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