set by MAX_OP_PER_INSTR in exec-all.h --
517   you cannot exceed this without risking a buffer overrun.
519 - Use the 'discard' instruction if you know that TCG won't be able to
520   prove that a given global is "dead" at a given program point. The
521   x86 target uses it to improve the condition codes optimisation.