Add concat32_i64 and concat_tl_i64 ops
[qemu/mini2440.git] / tcg / README
blob2eeb669c274cf57835fa9a37773d5486e9aeb510
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 end before legacy dyngen operations.
64 - Basic blocks start after the end of a previous basic block, at a
65   set_label instruction or after a legacy dyngen operation.
67 After the end of a basic block, the content of temporaries is
68 destroyed, but local temporaries and globals are preserved.
70 * Floating point types are not supported yet
72 * Pointers: depending on the TCG target, pointer size is 32 bit or 64
73   bit. The type TCG_TYPE_PTR is an alias to TCG_TYPE_I32 or
74   TCG_TYPE_I64.
76 * Helpers:
78 Using the tcg_gen_helper_x_y it is possible to call any function
79 taking i32, i64 or pointer types. Before calling an helper, all
80 globals are stored at their canonical location and it is assumed that
81 the function can modify them. In the future, function modifiers will
82 be allowed to tell that the helper does not read or write some globals.
84 On some TCG targets (e.g. x86), several calling conventions are
85 supported.
87 * Branches:
89 Use the instruction 'br' to jump to a label. Use 'jmp' to jump to an
90 explicit address. Conditional branches can only jump to labels.
92 3.3) Code Optimizations
94 When generating instructions, you can count on at least the following
95 optimizations:
97 - Single instructions are simplified, e.g.
99    and_i32 t0, t0, $0xffffffff
100     
101   is suppressed.
103 - A liveness analysis is done at the basic block level. The
104   information is used to suppress moves from a dead variable to
105   another one. It is also used to remove instructions which compute
106   dead results. The later is especially useful for condition code
107   optimization in QEMU.
109   In the following example:
111   add_i32 t0, t1, t2
112   add_i32 t0, t0, $1
113   mov_i32 t0, $1
115   only the last instruction is kept.
117 3.4) Instruction Reference
119 ********* Function call
121 * call <ret> <params> ptr
123 call function 'ptr' (pointer type)
125 <ret> optional 32 bit or 64 bit return value
126 <params> optional 32 bit or 64 bit parameters
128 ********* Jumps/Labels
130 * jmp t0
132 Absolute jump to address t0 (pointer type).
134 * set_label $label
136 Define label 'label' at the current program point.
138 * br $label
140 Jump to label.
142 * brcond_i32/i64 cond, t0, t1, label
144 Conditional jump if t0 cond t1 is true. cond can be:
145     TCG_COND_EQ
146     TCG_COND_NE
147     TCG_COND_LT /* signed */
148     TCG_COND_GE /* signed */
149     TCG_COND_LE /* signed */
150     TCG_COND_GT /* signed */
151     TCG_COND_LTU /* unsigned */
152     TCG_COND_GEU /* unsigned */
153     TCG_COND_LEU /* unsigned */
154     TCG_COND_GTU /* unsigned */
156 ********* Arithmetic
158 * add_i32/i64 t0, t1, t2
160 t0=t1+t2
162 * sub_i32/i64 t0, t1, t2
164 t0=t1-t2
166 * neg_i32/i64 t0, t1
168 t0=-t1 (two's complement)
170 * mul_i32/i64 t0, t1, t2
172 t0=t1*t2
174 * div_i32/i64 t0, t1, t2
176 t0=t1/t2 (signed). Undefined behavior if division by zero or overflow.
178 * divu_i32/i64 t0, t1, t2
180 t0=t1/t2 (unsigned). Undefined behavior if division by zero.
182 * rem_i32/i64 t0, t1, t2
184 t0=t1%t2 (signed). Undefined behavior if division by zero or overflow.
186 * remu_i32/i64 t0, t1, t2
188 t0=t1%t2 (unsigned). Undefined behavior if division by zero.
190 ********* Logical
192 * and_i32/i64 t0, t1, t2
194 t0=t1&t2
196 * or_i32/i64 t0, t1, t2
198 t0=t1|t2
200 * xor_i32/i64 t0, t1, t2
202 t0=t1^t2
204 * not_i32/i64 t0, t1
206 t0=~t1
208 ********* Shifts
210 * shl_i32/i64 t0, t1, t2
212 t0=t1 << t2. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
214 * shr_i32/i64 t0, t1, t2
216 t0=t1 >> t2 (unsigned). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
218 * sar_i32/i64 t0, t1, t2
220 t0=t1 >> t2 (signed). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
222 ********* Misc
224 * mov_i32/i64 t0, t1
226 t0 = t1
228 Move t1 to t0 (both operands must have the same type).
230 * ext8s_i32/i64 t0, t1
231 ext8u_i32/i64 t0, t1
232 ext16s_i32/i64 t0, t1
233 ext16u_i32/i64 t0, t1
234 ext32s_i64 t0, t1
235 ext32u_i64 t0, t1
237 8, 16 or 32 bit sign/zero extension (both operands must have the same type)
239 * bswap16_i32 t0, t1
241 16 bit byte swap on a 32 bit value. The two high order bytes must be set
242 to zero.
244 * bswap_i32 t0, t1
246 32 bit byte swap
248 * bswap_i64 t0, t1
250 64 bit byte swap
252 * discard_i32/i64 t0
254 Indicate that the value of t0 won't be used later. It is useful to
255 force dead code elimination.
257 ********* Type conversions
259 * ext_i32_i64 t0, t1
260 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does sign extension
262 * extu_i32_i64 t0, t1
263 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does zero extension
265 * trunc_i64_i32 t0, t1
266 Truncate t1 (64 bit) to t0 (32 bit)
268 * concat_i32_i64 t0, t1, t2
269 Construct t0 (64-bit) taking the low half from t1 (32 bit) and the high half
270 from t2 (32 bit).
272 * concat32_i64 t0, t1, t2
273 Construct t0 (64-bit) taking the low half from t1 (64 bit) and the high half
274 from t2 (64 bit).
276 ********* Load/Store
278 * ld_i32/i64 t0, t1, offset
279 ld8s_i32/i64 t0, t1, offset
280 ld8u_i32/i64 t0, t1, offset
281 ld16s_i32/i64 t0, t1, offset
282 ld16u_i32/i64 t0, t1, offset
283 ld32s_i64 t0, t1, offset
284 ld32u_i64 t0, t1, offset
286 t0 = read(t1 + offset)
287 Load 8, 16, 32 or 64 bits with or without sign extension from host memory. 
288 offset must be a constant.
290 * st_i32/i64 t0, t1, offset
291 st8_i32/i64 t0, t1, offset
292 st16_i32/i64 t0, t1, offset
293 st32_i64 t0, t1, offset
295 write(t0, t1 + offset)
296 Write 8, 16, 32 or 64 bits to host memory.
298 ********* QEMU specific operations
300 * tb_exit t0
302 Exit the current TB and return the value t0 (word type).
304 * goto_tb index
306 Exit the current TB and jump to the TB index 'index' (constant) if the
307 current TB was linked to this TB. Otherwise execute the next
308 instructions.
310 * qemu_ld_i32/i64 t0, t1, flags
311 qemu_ld8u_i32/i64 t0, t1, flags
312 qemu_ld8s_i32/i64 t0, t1, flags
313 qemu_ld16u_i32/i64 t0, t1, flags
314 qemu_ld16s_i32/i64 t0, t1, flags
315 qemu_ld32u_i64 t0, t1, flags
316 qemu_ld32s_i64 t0, t1, flags
318 Load data at the QEMU CPU address t1 into t0. t1 has the QEMU CPU
319 address type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or
320 kernel access) for example.
322 * qemu_st_i32/i64 t0, t1, flags
323 qemu_st8_i32/i64 t0, t1, flags
324 qemu_st16_i32/i64 t0, t1, flags
325 qemu_st32_i64 t0, t1, flags
327 Store the data t0 at the QEMU CPU Address t1. t1 has the QEMU CPU
328 address type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or
329 kernel access) for example.
331 Note 1: Some shortcuts are defined when the last operand is known to be
332 a constant (e.g. addi for add, movi for mov).
334 Note 2: When using TCG, the opcodes must never be generated directly
335 as some of them may not be available as "real" opcodes. Always use the
336 function tcg_gen_xxx(args).
338 4) Backend
340 tcg-target.h contains the target specific definitions. tcg-target.c
341 contains the target specific code.
343 4.1) Assumptions
345 The target word size (TCG_TARGET_REG_BITS) is expected to be 32 bit or
346 64 bit. It is expected that the pointer has the same size as the word.
348 On a 32 bit target, all 64 bit operations are converted to 32 bits. A
349 few specific operations must be implemented to allow it (see add2_i32,
350 sub2_i32, brcond2_i32).
352 Floating point operations are not supported in this version. A
353 previous incarnation of the code generator had full support of them,
354 but it is better to concentrate on integer operations first.
356 On a 64 bit target, no assumption is made in TCG about the storage of
357 the 32 bit values in 64 bit registers.
359 4.2) Constraints
361 GCC like constraints are used to define the constraints of every
362 instruction. Memory constraints are not supported in this
363 version. Aliases are specified in the input operands as for GCC.
365 A target can define specific register or constant constraints. If an
366 operation uses a constant input constraint which does not allow all
367 constants, it must also accept registers in order to have a fallback.
369 The movi_i32 and movi_i64 operations must accept any constants.
371 The mov_i32 and mov_i64 operations must accept any registers of the
372 same type.
374 The ld/st instructions must accept signed 32 bit constant offsets. It
375 can be implemented by reserving a specific register to compute the
376 address if the offset is too big.
378 The ld/st instructions must accept any destination (ld) or source (st)
379 register.
381 4.3) Function call assumptions
383 - The only supported types for parameters and return value are: 32 and
384   64 bit integers and pointer.
385 - The stack grows downwards.
386 - The first N parameters are passed in registers.
387 - The next parameters are passed on the stack by storing them as words.
388 - Some registers are clobbered during the call. 
389 - The function can return 0 or 1 value in registers. On a 32 bit
390   target, functions must be able to return 2 values in registers for
391   64 bit return type.
393 5) Migration from dyngen to TCG
395 TCG is backward compatible with QEMU "dyngen" operations. It means
396 that TCG instructions can be freely mixed with dyngen operations. It
397 is expected that QEMU targets will be progressively fully converted to
398 TCG. Once a target is fully converted to TCG, it will be possible
399 to apply more optimizations because more registers will be free for
400 the generated code.
402 The exception model is the same as the dyngen one.
404 6) Recommended coding rules for best performance
406 - Use globals to represent the parts of the QEMU CPU state which are
407   often modified, e.g. the integer registers and the condition
408   codes. TCG will be able to use host registers to store them.
410 - Avoid globals stored in fixed registers. They must be used only to
411   store the pointer to the CPU state and possibly to store a pointer
412   to a register window. The other uses are to ensure backward
413   compatibility with dyngen during the porting a new target to TCG.
415 - Use temporaries. Use local temporaries only when really needed,
416   e.g. when you need to use a value after a jump. Local temporaries
417   introduce a performance hit in the current TCG implementation: their
418   content is saved to memory at end of each basic block.
420 - Free temporaries and local temporaries when they are no longer used
421   (tcg_temp_free). Since tcg_const_x() also creates a temporary, you
422   should free it after it is used. Freeing temporaries does not yield
423   a better generated code, but it reduces the memory usage of TCG and
424   the speed of the translation.
426 - Don't hesitate to use helpers for complicated or seldom used target
427   intructions. There is little performance advantage in using TCG to
428   implement target instructions taking more than about twenty TCG
429   instructions.
431 - Use the 'discard' instruction if you know that TCG won't be able to
432   prove that a given global is "dead" at a given program point. The
433   x86 target uses it to improve the condition codes optimisation.