TCG code generator
[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 explicitely 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   optimisation 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 optimisation 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 * and_i32/i64 t0, t1, t2
227
228 ********* Logical
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 * shl_i32/i64 t0, t1, t2
241
242 ********* Shifts
243
244 * shl_i32/i64 t0, t1, t2
245
246 t0=t1 << t2. Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
247
248 * shr_i32/i64 t0, t1, t2
249
250 t0=t1 >> t2 (unsigned). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
251
252 * sar_i32/i64 t0, t1, t2
253
254 t0=t1 >> t2 (signed). Undefined behavior if t2 < 0 or t2 >= 32 (resp 64)
255
256 ********* Misc
257
258 * mov_i32/i64 t0, t1
259
260 t0 = t1
261
262 Move t1 to t0 (both operands must have the same type).
263
264 * ext8s_i32/i64 t0, t1
265 ext16s_i32/i64 t0, t1
266 ext32s_i64 t0, t1
267
268 8, 16 or 32 bit sign extension (both operands must have the same type)
269
270 * bswap16_i32 t0, t1
271
272 16 bit byte swap on a 32 bit value. The two high order bytes must be set
273 to zero.
274
275 * bswap_i32 t0, t1
276
277 32 bit byte swap
278
279 * bswap_i64 t0, t1
280
281 64 bit byte swap
282
283 ********* Type conversions
284
285 * ext_i32_i64 t0, t1
286 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does sign extension
287
288 * extu_i32_i64 t0, t1
289 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does zero extension
290
291 * trunc_i64_i32 t0, t1
292 Truncate t1 (64 bit) to t0 (32 bit)
293
294 ********* Load/Store
295
296 * ld_i32/i64 t0, t1, offset
297 ld8s_i32/i64 t0, t1, offset
298 ld8u_i32/i64 t0, t1, offset
299 ld16s_i32/i64 t0, t1, offset
300 ld16u_i32/i64 t0, t1, offset
301 ld32s_i64 t0, t1, offset
302 ld32u_i64 t0, t1, offset
303
304 t0 = read(t1 + offset)
305 Load 8, 16, 32 or 64 bits with or without sign extension from host memory. 
306 offset must be a constant.
307
308 * st_i32/i64 t0, t1, offset
309 st8_i32/i64 t0, t1, offset
310 st16_i32/i64 t0, t1, offset
311 st32_i64 t0, t1, offset
312
313 write(t0, t1 + offset)
314 Write 8, 16, 32 or 64 bits to host memory.
315
316 ********* QEMU specific operations
317
318 * tb_exit t0
319
320 Exit the current TB and return the value t0 (word type).
321
322 * goto_tb index
323
324 Exit the current TB and jump to the TB index 'index' (constant) if the
325 current TB was linked to this TB. Otherwise execute the next
326 instructions.
327
328 * qemu_ld_i32/i64 t0, t1, flags
329 qemu_ld8u_i32/i64 t0, t1, flags
330 qemu_ld8s_i32/i64 t0, t1, flags
331 qemu_ld16u_i32/i64 t0, t1, flags
332 qemu_ld16s_i32/i64 t0, t1, flags
333 qemu_ld32u_i64 t0, t1, flags
334 qemu_ld32s_i64 t0, t1, flags
335
336 Load data at the QEMU CPU address t1 into t0. t1 has the QEMU CPU
337 address type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or
338 kernel access) for example.
339
340 * qemu_st_i32/i64 t0, t1, flags
341 qemu_st8_i32/i64 t0, t1, flags
342 qemu_st16_i32/i64 t0, t1, flags
343 qemu_st32_i64 t0, t1, flags
344
345 Store the data t0 at the QEMU CPU Address t1. t1 has the QEMU CPU
346 address type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or
347 kernel access) for example.
348
349 Note 1: Some shortcuts are defined when the last operand is known to be
350 a constant (e.g. addi for add, movi for mov).
351
352 Note 2: When using TCG, the opcodes must never be generated directly
353 as some of them may not be available as "real" opcodes. Always use the
354 function tcg_gen_xxx(args).
355
356 4) Backend
357
358 tcg-target.h contains the target specific definitions. tcg-target.c
359 contains the target specific code.
360
361 4.1) Assumptions
362
363 The target word size (TCG_TARGET_REG_BITS) is expected to be 32 bit or
364 64 bit. It is expected that the pointer has the same size as the word.
365
366 On a 32 bit target, all 64 bit operations are converted to 32 bits. A
367 few specific operations must be implemented to allow it (see add2_i32,
368 sub2_i32, brcond2_i32).
369
370 Floating point operations are not supported in this version. A
371 previous incarnation of the code generator had full support of them,
372 but it is better to concentrate on integer operations first.
373
374 On a 64 bit target, no assumption is made in TCG about the storage of
375 the 32 bit values in 64 bit registers.
376
377 4.2) Constraints
378
379 GCC like constraints are used to define the constraints of every
380 instruction. Memory constraints are not supported in this
381 version. Aliases are specified in the input operands as for GCC.
382
383 A target can define specific register or constant constraints. If an
384 operation uses a constant input constraint which does not allow all
385 constants, it must also accept registers in order to have a fallback.
386
387 The movi_i32 and movi_i64 operations must accept any constants.
388
389 The mov_i32 and mov_i64 operations must accept any registers of the
390 same type.
391
392 The ld/st instructions must accept signed 32 bit constant offsets. It
393 can be implemented by reserving a specific register to compute the
394 address if the offset is too big.
395
396 The ld/st instructions must accept any destination (ld) or source (st)
397 register.
398
399 4.3) Function call assumptions
400
401 - The only supported types for parameters and return value are: 32 and
402   64 bit integers and pointer.
403 - The stack grows downwards.
404 - The first N parameters are passed in registers.
405 - The next parameters are passed on the stack by storing them as words.
406 - Some registers are clobbered during the call. 
407 - The function can return 0 or 1 value in registers. On a 32 bit
408   target, functions must be able to return 2 values in registers for
409   64 bit return type.
410
411 5) Migration from dyngen to TCG
412
413 TCG is backward compatible with QEMU "dyngen" operations. It means
414 that TCG instructions can be freely mixed with dyngen operations. It
415 is expected that QEMU targets will be progressively fully converted to
416 TCG. Once a target is fully converted to dyngen, it will be possible
417 to apply more optimizations because more registers will be free for
418 the generated code.
419
420 The exception model is the same as the dyngen one.