tcg-ops.h: add rotl/rotli and rotr/rotri TCG instructions
[qemu] / 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 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.
66
67 After the end of a basic block, the content of temporaries is
68 destroyed, but local temporaries and globals are preserved.
69
70 * Floating point types are not supported yet
71
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.
75
76 * Helpers:
77
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.
83
84 On some TCG targets (e.g. x86), several calling conventions are
85 supported.
86
87 * Branches:
88
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.
91
92 3.3) Code Optimizations
93
94 When generating instructions, you can count on at least the following
95 optimizations:
96
97 - Single instructions are simplified, e.g.
98
99    and_i32 t0, t0, $0xffffffff
100     
101   is suppressed.
102
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.
108
109   In the following example:
110
111   add_i32 t0, t1, t2
112   add_i32 t0, t0, $1
113   mov_i32 t0, $1
114
115   only the last instruction is kept.
116
117 3.4) Instruction Reference
118
119 ********* Function call
120
121 * call <ret> <params> ptr
122
123 call function 'ptr' (pointer type)
124
125 <ret> optional 32 bit or 64 bit return value
126 <params> optional 32 bit or 64 bit parameters
127
128 ********* Jumps/Labels
129
130 * jmp t0
131
132 Absolute jump to address t0 (pointer type).
133
134 * set_label $label
135
136 Define label 'label' at the current program point.
137
138 * br $label
139
140 Jump to label.
141
142 * brcond_i32/i64 cond, t0, t1, label
143
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 */
155
156 ********* Arithmetic
157
158 * add_i32/i64 t0, t1, t2
159
160 t0=t1+t2
161
162 * sub_i32/i64 t0, t1, t2
163
164 t0=t1-t2
165
166 * neg_i32/i64 t0, t1
167
168 t0=-t1 (two's complement)
169
170 * mul_i32/i64 t0, t1, t2
171
172 t0=t1*t2
173
174 * div_i32/i64 t0, t1, t2
175
176 t0=t1/t2 (signed). Undefined behavior if division by zero or overflow.
177
178 * divu_i32/i64 t0, t1, t2
179
180 t0=t1/t2 (unsigned). Undefined behavior if division by zero.
181
182 * rem_i32/i64 t0, t1, t2
183
184 t0=t1%t2 (signed). Undefined behavior if division by zero or overflow.
185
186 * remu_i32/i64 t0, t1, t2
187
188 t0=t1%t2 (unsigned). Undefined behavior if division by zero.
189
190 ********* Logical
191
192 * and_i32/i64 t0, t1, t2
193
194 t0=t1&t2
195
196 * or_i32/i64 t0, t1, t2
197
198 t0=t1|t2
199
200 * xor_i32/i64 t0, t1, t2
201
202 t0=t1^t2
203
204 * not_i32/i64 t0, t1
205
206 t0=~t1
207
208 * andc_i32/i64 t0, t1, t2
209
210 t0=t1&~t2
211
212 * eqv_i32/i64 t0, t1, t2
213
214 t0=~(t1^t2)
215
216 * nand_i32/i64 t0, t1, t2
217
218 t0=~(t1&t2)
219
220 * nor_i32/i64 t0, t1, t2
221
222 t0=~(t1|t2)
223
224 * orc_i32/i64 t0, t1, t2
225
226 t0=t1|~t2
227
228 ********* Shifts/Rotates
229
230 * shl_i32/i64 t0, t1, t2
231
232 t0=t1 << t2. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
233
234 * shr_i32/i64 t0, t1, t2
235
236 t0=t1 >> t2 (unsigned). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
237
238 * sar_i32/i64 t0, t1, t2
239
240 t0=t1 >> t2 (signed). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
241
242 * rotl_i32/i64 t0, t1, t2
243
244 Rotation of t2 bits to the left. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
245
246 * rotr_i32/i64 t0, t1, t2
247
248 Rotation of t2 bits to the right. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
249
250 ********* Misc
251
252 * mov_i32/i64 t0, t1
253
254 t0 = t1
255
256 Move t1 to t0 (both operands must have the same type).
257
258 * ext8s_i32/i64 t0, t1
259 ext8u_i32/i64 t0, t1
260 ext16s_i32/i64 t0, t1
261 ext16u_i32/i64 t0, t1
262 ext32s_i64 t0, t1
263 ext32u_i64 t0, t1
264
265 8, 16 or 32 bit sign/zero extension (both operands must have the same type)
266
267 * bswap16_i32 t0, t1
268
269 16 bit byte swap on a 32 bit value. The two high order bytes must be set
270 to zero.
271
272 * bswap_i32 t0, t1
273
274 32 bit byte swap
275
276 * bswap_i64 t0, t1
277
278 64 bit byte swap
279
280 * discard_i32/i64 t0
281
282 Indicate that the value of t0 won't be used later. It is useful to
283 force dead code elimination.
284
285 ********* Type conversions
286
287 * ext_i32_i64 t0, t1
288 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does sign extension
289
290 * extu_i32_i64 t0, t1
291 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does zero extension
292
293 * trunc_i64_i32 t0, t1
294 Truncate t1 (64 bit) to t0 (32 bit)
295
296 * concat_i32_i64 t0, t1, t2
297 Construct t0 (64-bit) taking the low half from t1 (32 bit) and the high half
298 from t2 (32 bit).
299
300 * concat32_i64 t0, t1, t2
301 Construct t0 (64-bit) taking the low half from t1 (64 bit) and the high half
302 from t2 (64 bit).
303
304 ********* Load/Store
305
306 * ld_i32/i64 t0, t1, offset
307 ld8s_i32/i64 t0, t1, offset
308 ld8u_i32/i64 t0, t1, offset
309 ld16s_i32/i64 t0, t1, offset
310 ld16u_i32/i64 t0, t1, offset
311 ld32s_i64 t0, t1, offset
312 ld32u_i64 t0, t1, offset
313
314 t0 = read(t1 + offset)
315 Load 8, 16, 32 or 64 bits with or without sign extension from host memory. 
316 offset must be a constant.
317
318 * st_i32/i64 t0, t1, offset
319 st8_i32/i64 t0, t1, offset
320 st16_i32/i64 t0, t1, offset
321 st32_i64 t0, t1, offset
322
323 write(t0, t1 + offset)
324 Write 8, 16, 32 or 64 bits to host memory.
325
326 ********* QEMU specific operations
327
328 * tb_exit t0
329
330 Exit the current TB and return the value t0 (word type).
331
332 * goto_tb index
333
334 Exit the current TB and jump to the TB index 'index' (constant) if the
335 current TB was linked to this TB. Otherwise execute the next
336 instructions.
337
338 * qemu_ld_i32/i64 t0, t1, flags
339 qemu_ld8u_i32/i64 t0, t1, flags
340 qemu_ld8s_i32/i64 t0, t1, flags
341 qemu_ld16u_i32/i64 t0, t1, flags
342 qemu_ld16s_i32/i64 t0, t1, flags
343 qemu_ld32u_i64 t0, t1, flags
344 qemu_ld32s_i64 t0, t1, flags
345
346 Load data at the QEMU CPU address t1 into t0. t1 has the QEMU CPU
347 address type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or
348 kernel access) for example.
349
350 * qemu_st_i32/i64 t0, t1, flags
351 qemu_st8_i32/i64 t0, t1, flags
352 qemu_st16_i32/i64 t0, t1, flags
353 qemu_st32_i64 t0, t1, flags
354
355 Store the data t0 at the QEMU CPU Address t1. t1 has the QEMU CPU
356 address type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or
357 kernel access) for example.
358
359 Note 1: Some shortcuts are defined when the last operand is known to be
360 a constant (e.g. addi for add, movi for mov).
361
362 Note 2: When using TCG, the opcodes must never be generated directly
363 as some of them may not be available as "real" opcodes. Always use the
364 function tcg_gen_xxx(args).
365
366 4) Backend
367
368 tcg-target.h contains the target specific definitions. tcg-target.c
369 contains the target specific code.
370
371 4.1) Assumptions
372
373 The target word size (TCG_TARGET_REG_BITS) is expected to be 32 bit or
374 64 bit. It is expected that the pointer has the same size as the word.
375
376 On a 32 bit target, all 64 bit operations are converted to 32 bits. A
377 few specific operations must be implemented to allow it (see add2_i32,
378 sub2_i32, brcond2_i32).
379
380 Floating point operations are not supported in this version. A
381 previous incarnation of the code generator had full support of them,
382 but it is better to concentrate on integer operations first.
383
384 On a 64 bit target, no assumption is made in TCG about the storage of
385 the 32 bit values in 64 bit registers.
386
387 4.2) Constraints
388
389 GCC like constraints are used to define the constraints of every
390 instruction. Memory constraints are not supported in this
391 version. Aliases are specified in the input operands as for GCC.
392
393 A target can define specific register or constant constraints. If an
394 operation uses a constant input constraint which does not allow all
395 constants, it must also accept registers in order to have a fallback.
396
397 The movi_i32 and movi_i64 operations must accept any constants.
398
399 The mov_i32 and mov_i64 operations must accept any registers of the
400 same type.
401
402 The ld/st instructions must accept signed 32 bit constant offsets. It
403 can be implemented by reserving a specific register to compute the
404 address if the offset is too big.
405
406 The ld/st instructions must accept any destination (ld) or source (st)
407 register.
408
409 4.3) Function call assumptions
410
411 - The only supported types for parameters and return value are: 32 and
412   64 bit integers and pointer.
413 - The stack grows downwards.
414 - The first N parameters are passed in registers.
415 - The next parameters are passed on the stack by storing them as words.
416 - Some registers are clobbered during the call. 
417 - The function can return 0 or 1 value in registers. On a 32 bit
418   target, functions must be able to return 2 values in registers for
419   64 bit return type.
420
421 5) Migration from dyngen to TCG
422
423 TCG is backward compatible with QEMU "dyngen" operations. It means
424 that TCG instructions can be freely mixed with dyngen operations. It
425 is expected that QEMU targets will be progressively fully converted to
426 TCG. Once a target is fully converted to TCG, it will be possible
427 to apply more optimizations because more registers will be free for
428 the generated code.
429
430 The exception model is the same as the dyngen one.
431
432 6) Recommended coding rules for best performance
433
434 - Use globals to represent the parts of the QEMU CPU state which are
435   often modified, e.g. the integer registers and the condition
436   codes. TCG will be able to use host registers to store them.
437
438 - Avoid globals stored in fixed registers. They must be used only to
439   store the pointer to the CPU state and possibly to store a pointer
440   to a register window. The other uses are to ensure backward
441   compatibility with dyngen during the porting a new target to TCG.
442
443 - Use temporaries. Use local temporaries only when really needed,
444   e.g. when you need to use a value after a jump. Local temporaries
445   introduce a performance hit in the current TCG implementation: their
446   content is saved to memory at end of each basic block.
447
448 - Free temporaries and local temporaries when they are no longer used
449   (tcg_temp_free). Since tcg_const_x() also creates a temporary, you
450   should free it after it is used. Freeing temporaries does not yield
451   a better generated code, but it reduces the memory usage of TCG and
452   the speed of the translation.
453
454 - Don't hesitate to use helpers for complicated or seldom used target
455   intructions. There is little performance advantage in using TCG to
456   implement target instructions taking more than about twenty TCG
457   instructions.
458
459 - Use the 'discard' instruction if you know that TCG won't be able to
460   prove that a given global is "dead" at a given program point. The
461   x86 target uses it to improve the condition codes optimisation.