vga: Mark relevant portio lists regions as coalesced MMIO flushing
[qemu-kvm.git] / tcg / README
blobf1782123b753538359f89ed2cf8188844de46534
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 In this document, we use "guest" to specify what architecture we are
18 emulating; "target" always means the TCG target, the machine on which
19 we are running QEMU.
21 A TCG "function" corresponds to a QEMU Translated Block (TB).
23 A TCG "temporary" is a variable only live in a basic
24 block. Temporaries are allocated explicitly in each function.
26 A TCG "local temporary" is a variable only live in a function. Local
27 temporaries are allocated explicitly in each function.
29 A TCG "global" is a variable which is live in all the functions
30 (equivalent of a C global variable). They are defined before the
31 functions defined. A TCG global can be a memory location (e.g. a QEMU
32 CPU register), a fixed host register (e.g. the QEMU CPU state pointer)
33 or a memory location which is stored in a register outside QEMU TBs
34 (not implemented yet).
36 A TCG "basic block" corresponds to a list of instructions terminated
37 by a branch instruction. 
39 3) Intermediate representation
41 3.1) Introduction
43 TCG instructions operate on variables which are temporaries, local
44 temporaries or globals. TCG instructions and variables are strongly
45 typed. Two types are supported: 32 bit integers and 64 bit
46 integers. Pointers are defined as an alias to 32 bit or 64 bit
47 integers depending on the TCG target word size.
49 Each instruction has a fixed number of output variable operands, input
50 variable operands and always constant operands.
52 The notable exception is the call instruction which has a variable
53 number of outputs and inputs.
55 In the textual form, output operands usually come first, followed by
56 input operands, followed by constant operands. The output type is
57 included in the instruction name. Constants are prefixed with a '$'.
59 add_i32 t0, t1, t2  (t0 <- t1 + t2)
61 3.2) Assumptions
63 * Basic blocks
65 - Basic blocks end after branches (e.g. brcond_i32 instruction),
66   goto_tb and exit_tb instructions.
67 - Basic blocks start after the end of a previous basic block, or at a
68   set_label instruction.
70 After the end of a basic block, the content of temporaries is
71 destroyed, but local temporaries and globals are preserved.
73 * Floating point types are not supported yet
75 * Pointers: depending on the TCG target, pointer size is 32 bit or 64
76   bit. The type TCG_TYPE_PTR is an alias to TCG_TYPE_I32 or
77   TCG_TYPE_I64.
79 * Helpers:
81 Using the tcg_gen_helper_x_y it is possible to call any function
82 taking i32, i64 or pointer types. By default, before calling a helper,
83 all globals are stored at their canonical location and it is assumed
84 that the function can modify them. By default, the helper is allowed to
85 modify the CPU state or raise an exception.
87 This can be overridden using the following function modifiers:
88 - TCG_CALL_NO_READ_GLOBALS means that the helper does not read globals,
89   either directly or via an exception. They will not be saved to their
90   canonical locations before calling the helper.
91 - TCG_CALL_NO_WRITE_GLOBALS means that the helper does not modify any globals.
92   They will only be saved to their canonical location before calling helpers,
93   but they won't be reloaded afterwise.
94 - TCG_CALL_NO_SIDE_EFFECTS means that the call to the function is removed if
95   the return value is not used.
97 Note that TCG_CALL_NO_READ_GLOBALS implies TCG_CALL_NO_WRITE_GLOBALS.
99 On some TCG targets (e.g. x86), several calling conventions are
100 supported.
102 * Branches:
104 Use the instruction 'br' to jump to a label.
106 3.3) Code Optimizations
108 When generating instructions, you can count on at least the following
109 optimizations:
111 - Single instructions are simplified, e.g.
113    and_i32 t0, t0, $0xffffffff
114     
115   is suppressed.
117 - A liveness analysis is done at the basic block level. The
118   information is used to suppress moves from a dead variable to
119   another one. It is also used to remove instructions which compute
120   dead results. The later is especially useful for condition code
121   optimization in QEMU.
123   In the following example:
125   add_i32 t0, t1, t2
126   add_i32 t0, t0, $1
127   mov_i32 t0, $1
129   only the last instruction is kept.
131 3.4) Instruction Reference
133 ********* Function call
135 * call <ret> <params> ptr
137 call function 'ptr' (pointer type)
139 <ret> optional 32 bit or 64 bit return value
140 <params> optional 32 bit or 64 bit parameters
142 ********* Jumps/Labels
144 * set_label $label
146 Define label 'label' at the current program point.
148 * br $label
150 Jump to label.
152 * brcond_i32/i64 t0, t1, cond, label
154 Conditional jump if t0 cond t1 is true. cond can be:
155     TCG_COND_EQ
156     TCG_COND_NE
157     TCG_COND_LT /* signed */
158     TCG_COND_GE /* signed */
159     TCG_COND_LE /* signed */
160     TCG_COND_GT /* signed */
161     TCG_COND_LTU /* unsigned */
162     TCG_COND_GEU /* unsigned */
163     TCG_COND_LEU /* unsigned */
164     TCG_COND_GTU /* unsigned */
166 ********* Arithmetic
168 * add_i32/i64 t0, t1, t2
170 t0=t1+t2
172 * sub_i32/i64 t0, t1, t2
174 t0=t1-t2
176 * neg_i32/i64 t0, t1
178 t0=-t1 (two's complement)
180 * mul_i32/i64 t0, t1, t2
182 t0=t1*t2
184 * div_i32/i64 t0, t1, t2
186 t0=t1/t2 (signed). Undefined behavior if division by zero or overflow.
188 * divu_i32/i64 t0, t1, t2
190 t0=t1/t2 (unsigned). Undefined behavior if division by zero.
192 * rem_i32/i64 t0, t1, t2
194 t0=t1%t2 (signed). Undefined behavior if division by zero or overflow.
196 * remu_i32/i64 t0, t1, t2
198 t0=t1%t2 (unsigned). Undefined behavior if division by zero.
200 ********* Logical
202 * and_i32/i64 t0, t1, t2
204 t0=t1&t2
206 * or_i32/i64 t0, t1, t2
208 t0=t1|t2
210 * xor_i32/i64 t0, t1, t2
212 t0=t1^t2
214 * not_i32/i64 t0, t1
216 t0=~t1
218 * andc_i32/i64 t0, t1, t2
220 t0=t1&~t2
222 * eqv_i32/i64 t0, t1, t2
224 t0=~(t1^t2), or equivalently, t0=t1^~t2
226 * nand_i32/i64 t0, t1, t2
228 t0=~(t1&t2)
230 * nor_i32/i64 t0, t1, t2
232 t0=~(t1|t2)
234 * orc_i32/i64 t0, t1, t2
236 t0=t1|~t2
238 ********* Shifts/Rotates
240 * shl_i32/i64 t0, t1, t2
242 t0=t1 << t2. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
244 * shr_i32/i64 t0, t1, t2
246 t0=t1 >> t2 (unsigned). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
248 * sar_i32/i64 t0, t1, t2
250 t0=t1 >> t2 (signed). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
252 * rotl_i32/i64 t0, t1, t2
254 Rotation of t2 bits to the left. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
256 * rotr_i32/i64 t0, t1, t2
258 Rotation of t2 bits to the right. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
260 ********* Misc
262 * mov_i32/i64 t0, t1
264 t0 = t1
266 Move t1 to t0 (both operands must have the same type).
268 * ext8s_i32/i64 t0, t1
269 ext8u_i32/i64 t0, t1
270 ext16s_i32/i64 t0, t1
271 ext16u_i32/i64 t0, t1
272 ext32s_i64 t0, t1
273 ext32u_i64 t0, t1
275 8, 16 or 32 bit sign/zero extension (both operands must have the same type)
277 * bswap16_i32/i64 t0, t1
279 16 bit byte swap on a 32/64 bit value. It assumes that the two/six high order
280 bytes are set to zero.
282 * bswap32_i32/i64 t0, t1
284 32 bit byte swap on a 32/64 bit value. With a 64 bit value, it assumes that
285 the four high order bytes are set to zero.
287 * bswap64_i64 t0, t1
289 64 bit byte swap
291 * discard_i32/i64 t0
293 Indicate that the value of t0 won't be used later. It is useful to
294 force dead code elimination.
296 * deposit_i32/i64 dest, t1, t2, pos, len
298 Deposit T2 as a bitfield into T1, placing the result in DEST.
299 The bitfield is described by POS/LEN, which are immediate values:
301   LEN - the length of the bitfield
302   POS - the position of the first bit, counting from the LSB
304 For example, pos=8, len=4 indicates a 4-bit field at bit 8.
305 This operation would be equivalent to
307   dest = (t1 & ~0x0f00) | ((t2 << 8) & 0x0f00)
310 ********* Conditional moves
312 * setcond_i32/i64 dest, t1, t2, cond
314 dest = (t1 cond t2)
316 Set DEST to 1 if (T1 cond T2) is true, otherwise set to 0.
318 * movcond_i32/i64 dest, c1, c2, v1, v2, cond
320 dest = (c1 cond c2 ? v1 : v2)
322 Set DEST to V1 if (C1 cond C2) is true, otherwise set to V2.
324 ********* Type conversions
326 * ext_i32_i64 t0, t1
327 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does sign extension
329 * extu_i32_i64 t0, t1
330 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does zero extension
332 * trunc_i64_i32 t0, t1
333 Truncate t1 (64 bit) to t0 (32 bit)
335 * concat_i32_i64 t0, t1, t2
336 Construct t0 (64-bit) taking the low half from t1 (32 bit) and the high half
337 from t2 (32 bit).
339 * concat32_i64 t0, t1, t2
340 Construct t0 (64-bit) taking the low half from t1 (64 bit) and the high half
341 from t2 (64 bit).
343 ********* Load/Store
345 * ld_i32/i64 t0, t1, offset
346 ld8s_i32/i64 t0, t1, offset
347 ld8u_i32/i64 t0, t1, offset
348 ld16s_i32/i64 t0, t1, offset
349 ld16u_i32/i64 t0, t1, offset
350 ld32s_i64 t0, t1, offset
351 ld32u_i64 t0, t1, offset
353 t0 = read(t1 + offset)
354 Load 8, 16, 32 or 64 bits with or without sign extension from host memory. 
355 offset must be a constant.
357 * st_i32/i64 t0, t1, offset
358 st8_i32/i64 t0, t1, offset
359 st16_i32/i64 t0, t1, offset
360 st32_i64 t0, t1, offset
362 write(t0, t1 + offset)
363 Write 8, 16, 32 or 64 bits to host memory.
365 All this opcodes assume that the pointed host memory doesn't correspond
366 to a global. In the latter case the behaviour is unpredictable.
368 ********* Multiword arithmetic support
370 * add2_i32/i64 t0_low, t0_high, t1_low, t1_high, t2_low, t2_high
371 * sub2_i32/i64 t0_low, t0_high, t1_low, t1_high, t2_low, t2_high
373 Similar to add/sub, except that the double-word inputs T1 and T2 are
374 formed from two single-word arguments, and the double-word output T0
375 is returned in two single-word outputs.
377 * mulu2_i32/i64 t0_low, t0_high, t1, t2
379 Similar to mul, except two unsigned inputs T1 and T2 yielding the full
380 double-word product T0.  The later is returned in two single-word outputs.
382 * muls2_i32/i64 t0_low, t0_high, t1, t2
384 Similar to mulu2, except the two inputs T1 and T2 are signed.
386 ********* 64-bit guest on 32-bit host support
388 The following opcodes are internal to TCG.  Thus they are to be implemented by
389 32-bit host code generators, but are not to be emitted by guest translators.
390 They are emitted as needed by inline functions within "tcg-op.h".
392 * brcond2_i32 t0_low, t0_high, t1_low, t1_high, cond, label
394 Similar to brcond, except that the 64-bit values T0 and T1
395 are formed from two 32-bit arguments.
397 * setcond2_i32 dest, t1_low, t1_high, t2_low, t2_high, cond
399 Similar to setcond, except that the 64-bit values T1 and T2 are
400 formed from two 32-bit arguments.  The result is a 32-bit value.
402 ********* QEMU specific operations
404 * exit_tb t0
406 Exit the current TB and return the value t0 (word type).
408 * goto_tb index
410 Exit the current TB and jump to the TB index 'index' (constant) if the
411 current TB was linked to this TB. Otherwise execute the next
412 instructions. Only indices 0 and 1 are valid and tcg_gen_goto_tb may be issued
413 at most once with each slot index per TB.
415 * qemu_ld_i32/i64 t0, t1, flags, memidx
416 * qemu_st_i32/i64 t0, t1, flags, memidx
418 Load data at the guest address t1 into t0, or store data in t0 at guest
419 address t1.  The _i32/_i64 size applies to the size of the input/output
420 register t0 only.  The address t1 is always sized according to the guest,
421 and the width of the memory operation is controlled by flags.
423 Both t0 and t1 may be split into little-endian ordered pairs of registers
424 if dealing with 64-bit quantities on a 32-bit host.
426 The memidx selects the qemu tlb index to use (e.g. user or kernel access).
427 The flags are the TCGMemOp bits, selecting the sign, width, and endianness
428 of the memory access.
430 For a 32-bit host, qemu_ld/st_i64 is guaranteed to only be used with a
431 64-bit memory access specified in flags.
433 *********
435 Note 1: Some shortcuts are defined when the last operand is known to be
436 a constant (e.g. addi for add, movi for mov).
438 Note 2: When using TCG, the opcodes must never be generated directly
439 as some of them may not be available as "real" opcodes. Always use the
440 function tcg_gen_xxx(args).
442 4) Backend
444 tcg-target.h contains the target specific definitions. tcg-target.c
445 contains the target specific code.
447 4.1) Assumptions
449 The target word size (TCG_TARGET_REG_BITS) is expected to be 32 bit or
450 64 bit. It is expected that the pointer has the same size as the word.
452 On a 32 bit target, all 64 bit operations are converted to 32 bits. A
453 few specific operations must be implemented to allow it (see add2_i32,
454 sub2_i32, brcond2_i32).
456 Floating point operations are not supported in this version. A
457 previous incarnation of the code generator had full support of them,
458 but it is better to concentrate on integer operations first.
460 On a 64 bit target, no assumption is made in TCG about the storage of
461 the 32 bit values in 64 bit registers.
463 4.2) Constraints
465 GCC like constraints are used to define the constraints of every
466 instruction. Memory constraints are not supported in this
467 version. Aliases are specified in the input operands as for GCC.
469 The same register may be used for both an input and an output, even when
470 they are not explicitly aliased.  If an op expands to multiple target
471 instructions then care must be taken to avoid clobbering input values.
472 GCC style "early clobber" outputs are not currently supported.
474 A target can define specific register or constant constraints. If an
475 operation uses a constant input constraint which does not allow all
476 constants, it must also accept registers in order to have a fallback.
478 The movi_i32 and movi_i64 operations must accept any constants.
480 The mov_i32 and mov_i64 operations must accept any registers of the
481 same type.
483 The ld/st instructions must accept signed 32 bit constant offsets. It
484 can be implemented by reserving a specific register to compute the
485 address if the offset is too big.
487 The ld/st instructions must accept any destination (ld) or source (st)
488 register.
490 4.3) Function call assumptions
492 - The only supported types for parameters and return value are: 32 and
493   64 bit integers and pointer.
494 - The stack grows downwards.
495 - The first N parameters are passed in registers.
496 - The next parameters are passed on the stack by storing them as words.
497 - Some registers are clobbered during the call. 
498 - The function can return 0 or 1 value in registers. On a 32 bit
499   target, functions must be able to return 2 values in registers for
500   64 bit return type.
502 5) Recommended coding rules for best performance
504 - Use globals to represent the parts of the QEMU CPU state which are
505   often modified, e.g. the integer registers and the condition
506   codes. TCG will be able to use host registers to store them.
508 - Avoid globals stored in fixed registers. They must be used only to
509   store the pointer to the CPU state and possibly to store a pointer
510   to a register window.
512 - Use temporaries. Use local temporaries only when really needed,
513   e.g. when you need to use a value after a jump. Local temporaries
514   introduce a performance hit in the current TCG implementation: their
515   content is saved to memory at end of each basic block.
517 - Free temporaries and local temporaries when they are no longer used
518   (tcg_temp_free). Since tcg_const_x() also creates a temporary, you
519   should free it after it is used. Freeing temporaries does not yield
520   a better generated code, but it reduces the memory usage of TCG and
521   the speed of the translation.
523 - Don't hesitate to use helpers for complicated or seldom used guest
524   instructions. There is little performance advantage in using TCG to
525   implement guest instructions taking more than about twenty TCG
526   instructions. Note that this rule of thumb is more applicable to
527   helpers doing complex logic or arithmetic, where the C compiler has
528   scope to do a good job of optimisation; it is less relevant where
529   the instruction is mostly doing loads and stores, and in those cases
530   inline TCG may still be faster for longer sequences.
532 - The hard limit on the number of TCG instructions you can generate
533   per guest instruction is set by MAX_OP_PER_INSTR in exec-all.h --
534   you cannot exceed this without risking a buffer overrun.
536 - Use the 'discard' instruction if you know that TCG won't be able to
537   prove that a given global is "dead" at a given program point. The
538   x86 guest uses it to improve the condition codes optimisation.