tcg/README

   1 Tiny Code Generator - Fabrice Bellard.
   2
   3 1) Introduction
   4
   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.
   8
   9 2) Definitions
  10
  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.
  16
  17 A TCG "function" corresponds to a QEMU Translated Block (TB).
  18
  19 A TCG "temporary" is a variable only live in a basic
  20 block. Temporaries are allocated explicitly in each function.
  21
  22 A TCG "local temporary" is a variable only live in a function. Local
  23 temporaries are allocated explicitly in each function.
  24
  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).
  31
  32 A TCG "basic block" corresponds to a list of instructions terminated
  33 by a branch instruction.
  34
  35 3) Intermediate representation
  36
  37 3.1) Introduction
  38
  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.
  44
  45 Each instruction has a fixed number of output variable operands, input
  46 variable operands and always constant operands.
  47
  48 The notable exception is the call instruction which has a variable
  49 number of outputs and inputs.
  50
  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 '$'.
  54
  55 add_i32 t0, t1, t2  (t0 <- t1 + t2)
  56
  57 3.2) Assumptions
  58
  59 * Basic blocks
  60
  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.
  65
  66 After the end of a basic block, the content of temporaries is
  67 destroyed, but local temporaries and globals are preserved.
  68
  69 * Floating point types are not supported yet
  70
  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.
  74
  75 * Helpers:
  76
  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.
  82
  83 On some TCG targets (e.g. x86), several calling conventions are
  84 supported.
  85
  86 * Branches:
  87
  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.
  90
  91 3.3) Code Optimizations
  92
  93 When generating instructions, you can count on at least the following
  94 optimizations:
  95
  96 - Single instructions are simplified, e.g.
  97
  98    and_i32 t0, t0, $0xffffffff
  99
 100   is suppressed.
 101
 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.
 107
 108   In the following example:
 109
 110   add_i32 t0, t1, t2
 111   add_i32 t0, t0, $1
 112   mov_i32 t0, $1
 113
 114   only the last instruction is kept.
 115
 116 3.4) Instruction Reference
 117
 118 ********* Function call
 119
 120 * call <ret> <params> ptr
 121
 122 call function 'ptr' (pointer type)
 123
 124 <ret> optional 32 bit or 64 bit return value
 125 <params> optional 32 bit or 64 bit parameters
 126
 127 ********* Jumps/Labels
 128
 129 * jmp t0
 130
 131 Absolute jump to address t0 (pointer type).
 132
 133 * set_label $label
 134
 135 Define label 'label' at the current program point.
 136
 137 * br $label
 138
 139 Jump to label.
 140
 141 * brcond_i32/i64 cond, t0, t1, label
 142
 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 */
 154
 155 ********* Arithmetic
 156
 157 * add_i32/i64 t0, t1, t2
 158
 159 t0=t1+t2
 160
 161 * sub_i32/i64 t0, t1, t2
 162
 163 t0=t1-t2
 164
 165 * neg_i32/i64 t0, t1
 166
 167 t0=-t1 (two's complement)
 168
 169 * mul_i32/i64 t0, t1, t2
 170
 171 t0=t1*t2
 172
 173 * div_i32/i64 t0, t1, t2
 174
 175 t0=t1/t2 (signed). Undefined behavior if division by zero or overflow.
 176
 177 * divu_i32/i64 t0, t1, t2
 178
 179 t0=t1/t2 (unsigned). Undefined behavior if division by zero.
 180
 181 * rem_i32/i64 t0, t1, t2
 182
 183 t0=t1%t2 (signed). Undefined behavior if division by zero or overflow.
 184
 185 * remu_i32/i64 t0, t1, t2
 186
 187 t0=t1%t2 (unsigned). Undefined behavior if division by zero.
 188
 189 ********* Logical
 190
 191 * and_i32/i64 t0, t1, t2
 192
 193 t0=t1&t2
 194
 195 * or_i32/i64 t0, t1, t2
 196
 197 t0=t1|t2
 198
 199 * xor_i32/i64 t0, t1, t2
 200
 201 t0=t1^t2
 202
 203 * not_i32/i64 t0, t1
 204
 205 t0=~t1
 206
 207 * andc_i32/i64 t0, t1, t2
 208
 209 t0=t1&~t2
 210
 211 * eqv_i32/i64 t0, t1, t2
 212
 213 t0=~(t1^t2)
 214
 215 * nand_i32/i64 t0, t1, t2
 216
 217 t0=~(t1&t2)
 218
 219 * nor_i32/i64 t0, t1, t2
 220
 221 t0=~(t1|t2)
 222
 223 * orc_i32/i64 t0, t1, t2
 224
 225 t0=t1|~t2
 226
 227 ********* Shifts/Rotates
 228
 229 * shl_i32/i64 t0, t1, t2
 230
 231 t0=t1 << t2. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
 232
 233 * shr_i32/i64 t0, t1, t2
 234
 235 t0=t1 >> t2 (unsigned). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
 236
 237 * sar_i32/i64 t0, t1, t2
 238
 239 t0=t1 >> t2 (signed). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
 240
 241 * rotl_i32/i64 t0, t1, t2
 242
 243 Rotation of t2 bits to the left. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
 244
 245 * rotr_i32/i64 t0, t1, t2
 246
 247 Rotation of t2 bits to the right. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
 248
 249 ********* Misc
 250
 251 * mov_i32/i64 t0, t1
 252
 253 t0 = t1
 254
 255 Move t1 to t0 (both operands must have the same type).
 256
 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
 263
 264 8, 16 or 32 bit sign/zero extension (both operands must have the same type)
 265
 266 * bswap16_i32 t0, t1
 267
 268 16 bit byte swap on a 32 bit value. The two high order bytes must be set
 269 to zero.
 270
 271 * bswap_i32 t0, t1
 272
 273 32 bit byte swap
 274
 275 * bswap_i64 t0, t1
 276
 277 64 bit byte swap
 278
 279 * discard_i32/i64 t0
 280
 281 Indicate that the value of t0 won't be used later. It is useful to
 282 force dead code elimination.
 283
 284 ********* Type conversions
 285
 286 * ext_i32_i64 t0, t1
 287 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does sign extension
 288
 289 * extu_i32_i64 t0, t1
 290 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does zero extension
 291
 292 * trunc_i64_i32 t0, t1
 293 Truncate t1 (64 bit) to t0 (32 bit)
 294
 295 * concat_i32_i64 t0, t1, t2
 296 Construct t0 (64-bit) taking the low half from t1 (32 bit) and the high half
 297 from t2 (32 bit).
 298
 299 * concat32_i64 t0, t1, t2
 300 Construct t0 (64-bit) taking the low half from t1 (64 bit) and the high half
 301 from t2 (64 bit).
 302
 303 ********* Load/Store
 304
 305 * ld_i32/i64 t0, t1, offset
 306 ld8s_i32/i64 t0, t1, offset
 307 ld8u_i32/i64 t0, t1, offset
 308 ld16s_i32/i64 t0, t1, offset
 309 ld16u_i32/i64 t0, t1, offset
 310 ld32s_i64 t0, t1, offset
 311 ld32u_i64 t0, t1, offset
 312
 313 t0 = read(t1 + offset)
 314 Load 8, 16, 32 or 64 bits with or without sign extension from host memory.
 315 offset must be a constant.
 316
 317 * st_i32/i64 t0, t1, offset
 318 st8_i32/i64 t0, t1, offset
 319 st16_i32/i64 t0, t1, offset
 320 st32_i64 t0, t1, offset
 321
 322 write(t0, t1 + offset)
 323 Write 8, 16, 32 or 64 bits to host memory.
 324
 325 ********* QEMU specific operations
 326
 327 * tb_exit t0
 328
 329 Exit the current TB and return the value t0 (word type).
 330
 331 * goto_tb index
 332
 333 Exit the current TB and jump to the TB index 'index' (constant) if the
 334 current TB was linked to this TB. Otherwise execute the next
 335 instructions.
 336
 337 * qemu_ld_i32/i64 t0, t1, flags
 338 qemu_ld8u_i32/i64 t0, t1, flags
 339 qemu_ld8s_i32/i64 t0, t1, flags
 340 qemu_ld16u_i32/i64 t0, t1, flags
 341 qemu_ld16s_i32/i64 t0, t1, flags
 342 qemu_ld32u_i64 t0, t1, flags
 343 qemu_ld32s_i64 t0, t1, flags
 344
 345 Load data at the QEMU CPU address t1 into t0. t1 has the QEMU CPU
 346 address type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or
 347 kernel access) for example.
 348
 349 * qemu_st_i32/i64 t0, t1, flags
 350 qemu_st8_i32/i64 t0, t1, flags
 351 qemu_st16_i32/i64 t0, t1, flags
 352 qemu_st32_i64 t0, t1, flags
 353
 354 Store the data t0 at the QEMU CPU Address t1. t1 has the QEMU CPU
 355 address type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or
 356 kernel access) for example.
 357
 358 Note 1: Some shortcuts are defined when the last operand is known to be
 359 a constant (e.g. addi for add, movi for mov).
 360
 361 Note 2: When using TCG, the opcodes must never be generated directly
 362 as some of them may not be available as "real" opcodes. Always use the
 363 function tcg_gen_xxx(args).
 364
 365 4) Backend
 366
 367 tcg-target.h contains the target specific definitions. tcg-target.c
 368 contains the target specific code.
 369
 370 4.1) Assumptions
 371
 372 The target word size (TCG_TARGET_REG_BITS) is expected to be 32 bit or
 373 64 bit. It is expected that the pointer has the same size as the word.
 374
 375 On a 32 bit target, all 64 bit operations are converted to 32 bits. A
 376 few specific operations must be implemented to allow it (see add2_i32,
 377 sub2_i32, brcond2_i32).
 378
 379 Floating point operations are not supported in this version. A
 380 previous incarnation of the code generator had full support of them,
 381 but it is better to concentrate on integer operations first.
 382
 383 On a 64 bit target, no assumption is made in TCG about the storage of
 384 the 32 bit values in 64 bit registers.
 385
 386 4.2) Constraints
 387
 388 GCC like constraints are used to define the constraints of every
 389 instruction. Memory constraints are not supported in this
 390 version. Aliases are specified in the input operands as for GCC.
 391
 392 The same register may be used for both an input and an output, even when
 393 they are not explicitly aliased.  If an op expands to multiple target
 394 instructions then care must be taken to avoid clobbering input values.
 395 GCC style "early clobber" outputs are not currently supported.
 396
 397 A target can define specific register or constant constraints. If an
 398 operation uses a constant input constraint which does not allow all
 399 constants, it must also accept registers in order to have a fallback.
 400
 401 The movi_i32 and movi_i64 operations must accept any constants.
 402
 403 The mov_i32 and mov_i64 operations must accept any registers of the
 404 same type.
 405
 406 The ld/st instructions must accept signed 32 bit constant offsets. It
 407 can be implemented by reserving a specific register to compute the
 408 address if the offset is too big.
 409
 410 The ld/st instructions must accept any destination (ld) or source (st)
 411 register.
 412
 413 4.3) Function call assumptions
 414
 415 - The only supported types for parameters and return value are: 32 and
 416   64 bit integers and pointer.
 417 - The stack grows downwards.
 418 - The first N parameters are passed in registers.
 419 - The next parameters are passed on the stack by storing them as words.
 420 - Some registers are clobbered during the call.
 421 - The function can return 0 or 1 value in registers. On a 32 bit
 422   target, functions must be able to return 2 values in registers for
 423   64 bit return type.
 424
 425 5) Recommended coding rules for best performance
 426
 427 - Use globals to represent the parts of the QEMU CPU state which are
 428   often modified, e.g. the integer registers and the condition
 429   codes. TCG will be able to use host registers to store them.
 430
 431 - Avoid globals stored in fixed registers. They must be used only to
 432   store the pointer to the CPU state and possibly to store a pointer
 433   to a register window.
 434
 435 - Use temporaries. Use local temporaries only when really needed,
 436   e.g. when you need to use a value after a jump. Local temporaries
 437   introduce a performance hit in the current TCG implementation: their
 438   content is saved to memory at end of each basic block.
 439
 440 - Free temporaries and local temporaries when they are no longer used
 441   (tcg_temp_free). Since tcg_const_x() also creates a temporary, you
 442   should free it after it is used. Freeing temporaries does not yield
 443   a better generated code, but it reduces the memory usage of TCG and
 444   the speed of the translation.
 445
 446 - Don't hesitate to use helpers for complicated or seldom used target
 447   intructions. There is little performance advantage in using TCG to
 448   implement target instructions taking more than about twenty TCG
 449   instructions.
 450
 451 - Use the 'discard' instruction if you know that TCG won't be able to
 452   prove that a given global is "dead" at a given program point. The
 453   x86 target uses it to improve the condition codes optimisation.