kvm: Improve upgrade notes when facing unsupported kernels
[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 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/i64 t0, t1
267
268 16 bit byte swap on a 32/64 bit value. The two/six high order bytes must be
269 set to zero.
270
271 * bswap32_i32/i64 t0, t1
272
273 32 bit byte swap on a 32/64 bit value. With a 64 bit value, the four high
274 order bytes must be set to zero.
275
276 * bswap64_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_ld8u t0, t1, flags
339 qemu_ld8s t0, t1, flags
340 qemu_ld16u t0, t1, flags
341 qemu_ld16s t0, t1, flags
342 qemu_ld32u t0, t1, flags
343 qemu_ld32s t0, t1, flags
344 qemu_ld64 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_st8 t0, t1, flags
351 qemu_st16 t0, t1, flags
352 qemu_st32 t0, t1, flags
353 qemu_st64 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 The same register may be used for both an input and an output, even when
394 they are not explicitly aliased.  If an op expands to multiple target
395 instructions then care must be taken to avoid clobbering input values.
396 GCC style "early clobber" outputs are not currently supported.
397
398 A target can define specific register or constant constraints. If an
399 operation uses a constant input constraint which does not allow all
400 constants, it must also accept registers in order to have a fallback.
401
402 The movi_i32 and movi_i64 operations must accept any constants.
403
404 The mov_i32 and mov_i64 operations must accept any registers of the
405 same type.
406
407 The ld/st instructions must accept signed 32 bit constant offsets. It
408 can be implemented by reserving a specific register to compute the
409 address if the offset is too big.
410
411 The ld/st instructions must accept any destination (ld) or source (st)
412 register.
413
414 4.3) Function call assumptions
415
416 - The only supported types for parameters and return value are: 32 and
417   64 bit integers and pointer.
418 - The stack grows downwards.
419 - The first N parameters are passed in registers.
420 - The next parameters are passed on the stack by storing them as words.
421 - Some registers are clobbered during the call. 
422 - The function can return 0 or 1 value in registers. On a 32 bit
423   target, functions must be able to return 2 values in registers for
424   64 bit return type.
425
426 5) Recommended coding rules for best performance
427
428 - Use globals to represent the parts of the QEMU CPU state which are
429   often modified, e.g. the integer registers and the condition
430   codes. TCG will be able to use host registers to store them.
431
432 - Avoid globals stored in fixed registers. They must be used only to
433   store the pointer to the CPU state and possibly to store a pointer
434   to a register window.
435
436 - Use temporaries. Use local temporaries only when really needed,
437   e.g. when you need to use a value after a jump. Local temporaries
438   introduce a performance hit in the current TCG implementation: their
439   content is saved to memory at end of each basic block.
440
441 - Free temporaries and local temporaries when they are no longer used
442   (tcg_temp_free). Since tcg_const_x() also creates a temporary, you
443   should free it after it is used. Freeing temporaries does not yield
444   a better generated code, but it reduces the memory usage of TCG and
445   the speed of the translation.
446
447 - Don't hesitate to use helpers for complicated or seldom used target
448   intructions. There is little performance advantage in using TCG to
449   implement target instructions taking more than about twenty TCG
450   instructions.
451
452 - Use the 'discard' instruction if you know that TCG won't be able to
453   prove that a given global is "dead" at a given program point. The
454   x86 target uses it to improve the condition codes optimisation.