LLVM:Writing an LLVM Backend

寫一個LLVM後端 ：轉換LLVM IR爲目標平臺的指令（彙編碼/機器碼-JIT)

https://releases.llvm.org/8.0.0/docs/WritingAnLLVMBackend.html#id33

 

• 建立新後端的七大步驟
  1. 描述特定目標平臺的屬性
     1. TargetMachine.cpp
  2. 描述特定目標平臺的寄存器
     1. TargetRegisterInfo.td：寄存器定義+寄存器別名+寄存器分類
     2. TargetRegisterInfo.cpp：寄存器分配和交互,include ”TargetGenRegisterInfo.inc”
  3. 描述特定目標平臺的指令集
     1. TargetInstrFormats.td：指令格式
     2. TargetInstrInfo.td：指令定義
     3. TargetInstrInfo.cpp：
  4. LLVM IR從DAG到目標平臺指令的選擇和轉換:指令選擇
     1. TargetISelDAGToDAG.cpp：模式匹配+DAGToDAG指令選擇
     2. TargetISelLowering.cpp：替換或刪除目標平臺不支持的數據和操作類型，即數據和操作合法化
  5. LLVM IR->GAS格式的彙編
     1. TargetAsmPrinter.cpp
  6. （可選）支持子目標平臺，允許使用-mcpu=和-mattr=命令行選項
     1. TargetSubtarget.cpp
  7. (可選)JIT即時編譯
     1. TargetJITInfo.cpp
• 目標機器
  1. getInstrInfo()
  2. getRegisterInfo()
  3. getFrameInfo()：棧幀佈局
  4. getDataLayout()：數據佈局（大小端序+數據類型+ABI對齊+首選對齊+數據大小）
  5. getSubtargetImpl()
  6. getTargetLowering()
  7. getJITInfo()
  8. Target Registration：目標登記註冊
• 寄存器
  1. 定義單個寄存器
     1. def F0 : Rf< 0, "F0">, DwarfRegNum<[32]>;
     2. 編碼，名稱，調試信息序號
  2. 定義寄存器類
     1. def FPRegs : RegisterClass<"SP", [f32], 32, (sequence "F%u", 0, 31)>;
        • 命名空間，ValueType.td裏面的數據類型，數據對齊方式/大小 ，所屬寄存器F0~F31
     2. def DFPRegs : RegisterClass<"SP", [f64], 64, (add D0, D15)>;
     3. 實現TargetRegisterInfo的子類
        • getCalleeSavedRegs—按所需的調用保存堆棧幀偏移量的順序返回調用保存的寄存器列表。
        • getReservedRegs—返回一個按物理寄存器編號索引的位集，指示某個寄存器是否不可用。
        • hasFP—返回一個布爾值，指示一個函數是否應該有一個專用的幀指針寄存器。
        • eliminateCallFramePseudoInstr—如果使用了調用幀設置或銷燬僞指令，可以調用它來消除它們。
        • eliminateFrameIndex—從可能使用它們的指令中刪除抽象的幀索引。
        • emitPrologue—在函數中插入序言代碼。
        • emitEpilogue—在函數中插入epilogue代碼。
  3. 定義指令集
     1. Target.td ：指令、操作數、InstrInfo和其他基本類
     2. TargetSelectionDAG.td
        • SelectionDAG節點（SDNode)
        • Pattern, Pat, PatFrag, PatLeaf, ComplexPattern
     3. TargetInstrFormats.td
        • 指令模板分類一般依據
          1. 單/雙/三/四寄存器類型
          2. 標量/矢量類型
          3. 分支/普通/Intrinsic/僞指令
        • 指令操作數映射到指令中未綁定字段
          1. 定義操作數：bits<6>op1;bits<4>op2;bits<6>rd;bits<6>rs1;bits<6>rs2;
          2. 綁定字段：let Inst{31-26}=op1; let Inst{3-0}=op2;
          3. 指令操作數序號獲取支持
             1. getNamedOperandIdx獲取對應操作數的序號，從0開始
             2. 需要在TargetInstrInfo.cpp及其頭文件加上一些預處理宏
     4. TargetInstrInfo.td
        • 一條指令應該包含的基本描述
          1. 操作碼：可能多段，比如[31:26]+[3:0]
          2. 操作數：輸入和輸出dag，類型爲寄存器類或者操作數類
          3. 彙編字符串：
          4. DAG Pattern：模式匹配，SDNode，類型爲寄存器類或者PatLeaf類等
          5. Predicates：條件判斷是否選擇匹配
          6. 槽分配碼
          7. 額外屬性：是否可交換/是否訪存/是否爲僞指令/各種標誌位設定
        • 相似指令描述技巧：multiclass + defm
        • 指令間的關聯映射：InstrMapping類

https://releases.llvm.org/8.0.0/docs/HowToUseInstrMappings.html

• • • • 操作數類型def xxx:Operand<i32/i16/f64/OtherVT>;
    • Schedule.td
      • def ALU32_S_SLOT0 :InstrItinClass;
      • def SLOT0       : FuncUnit;
      • def TargetGenericItineraries :ProcessorItineraries<[SLOT0, SLOT1, SLOT2, SLOT3],[],[InstrItinData<ALU32_S_SLOT0, [InstrStage<1, [SLOT0]>]>,...
    • 實現TargetInstrInfo的子類：TargeInstrInfo.cpp
      • isLoadFromStackSlot—如果指定的機器指令是從堆棧插槽直接加載的，則返回目標的寄存器編號和堆棧插槽的幀索引。
      • isStoreToStackSlot—如果指定的機器指令是直接存儲到堆棧槽的，則返回目標的寄存器編號和堆棧槽的幀索引。
      • copyPhysReg—在一對物理寄存器之間拷貝值。
      • storeRegToStackSlot—將寄存器值存儲到堆棧槽中。
      • loadRegFromStackSlot—從堆棧槽加載寄存器值。
      • storeRegToAddr—將寄存器值存儲到內存中。
      • loadRegFromAddr—從內存中加載寄存器值。
      • foldMemoryOperand—嘗試爲指定的操作數組合任何裝載或存儲指令的指令。
    • 分支摺疊和條件轉換：TargetInstrInfo中的AnalyzeBranch方法可以用來檢查條件指令並刪除不必要的指令
  • 指令選擇器
    1. TargetISelDAGToDAG.cpp
       • 將非本機DAG指令轉換爲本機特定目標指令+匹配模式
       • TargetInstrInfo.td->TargetGenDAGISel.inc(SelectCode方法）
       • TargetCallingConv.td(函數調用和返回值約定)->TargetGenCallingConv.inc
       • DAG各個階段可視化輔助：llc
    2. TargetISelLowering.cpp：替換或刪除目標平臺不支持的數據和操作類型，即數據和操作合法化
       • 指定支持哪些類型：addRegisterClass(MVT::i32, SP::IntRegsRegisterClass);
       • 對於本地/目標平臺不支持的類型的處理函數如下
         1. setOperationAction—一般操作。
         2. setLoadExtAction -加載擴展。
         3. setTruncStoreAction—截斷存儲。
         4. setIndexedLoadAction -索引加載。
         5. setIndexedStoreAction -索引存儲。
         6. setConvertAction -類型轉換，比如i1->i32
         7. setCondCodeAction—支持給定的條件代碼。
       • 處理函數三個參數（ISD節點，MVT數據類型，處理方式4選1）
         1. Promote：i1->i8->i16->i32->i64;f32->f64
         2. Expand:
            1. 處理不支持的數據類型：i64->i32->i16->i8->i1
            2. 處理不支持的操作類型：用系統其他的操作替換
         3. Custom：自定義合法化處理函數，LowerFP_TO_SINT(Op, DAG)
         4. Legal：默認表示本地/目標平臺支持該類型或操作，很少用
    3. TargetCallingConv.td調用約定
       • CCIfType<[f32,f64], CCAssignToReg<[R0, R1]>>
       • CCIfType<[i1,i8,i16],CCPromoteToType<i32>>
       • CCIfType<[i32],CCAssignToStack<16,4>>:首選棧大小16，首選對齊方式4Bytes=32bits，爲零的話則使用ABI大小和對齊方式
       • CCDelegateTo<TargetCC>:如果TargetCC這個調用約定存在的話則調用/應用這個約定
       • CCIf <謂詞，動作> -如果謂詞匹配，應用動作。
       • CCIfInReg <action> -如果參數被標記爲“inreg”屬性，則應用該操作。
       • CCIfNest <action>—如果參數被標記爲“nest”屬性，則應用該操作。
       • CCIfNotVarArg <action>—如果當前函數沒有采用可變數量的參數，則應用該操作。類似於CCAssignToReg，但是有一個寄存器的影子列表。
       • CCPassByVal <size, align>—將值賦給指定的最小大小和對齊方式的堆棧槽。
       • CallingConv <[actions]> -定義支持的每個調用約定。
  • 彙編打印器
    1. TargetInstPrinter.cpp：TargetInstrInfo.td->TargetGenAsmWriter.inc(printInstruction方法）
       • printOperand
       • printMemOperand
       • printCCOperand (for conditional statements)
       • printDataDirective
       • printDeclare
       • printImplicitDef
       • printInlineAsm
    2. TargetAsmInfo.cpp+TargetAsmInfo.h
    3. TargetAsmPrinter.cpp:llvm IR->彙編代碼
       • SetupMachineFunction
       • EmitInstruction
       • EmitConstantPool
       • EmitJumpTableInfo
       • EmitFunctionBodyStart
       • EmitFunctionBodyEnd
       • doFinalization