TCG: add logical operations found on alpha and powerpc processors
[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
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 ********* Misc
243
244 * mov_i32/i64 t0, t1
245
246 t0 = t1
247
248 Move t1 to t0 (both operands must have the same type).
249
250 * ext8s_i32/i64 t0, t1
251 ext8u_i32/i64 t0, t1
252 ext16s_i32/i64 t0, t1
253 ext16u_i32/i64 t0, t1
254 ext32s_i64 t0, t1
255 ext32u_i64 t0, t1
256
257 8, 16 or 32 bit sign/zero extension (both operands must have the same type)
258
259 * bswap16_i32 t0, t1
260
261 16 bit byte swap on a 32 bit value. The two high order bytes must be set
262 to zero.
263
264 * bswap_i32 t0, t1
265
266 32 bit byte swap
267
268 * bswap_i64 t0, t1
269
270 64 bit byte swap
271
272 * discard_i32/i64 t0
273
274 Indicate that the value of t0 won't be used later. It is useful to
275 force dead code elimination.
276
277 ********* Type conversions
278
279 * ext_i32_i64 t0, t1
280 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does sign extension
281
282 * extu_i32_i64 t0, t1
283 Convert t1 (32 bit) to t0 (64 bit) and does zero extension
284
285 * trunc_i64_i32 t0, t1
286 Truncate t1 (64 bit) to t0 (32 bit)
287
288 * concat_i32_i64 t0, t1, t2
289 Construct t0 (64-bit) taking the low half from t1 (32 bit) and the high half
290 from t2 (32 bit).
291
292 * concat32_i64 t0, t1, t2
293 Construct t0 (64-bit) taking the low half from t1 (64 bit) and the high half
294 from t2 (64 bit).
295
296 ********* Load/Store
297
298 * ld_i32/i64 t0, t1, offset
299 ld8s_i32/i64 t0, t1, offset
300 ld8u_i32/i64 t0, t1, offset
301 ld16s_i32/i64 t0, t1, offset
302 ld16u_i32/i64 t0, t1, offset
303 ld32s_i64 t0, t1, offset
304 ld32u_i64 t0, t1, offset
305
306 t0 = read(t1 + offset)
307 Load 8, 16, 32 or 64 bits with or without sign extension from host memory. 
308 offset must be a constant.
309
310 * st_i32/i64 t0, t1, offset
311 st8_i32/i64 t0, t1, offset
312 st16_i32/i64 t0, t1, offset
313 st32_i64 t0, t1, offset
314
315 write(t0, t1 + offset)
316 Write 8, 16, 32 or 64 bits to host memory.
317
318 ********* QEMU specific operations
319
320 * tb_exit t0
321
322 Exit the current TB and return the value t0 (word type).
323
324 * goto_tb index
325
326 Exit the current TB and jump to the TB index 'index' (constant) if the
327 current TB was linked to this TB. Otherwise execute the next
328 instructions.
329
330 * qemu_ld_i32/i64 t0, t1, flags
331 qemu_ld8u_i32/i64 t0, t1, flags
332 qemu_ld8s_i32/i64 t0, t1, flags
333 qemu_ld16u_i32/i64 t0, t1, flags
334 qemu_ld16s_i32/i64 t0, t1, flags
335 qemu_ld32u_i64 t0, t1, flags
336 qemu_ld32s_i64 t0, t1, flags
337
338 Load data at the QEMU CPU address t1 into t0. t1 has the QEMU CPU
339 address type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or
340 kernel access) for example.
341
342 * qemu_st_i32/i64 t0, t1, flags
343 qemu_st8_i32/i64 t0, t1, flags
344 qemu_st16_i32/i64 t0, t1, flags
345 qemu_st32_i64 t0, t1, flags
346
347 Store the data t0 at the QEMU CPU Address t1. t1 has the QEMU CPU
348 address type. 'flags' contains the QEMU memory index (selects user or
349 kernel access) for example.
350
351 Note 1: Some shortcuts are defined when the last operand is known to be
352 a constant (e.g. addi for add, movi for mov).
353
354 Note 2: When using TCG, the opcodes must never be generated directly
355 as some of them may not be available as "real" opcodes. Always use the
356 function tcg_gen_xxx(args).
357
358 4) Backend
359
360 tcg-target.h contains the target specific definitions. tcg-target.c
361 contains the target specific code.
362
363 4.1) Assumptions
364
365 The target word size (TCG_TARGET_REG_BITS) is expected to be 32 bit or
366 64 bit. It is expected that the pointer has the same size as the word.
367
368 On a 32 bit target, all 64 bit operations are converted to 32 bits. A
369 few specific operations must be implemented to allow it (see add2_i32,
370 sub2_i32, brcond2_i32).
371
372 Floating point operations are not supported in this version. A
373 previous incarnation of the code generator had full support of them,
374 but it is better to concentrate on integer operations first.
375
376 On a 64 bit target, no assumption is made in TCG about the storage of
377 the 32 bit values in 64 bit registers.
378
379 4.2) Constraints
380
381 GCC like constraints are used to define the constraints of every
382 instruction. Memory constraints are not supported in this
383 version. Aliases are specified in the input operands as for GCC.
384
385 A target can define specific register or constant constraints. If an
386 operation uses a constant input constraint which does not allow all
387 constants, it must also accept registers in order to have a fallback.
388
389 The movi_i32 and movi_i64 operations must accept any constants.
390
391 The mov_i32 and mov_i64 operations must accept any registers of the
392 same type.
393
394 The ld/st instructions must accept signed 32 bit constant offsets. It
395 can be implemented by reserving a specific register to compute the
396 address if the offset is too big.
397
398 The ld/st instructions must accept any destination (ld) or source (st)
399 register.
400
401 4.3) Function call assumptions
402
403 - The only supported types for parameters and return value are: 32 and
404   64 bit integers and pointer.
405 - The stack grows downwards.
406 - The first N parameters are passed in registers.
407 - The next parameters are passed on the stack by storing them as words.
408 - Some registers are clobbered during the call. 
409 - The function can return 0 or 1 value in registers. On a 32 bit
410   target, functions must be able to return 2 values in registers for
411   64 bit return type.
412
413 5) Migration from dyngen to TCG
414
415 TCG is backward compatible with QEMU "dyngen" operations. It means
416 that TCG instructions can be freely mixed with dyngen operations. It
417 is expected that QEMU targets will be progressively fully converted to
418 TCG. Once a target is fully converted to TCG, it will be possible
419 to apply more optimizations because more registers will be free for
420 the generated code.
421
422 The exception model is the same as the dyngen one.
423
424 6) Recommended coding rules for best performance
425
426 - Use globals to represent the parts of the QEMU CPU state which are
427   often modified, e.g. the integer registers and the condition
428   codes. TCG will be able to use host registers to store them.
429
430 - Avoid globals stored in fixed registers. They must be used only to
431   store the pointer to the CPU state and possibly to store a pointer
432   to a register window. The other uses are to ensure backward
433   compatibility with dyngen during the porting a new target to TCG.
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.