Use TARGET_VIRT_ADDR_SPACE_BITS in h2g_valid.
[qemu/aliguori-queue.git] / tcg / README
blobf0e21a1c1d28b38d03a24168affe8b8e3c45c6e5
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. Before calling an helper, all
79 globals are stored at their canonical location and it is assumed that
80 the function can modify them. In the future, function modifiers will
81 be allowed to tell that the helper does not read or write some globals.
83 On some TCG targets (e.g. x86), several calling conventions are
84 supported.
86 * Branches:
88 Use the instruction 'br' to jump to a label. Use 'jmp' to jump to an
89 explicit address. Conditional branches can only jump to labels.
91 3.3) Code Optimizations
93 When generating instructions, you can count on at least the following
94 optimizations:
96 - Single instructions are simplified, e.g.
98    and_i32 t0, t0, $0xffffffff
99     
100   is suppressed.
102 - A liveness analysis is done at the basic block level. The
103   information is used to suppress moves from a dead variable to
104   another one. It is also used to remove instructions which compute
105   dead results. The later is especially useful for condition code
106   optimization in QEMU.
108   In the following example:
110   add_i32 t0, t1, t2
111   add_i32 t0, t0, $1
112   mov_i32 t0, $1
114   only the last instruction is kept.
116 3.4) Instruction Reference
118 ********* Function call
120 * call <ret> <params> ptr
122 call function 'ptr' (pointer type)
124 <ret> optional 32 bit or 64 bit return value
125 <params> optional 32 bit or 64 bit parameters
127 ********* Jumps/Labels
129 * jmp t0
131 Absolute jump to address t0 (pointer type).
133 * set_label $label
135 Define label 'label' at the current program point.
137 * br $label
139 Jump to label.
141 * brcond_i32/i64 cond, t0, t1, label
143 Conditional jump if t0 cond t1 is true. cond can be:
144     TCG_COND_EQ
145     TCG_COND_NE
146     TCG_COND_LT /* signed */
147     TCG_COND_GE /* signed */
148     TCG_COND_LE /* signed */
149     TCG_COND_GT /* signed */
150     TCG_COND_LTU /* unsigned */
151     TCG_COND_GEU /* unsigned */
152     TCG_COND_LEU /* unsigned */
153     TCG_COND_GTU /* unsigned */
155 ********* Arithmetic
157 * add_i32/i64 t0, t1, t2
159 t0=t1+t2
161 * sub_i32/i64 t0, t1, t2
163 t0=t1-t2
165 * neg_i32/i64 t0, t1
167 t0=-t1 (two's complement)
169 * mul_i32/i64 t0, t1, t2
171 t0=t1*t2
173 * div_i32/i64 t0, t1, t2
175 t0=t1/t2 (signed). Undefined behavior if division by zero or overflow.
177 * divu_i32/i64 t0, t1, t2
179 t0=t1/t2 (unsigned). Undefined behavior if division by zero.
181 * rem_i32/i64 t0, t1, t2
183 t0=t1%t2 (signed). Undefined behavior if division by zero or overflow.
185 * remu_i32/i64 t0, t1, t2
187 t0=t1%t2 (unsigned). Undefined behavior if division by zero.
189 ********* Logical
191 * and_i32/i64 t0, t1, t2
193 t0=t1&t2
195 * or_i32/i64 t0, t1, t2
197 t0=t1|t2
199 * xor_i32/i64 t0, t1, t2
201 t0=t1^t2
203 * not_i32/i64 t0, t1
205 t0=~t1
207 * andc_i32/i64 t0, t1, t2
209 t0=t1&~t2
211 * eqv_i32/i64 t0, t1, t2
213 t0=~(t1^t2)
215 * nand_i32/i64 t0, t1, t2
217 t0=~(t1&t2)
219 * nor_i32/i64 t0, t1, t2
221 t0=~(t1|t2)
223 * orc_i32/i64 t0, t1, t2
225 t0=t1|~t2
227 ********* Shifts/Rotates
229 * shl_i32/i64 t0, t1, t2
231 t0=t1 << t2. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
233 * shr_i32/i64 t0, t1, t2
235 t0=t1 >> t2 (unsigned). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
237 * sar_i32/i64 t0, t1, t2
239 t0=t1 >> t2 (signed). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
241 * rotl_i32/i64 t0, t1, t2
243 Rotation of t2 bits to the left. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
245 * rotr_i32/i64 t0, t1, t2
247 Rotation of t2 bits to the right. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
249 ********* Misc
251 * mov_i32/i64 t0, t1
253 t0 = t1
255 Move t1 to t0 (both operands must have the same type).
257 * ext8s_i32/i64 t0, t1
258 ext8u_i32/i64 t0, t1
259 ext16s_i32/i64 t0, t1
260 ext16u_i32/i64 t0, t1
261 ext32s_i64 t0, t1
262 ext32u_i64 t0, t1
264 8, 16 or 32 bit sign/zero extension (both operands must have the same type)
266 * bswap16_i32/i64 t0, t1
268 16 bit byte swap on a 32/64 bit value. The two/six high order bytes must be
269 set to zero.
271 * bswap32_i32/i64 t0, t1
273 32 bit byte swap on a 32/64 bit value. With a 64 bit value, the four high
274 order bytes must be set to zero.
276 * bswap64_i64 t0, t1
278 64 bit byte swap
280 * discard_i32/i64 t0
282 Indicate that the value of t0 won't be used later. It is useful to
283 force dead code elimination.
285 ********* Conditional moves
287 * setcond_i32/i64 cond, dest, t1, t2
289 dest = (t1 cond t2)
291 Set DEST to 1 if (T1 cond T2) is true, otherwise set to 0.
293 ********* Type conversions
295 * ext_i32_i64 t0, t1
296 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does sign extension
298 * extu_i32_i64 t0, t1
299 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does zero extension
301 * trunc_i64_i32 t0, t1
302 Truncate t1 (64 bit) to t0 (32 bit)
304 * concat_i32_i64 t0, t1, t2
305 Construct t0 (64-bit) taking the low half from t1 (32 bit) and the high half
306 from t2 (32 bit).
308 * concat32_i64 t0, t1, t2
309 Construct t0 (64-bit) taking the low half from t1 (64 bit) and the high half
310 from t2 (64 bit).
312 ********* Load/Store
314 * ld_i32/i64 t0, t1, offset
315 ld8s_i32/i64 t0, t1, offset
316 ld8u_i32/i64 t0, t1, offset
317 ld16s_i32/i64 t0, t1, offset
318 ld16u_i32/i64 t0, t1, offset
319 ld32s_i64 t0, t1, offset
320 ld32u_i64 t0, t1, offset
322 t0 = read(t1 + offset)
323 Load 8, 16, 32 or 64 bits with or without sign extension from host memory. 
324 offset must be a constant.
326 * st_i32/i64 t0, t1, offset
327 st8_i32/i64 t0, t1, offset
328 st16_i32/i64 t0, t1, offset
329 st32_i64 t0, t1, offset
331 write(t0, t1 + offset)
332 Write 8, 16, 32 or 64 bits to host memory.
334 ********* 64-bit target on 32-bit host support
336 The following opcodes are internal to TCG.  Thus they are to be implemented by
337 32-bit host code generators, but are not to be emitted by guest translators.
338 They are emitted as needed by inline functions within "tcg-op.h".
340 * brcond2_i32 cond, t0_low, t0_high, t1_low, t1_high, label
342 Similar to brcond, except that the 64-bit values T0 and T1
343 are formed from two 32-bit arguments.
345 * add2_i32 t0_low, t0_high, t1_low, t1_high, t2_low, t2_high
346 * sub2_i32 t0_low, t0_high, t1_low, t1_high, t2_low, t2_high
348 Similar to add/sub, except that the 64-bit inputs T1 and T2 are
349 formed from two 32-bit arguments, and the 64-bit output T0
350 is returned in two 32-bit outputs.
352 * mulu2_i32 t0_low, t0_high, t1, t2
354 Similar to mul, except two 32-bit (unsigned) inputs T1 and T2 yielding
355 the full 64-bit product T0.  The later is returned in two 32-bit outputs.
357 * setcond2_i32 cond, dest, t1_low, t1_high, t2_low, t2_high
359 Similar to setcond, except that the 64-bit values T1 and T2 are
360 formed from two 32-bit arguments.  The result is a 32-bit value.
362 ********* QEMU specific operations
364 * tb_exit t0
366 Exit the current TB and return the value t0 (word type).
368 * goto_tb index
370 Exit the current TB and jump to the TB index 'index' (constant) if the
371 current TB was linked to this TB. Otherwise execute the next
372 instructions.
374 * qemu_ld8u t0, t1, flags
375 qemu_ld8s t0, t1, flags
376 qemu_ld16u t0, t1, flags
377 qemu_ld16s t0, t1, flags
378 qemu_ld32u t0, t1, flags
379 qemu_ld32s t0, t1, flags
380 qemu_ld64 t0, t1, flags
382 Load data at the QEMU CPU address t1 into t0. t1 has the QEMU CPU
383 address type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or
384 kernel access) for example.
386 * qemu_st8 t0, t1, flags
387 qemu_st16 t0, t1, flags
388 qemu_st32 t0, t1, flags
389 qemu_st64 t0, t1, flags
391 Store the data t0 at the QEMU CPU Address t1. t1 has the QEMU CPU
392 address type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or
393 kernel access) for example.
395 Note 1: Some shortcuts are defined when the last operand is known to be
396 a constant (e.g. addi for add, movi for mov).
398 Note 2: When using TCG, the opcodes must never be generated directly
399 as some of them may not be available as "real" opcodes. Always use the
400 function tcg_gen_xxx(args).
402 4) Backend
404 tcg-target.h contains the target specific definitions. tcg-target.c
405 contains the target specific code.
407 4.1) Assumptions
409 The target word size (TCG_TARGET_REG_BITS) is expected to be 32 bit or
410 64 bit. It is expected that the pointer has the same size as the word.
412 On a 32 bit target, all 64 bit operations are converted to 32 bits. A
413 few specific operations must be implemented to allow it (see add2_i32,
414 sub2_i32, brcond2_i32).
416 Floating point operations are not supported in this version. A
417 previous incarnation of the code generator had full support of them,
418 but it is better to concentrate on integer operations first.
420 On a 64 bit target, no assumption is made in TCG about the storage of
421 the 32 bit values in 64 bit registers.
423 4.2) Constraints
425 GCC like constraints are used to define the constraints of every
426 instruction. Memory constraints are not supported in this
427 version. Aliases are specified in the input operands as for GCC.
429 The same register may be used for both an input and an output, even when
430 they are not explicitly aliased.  If an op expands to multiple target
431 instructions then care must be taken to avoid clobbering input values.
432 GCC style "early clobber" outputs are not currently supported.
434 A target can define specific register or constant constraints. If an
435 operation uses a constant input constraint which does not allow all
436 constants, it must also accept registers in order to have a fallback.
438 The movi_i32 and movi_i64 operations must accept any constants.
440 The mov_i32 and mov_i64 operations must accept any registers of the
441 same type.
443 The ld/st instructions must accept signed 32 bit constant offsets. It
444 can be implemented by reserving a specific register to compute the
445 address if the offset is too big.
447 The ld/st instructions must accept any destination (ld) or source (st)
448 register.
450 4.3) Function call assumptions
452 - The only supported types for parameters and return value are: 32 and
453   64 bit integers and pointer.
454 - The stack grows downwards.
455 - The first N parameters are passed in registers.
456 - The next parameters are passed on the stack by storing them as words.
457 - Some registers are clobbered during the call. 
458 - The function can return 0 or 1 value in registers. On a 32 bit
459   target, functions must be able to return 2 values in registers for
460   64 bit return type.
462 5) Recommended coding rules for best performance
464 - Use globals to represent the parts of the QEMU CPU state which are
465   often modified, e.g. the integer registers and the condition
466   codes. TCG will be able to use host registers to store them.
468 - Avoid globals stored in fixed registers. They must be used only to
469   store the pointer to the CPU state and possibly to store a pointer
470   to a register window.
472 - Use temporaries. Use local temporaries only when really needed,
473   e.g. when you need to use a value after a jump. Local temporaries
474   introduce a performance hit in the current TCG implementation: their
475   content is saved to memory at end of each basic block.
477 - Free temporaries and local temporaries when they are no longer used
478   (tcg_temp_free). Since tcg_const_x() also creates a temporary, you
479   should free it after it is used. Freeing temporaries does not yield
480   a better generated code, but it reduces the memory usage of TCG and
481   the speed of the translation.
483 - Don't hesitate to use helpers for complicated or seldom used target
484   intructions. There is little performance advantage in using TCG to
485   implement target instructions taking more than about twenty TCG
486   instructions.
488 - Use the 'discard' instruction if you know that TCG won't be able to
489   prove that a given global is "dead" at a given program point. The
490   x86 target uses it to improve the condition codes optimisation.