TCG README fixes (Stuart Brady)
[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 given
20 function. Temporaries are allocated explicitly in each function.
21
22 A TCG "global" is a variable which is live in all the functions. They
23 are defined before the functions defined. A TCG global can be a memory
24 location (e.g. a QEMU CPU register), a fixed host register (e.g. the
25 QEMU CPU state pointer) or a memory location which is stored in a
26 register outside QEMU TBs (not implemented yet).
27
28 A TCG "basic block" corresponds to a list of instructions terminated
29 by a branch instruction. 
30
31 3) Intermediate representation
32
33 3.1) Introduction
34
35 TCG instructions operate on variables which are temporaries or
36 globals. TCG instructions and variables are strongly typed. Two types
37 are supported: 32 bit integers and 64 bit integers. Pointers are
38 defined as an alias to 32 bit or 64 bit integers depending on the TCG
39 target word size.
40
41 Each instruction has a fixed number of output variable operands, input
42 variable operands and always constant operands.
43
44 The notable exception is the call instruction which has a variable
45 number of outputs and inputs.
46
47 In the textual form, output operands come first, followed by input
48 operands, followed by constant operands. The output type is included
49 in the instruction name. Constants are prefixed with a '$'.
50
51 add_i32 t0, t1, t2  (t0 <- t1 + t2)
52
53 sub_i64 t2, t3, $4  (t2 <- t3 - 4)
54
55 3.2) Assumptions
56
57 * Basic blocks
58
59 - Basic blocks end after branches (e.g. brcond_i32 instruction),
60   goto_tb and exit_tb instructions.
61 - Basic blocks end before legacy dyngen operations.
62 - Basic blocks start after the end of a previous basic block, at a
63   set_label instruction or after a legacy dyngen operation.
64
65 After the end of a basic block, temporaries at destroyed and globals
66 are stored at their initial storage (register or memory place
67 depending on their declarations).
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 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 temporary 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 - A macro system is supported (may get closer to function inlining
117   some day). It is useful if the liveness analysis is likely to prove
118   that some results of a computation are indeed not useful. With the
119   macro system, the user can provide several alternative
120   implementations which are used depending on the used results. It is
121   especially useful for condition code optimization in QEMU.
122
123   Here is an example:
124
125   macro_2 t0, t1, $1
126   mov_i32 t0, $0x1234
127
128   The macro identified by the ID "$1" normally returns the values t0
129   and t1. Suppose its implementation is:
130
131   macro_start
132   brcond_i32  t2, $0, $TCG_COND_EQ, $1
133   mov_i32 t0, $2
134   br $2
135   set_label $1
136   mov_i32 t0, $3
137   set_label $2
138   add_i32 t1, t3, t4
139   macro_end
140   
141   If t0 is not used after the macro, the user can provide a simpler
142   implementation:
143
144   macro_start
145   add_i32 t1, t2, t4
146   macro_end
147
148   TCG automatically chooses the right implementation depending on
149   which macro outputs are used after it.
150
151   Note that if TCG did more expensive optimizations, macros would be
152   less useful. In the previous example a macro is useful because the
153   liveness analysis is done on each basic block separately. Hence TCG
154   cannot remove the code computing 't0' even if it is not used after
155   the first macro implementation.
156
157 3.4) Instruction Reference
158
159 ********* Function call
160
161 * call <ret> <params> ptr
162
163 call function 'ptr' (pointer type)
164
165 <ret> optional 32 bit or 64 bit return value
166 <params> optional 32 bit or 64 bit parameters
167
168 ********* Jumps/Labels
169
170 * jmp t0
171
172 Absolute jump to address t0 (pointer type).
173
174 * set_label $label
175
176 Define label 'label' at the current program point.
177
178 * br $label
179
180 Jump to label.
181
182 * brcond_i32/i64 cond, t0, t1, label
183
184 Conditional jump if t0 cond t1 is true. cond can be:
185     TCG_COND_EQ
186     TCG_COND_NE
187     TCG_COND_LT /* signed */
188     TCG_COND_GE /* signed */
189     TCG_COND_LE /* signed */
190     TCG_COND_GT /* signed */
191     TCG_COND_LTU /* unsigned */
192     TCG_COND_GEU /* unsigned */
193     TCG_COND_LEU /* unsigned */
194     TCG_COND_GTU /* unsigned */
195
196 ********* Arithmetic
197
198 * add_i32/i64 t0, t1, t2
199
200 t0=t1+t2
201
202 * sub_i32/i64 t0, t1, t2
203
204 t0=t1-t2
205
206 * mul_i32/i64 t0, t1, t2
207
208 t0=t1*t2
209
210 * div_i32/i64 t0, t1, t2
211
212 t0=t1/t2 (signed). Undefined behavior if division by zero or overflow.
213
214 * divu_i32/i64 t0, t1, t2
215
216 t0=t1/t2 (unsigned). Undefined behavior if division by zero.
217
218 * rem_i32/i64 t0, t1, t2
219
220 t0=t1%t2 (signed). Undefined behavior if division by zero or overflow.
221
222 * remu_i32/i64 t0, t1, t2
223
224 t0=t1%t2 (unsigned). Undefined behavior if division by zero.
225
226 ********* Logical
227
228 * and_i32/i64 t0, t1, t2
229
230 t0=t1&t2
231
232 * or_i32/i64 t0, t1, t2
233
234 t0=t1|t2
235
236 * xor_i32/i64 t0, t1, t2
237
238 t0=t1^t2
239
240 ********* Shifts
241
242 * shl_i32/i64 t0, t1, t2
243
244 t0=t1 << t2. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
245
246 * shr_i32/i64 t0, t1, t2
247
248 t0=t1 >> t2 (unsigned). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
249
250 * sar_i32/i64 t0, t1, t2
251
252 t0=t1 >> t2 (signed). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
253
254 ********* Misc
255
256 * mov_i32/i64 t0, t1
257
258 t0 = t1
259
260 Move t1 to t0 (both operands must have the same type).
261
262 * ext8s_i32/i64 t0, t1
263 ext16s_i32/i64 t0, t1
264 ext32s_i64 t0, t1
265
266 8, 16 or 32 bit sign extension (both operands must have the same type)
267
268 * bswap16_i32 t0, t1
269
270 16 bit byte swap on a 32 bit value. The two high order bytes must be set
271 to zero.
272
273 * bswap_i32 t0, t1
274
275 32 bit byte swap
276
277 * bswap_i64 t0, t1
278
279 64 bit byte swap
280
281 * discard_i32/i64 t0
282
283 Indicate that the value of t0 won't be used later. It is useful to
284 force dead code elimination.
285
286 ********* Type conversions
287
288 * ext_i32_i64 t0, t1
289 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does sign extension
290
291 * extu_i32_i64 t0, t1
292 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does zero extension
293
294 * trunc_i64_i32 t0, t1
295 Truncate t1 (64 bit) to t0 (32 bit)
296
297 ********* Load/Store
298
299 * ld_i32/i64 t0, t1, offset
300 ld8s_i32/i64 t0, t1, offset
301 ld8u_i32/i64 t0, t1, offset
302 ld16s_i32/i64 t0, t1, offset
303 ld16u_i32/i64 t0, t1, offset
304 ld32s_i64 t0, t1, offset
305 ld32u_i64 t0, t1, offset
306
307 t0 = read(t1 + offset)
308 Load 8, 16, 32 or 64 bits with or without sign extension from host memory. 
309 offset must be a constant.
310
311 * st_i32/i64 t0, t1, offset
312 st8_i32/i64 t0, t1, offset
313 st16_i32/i64 t0, t1, offset
314 st32_i64 t0, t1, offset
315
316 write(t0, t1 + offset)
317 Write 8, 16, 32 or 64 bits to host memory.
318
319 ********* QEMU specific operations
320
321 * tb_exit t0
322
323 Exit the current TB and return the value t0 (word type).
324
325 * goto_tb index
326
327 Exit the current TB and jump to the TB index 'index' (constant) if the
328 current TB was linked to this TB. Otherwise execute the next
329 instructions.
330
331 * qemu_ld_i32/i64 t0, t1, flags
332 qemu_ld8u_i32/i64 t0, t1, flags
333 qemu_ld8s_i32/i64 t0, t1, flags
334 qemu_ld16u_i32/i64 t0, t1, flags
335 qemu_ld16s_i32/i64 t0, t1, flags
336 qemu_ld32u_i64 t0, t1, flags
337 qemu_ld32s_i64 t0, t1, flags
338
339 Load data at the QEMU CPU address t1 into t0. t1 has the QEMU CPU
340 address type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or
341 kernel access) for example.
342
343 * qemu_st_i32/i64 t0, t1, flags
344 qemu_st8_i32/i64 t0, t1, flags
345 qemu_st16_i32/i64 t0, t1, flags
346 qemu_st32_i64 t0, t1, flags
347
348 Store the data t0 at the QEMU CPU Address t1. t1 has the QEMU CPU
349 address type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or
350 kernel access) for example.
351
352 Note 1: Some shortcuts are defined when the last operand is known to be
353 a constant (e.g. addi for add, movi for mov).
354
355 Note 2: When using TCG, the opcodes must never be generated directly
356 as some of them may not be available as "real" opcodes. Always use the
357 function tcg_gen_xxx(args).
358
359 4) Backend
360
361 tcg-target.h contains the target specific definitions. tcg-target.c
362 contains the target specific code.
363
364 4.1) Assumptions
365
366 The target word size (TCG_TARGET_REG_BITS) is expected to be 32 bit or
367 64 bit. It is expected that the pointer has the same size as the word.
368
369 On a 32 bit target, all 64 bit operations are converted to 32 bits. A
370 few specific operations must be implemented to allow it (see add2_i32,
371 sub2_i32, brcond2_i32).
372
373 Floating point operations are not supported in this version. A
374 previous incarnation of the code generator had full support of them,
375 but it is better to concentrate on integer operations first.
376
377 On a 64 bit target, no assumption is made in TCG about the storage of
378 the 32 bit values in 64 bit registers.
379
380 4.2) Constraints
381
382 GCC like constraints are used to define the constraints of every
383 instruction. Memory constraints are not supported in this
384 version. Aliases are specified in the input operands as for GCC.
385
386 A target can define specific register or constant constraints. If an
387 operation uses a constant input constraint which does not allow all
388 constants, it must also accept registers in order to have a fallback.
389
390 The movi_i32 and movi_i64 operations must accept any constants.
391
392 The mov_i32 and mov_i64 operations must accept any registers of the
393 same type.
394
395 The ld/st instructions must accept signed 32 bit constant offsets. It
396 can be implemented by reserving a specific register to compute the
397 address if the offset is too big.
398
399 The ld/st instructions must accept any destination (ld) or source (st)
400 register.
401
402 4.3) Function call assumptions
403
404 - The only supported types for parameters and return value are: 32 and
405   64 bit integers and pointer.
406 - The stack grows downwards.
407 - The first N parameters are passed in registers.
408 - The next parameters are passed on the stack by storing them as words.
409 - Some registers are clobbered during the call. 
410 - The function can return 0 or 1 value in registers. On a 32 bit
411   target, functions must be able to return 2 values in registers for
412   64 bit return type.
413
414 5) Migration from dyngen to TCG
415
416 TCG is backward compatible with QEMU "dyngen" operations. It means
417 that TCG instructions can be freely mixed with dyngen operations. It
418 is expected that QEMU targets will be progressively fully converted to
419 TCG. Once a target is fully converted to TCG, it will be possible
420 to apply more optimizations because more registers will be free for
421 the generated code.
422
423 The exception model is the same as the dyngen one.