llvm后端之td定义指令信息

引言

llvm后端通过td定义指令信息，并通过dag匹配将IR节点转换为平台相关的指令。

1 定义指令

td通过class Instruction来定义指令，其各个字段意义如下：

• OutOperandList：输出dag节点列表；
• InOperandList：输入操作数节点列表；
• AsmString：用于在“.s”文件中的汇编显示；
• Pattern：用于指令选择匹配的dag列表；
• Predicates：用于在指令选择阶段是否启用的条件判断；
• Uses：指令引用的寄存器列表；
• Defs：指令改写的寄存器列表；
• Size：指令编码成二进制的长度，为0表示可变长度；
• CodeSize：
• Itinerary：按步骤方式的调度模式；
• SchedRW：按资源使用的调度模式；
• Constraints：约束条件，例如有些指令源寄存器与目的寄存器笔下相同，则$src = $dst;
• TSFlags：

注：还有一个隐含的字段field bits Inst，该字段表示指令转换为二进制时bit位。例如RISCV里面为field bits<32> Inst。

2 定义Operand

Operand用于定义操作，相关字段如下：

• Type：操作数类型，例如i8、i16、i32等；
• PrintMethod：在class XXXInstPrinter中用于打印该操作数的成员函数，参数分别为const MCInst *MI、unsigned Op、raw_ostream &O。需要cpp实现；
• EncoderMethod：在class XXXMCCodeEmitter中用于编码该操作数的成员函数，参数分别为const MCInst &MI、unsigned OpNo、SmallVectorImpl &Fixups、const MCSubtargetInfo &STI，返回值为unsigned，表示错误编号。需要cpp实现；
• DecoderMethod：在class XXXDisassembler中用于解码该操作数的成员函数，参数分别为MCInst &Inst、uint64_t Imm、int64_t Address、const void *Decoder，返回值为DecodeStatus；
• hasCompleteDecoder：
• OperandType：操作数类型字符串，包括MCInstrDesc.h中定义的enum OperandType中，有些target会进行自定义。
• OperandNamespace：操作数类型定义所在的namespace。默认为MCOI，即定义在MCInstrDesc.h中；
• MIOperandInfo：子操作数片段。例如地址可能有基地址、偏移、scale等组成，为了可读性将其合并定义为addr；
• MCOperandPredicate：在XXXAsmParser和XXXAsmPrinter发射该操作数有效的匹配前置条件的代码片段。代码片段可访问const MCOperand &MCOp；
• ParserMatchClass：用于汇编解析的方法集合，类型为AsmOperandClass。

class AsmOperandClass用于生成汇编解析代码，其各个字段如下：

• Name：操作数类型名称；
• SuperClasses：操作数分类所属父类列表；
• PredicateMethod：表示class XXXOperand的成员函数名称，该成员函数用于判断是否为该类型的操作数，不定义则为bool is%Name%() const；
• RenderMethod：表示class XXXOperand的成员函数名称，该成员函数用于将该操作数添加到MCInst中，不定义则为void add%Name%Operands(MCInst &Inst, unsigned N) const；
• ParserMethod：表示class XXXAsmParser的成员函数名称，用于解析该汇编操作数。函数原型为( OperandMatchResultTy )(OperandVector &Operands)；
• DiagnosticType：当XXXAsmParser解析失败时，触发的错误打印；
• DiagnosticString：当该操作数被赋值一个非法值时，触发的错误打印；
• IsOptional：为1表示为可选参数，为0为必须参数；
• DefaultMethod：表示class XXXAsmParser的成员函数名称，当IsOptional时，该成员函数用于创建默认的该操作数，不定义则为std::unique_ptr< XXXOperand > default%Name%Operands() const；

3 定义SDNode

SDNode用于定义一个dag节点，它分别有如下重要参数：

• opcode：SDNode的节点枚举；
• typeprof：用于描述节点特性的SDTypeProfile类型；
• props：节点属性列表，定义在SDNodeProperties.td文件中，对应源码enum SDNP。例如满足交换律、满足结合律、有边界影响；
• sdclass：节点对应C++类型名称；

SDTypeProfile用于描述节点的特性，各个参数如下：

• numresults：节点输出值数量；
• numoperands：节点输入操作数数量；
• constraints：节点输出/入的约束；

注：SDTypeConstraint用于描述节点的输入输出约束。例如SDTCisInt<2>表示第0个输出/入为int，假设节点numresults为1，numoperands为2，序号从0到2，前面一个为输出、后面两个为输入。

4 PatFrags

例如store节点包括unindexed store、normal store、trunc store等，怎么分别定义这些SDNode呢？这时PatFrags就派上用场，其主要的参数如下：

• ops与frags：它表示将frags中的任何片段之一匹配成ops片段；
• pred：启动该匹配的前置条件代码，输出布尔变量。该代码片段生成于XXXGenDAGISel.inc中，代码片段除了可以访问class XXXDAGToDAGISel，还可以访问一个临时变量SDNode *N；
• xform：对节点的转换代码片段，类型为SDNodeXForm。默认为NOOP_SDNodeXForm，即不转换。

注：通常frags只有一项，因此td模板定义了PatFrag来表示这种情况。

class SDNodeXForm用于对节点的转换操作，例如在PatFrags匹配结束，输出的SDNode可以做一次转换、或者做封装、甚至替换。核心字段如下：

• opc：可转换的节点，类型为SDNode。
• xformFunction：转换代码片段，代码片段除了可以访问class XXXDAGToDAGISel，还可以访问一个临时变量SDNode *N；

4.1 ImmLeaf

ImmLeaf表示将一个常数叶子重新匹配、或者说重定义为一个新的节点，也就是立即数节点。用于取立即数操作。立即数节点是没有子节点可继续展开，所以在PatFrag中断ops参数由一个空的ops表示。其主要两个参数：

• vt：表示节点的输出类型，例如i8、i16、i32等；
• pred：表示可匹配的先决条件，为一段输出布尔的代码。代码片段除了可以访问class XXXDAGToDAGISel，还可以访问一个临时变量 Imm

4.2 PatLeaf

PatLeaf表示将一个无操作数节点重新匹配、或者说重定义为一个新的节点名称，PatLeaf是PatFrag子类。由于叶子节点没有子节点可继续展开，所以在PatFrag中断ops参数由一个空的ops表示。例如x86中如下定义：

... ...
def i32immSExt8  : ImmLeaf<i32, [{ return isInt<8>(Imm); }]>;
... ...
def i32immSExt8_su : PatLeaf<(i32immSExt8), [{return !shouldAvoidImmediateInstFormsForSize(N);
}]>;
... ...

注：与PatFrag类似，pred字段的代码片段除了可以访问class XXXDAGToDAGISel，还可以访问一个临时变量SDNode *N。

5 ComplexPattern

ComplexPattern可用于从节点中提前操作数。例如地址有基地址、偏移、scale等组成，这时ComplexPattern派上用场。其各个字段意义如下：

• Ty：被提取、或者说匹配的节点类型；
• NumOperands：需要提前的子操作数个数；
• SelectFunc：表示class XXXDAGToDAGISel中用于提取操作的成员函数名称；
• RootNodes：表示该提取操作在哪些根节点下有效。为空则没有限制；
• Properties：表示被提取节点(而非根节点)的属性；

例如X86中，有如下定义：

def addr      : ComplexPattern<iPTR, 5, "selectAddr", [], [SDNPWantParent]>;

则X86DAGToDAGISel类中有如下函数实现：

//Parent - ComplexPattern中定义了SDNPWantParent属性；
//N - 被提取节点，类型为iPTR；
//后面的导出参数对应ComplexPattern中定义的5个需要提前的子操作数
bool X86DAGToDAGISel::selectAddr(SDNode *Parent, SDValue N, SDValue &Base,SDValue &Scale, SDValue &Index,SDValue &Disp, SDValue &Segment) {

6 谓词条件

谓词条件表示匹配或定义有效的前置条件。除了前面各个record中表示谓词的字段。还有一种定义谓词的通用方式，就是def的record多重继承class Requires< list < Predicate > preds >。其中Predicate定义的谓词一般访问Subtarget实现返回条件布尔值。

7 理解dag