LLVM 后端移植 寄存器定义部分代码分析

对经过前端翻译后生成的 LLVM 中间代码，通过后端代码生成器可以生成对特定后端处理器的后端代码。生成的后端代码可以两种形式存在：一种是以目标处理器的汇编代码形式，可以通过汇编器编译后得到相应的目标处理器二进制代码， 并能运行在目标处理器上；另一种是直接以二进制代码存在，不能运行在目标处理 器上，但可以使用 JIT 编译器直接在本地运行。

移植接口代码结构

有用的抽象类：：TargetMachine、TargetData、TargetLowering、MRegisterInfo、TargetInstrInfo、TargetFrameInfo、TargetSubtarget、TargetJITInfo 等。

后端移植结构如下图：

寄存器描述

主要从两方面来描述目标处理器的寄存器，实现关于目标处理器寄存器的TableGen 描述以及继承并实现 MRegisterInfo 类，也即需要实现文件件“XXXRegisterInfo.td”、“XXXRegisterInfo.h”和“XXXRegisterInfo.cpp”。
在文件“XXXRegisterInfo.td”中，需要描述目标处理器每个寄存器的属性， 寄存器之间的别名关系以及程序运行时的寄存器分配方案等，这通过 TableGen 提 供的描述寄存器的四个记录类实现：Register、RegisterGroup、RegisterClass、 DwarfRegNum

Register 类 用于描述每个寄存器的属性，该类包括的数据有：

数据	解释
string Namespace	指定所属的命名空间
string Name	寄存器的名字
int SpillSize	寄存器溢出时保存寄存器所需的位的个数
int SpillAlignment	寄存器溢出时保存寄存器要求的对齐
list Aliases	读/写本寄存器将读/写的其它寄存器的列表（别名）
int DwarfNumber gcc/gdb	内部用于识别寄存器的编号

例如，下面建立了一个名为 GPR 的寄存器类，属于命名空间“XXX”，有一 个长度为 2 的位串类型数据 num.。用 GPR 可以建立 4 个记录定义 R0～R3，描述 了 4 个属于命名空间“XXX”的寄存器。

class GPR< bits<2> num, string n > :
Register{ 
field bits<2> Num;
let Namespace = "XXX"; 
Num = num;
} 

def R0 : GPR< 0, "R0">;
def R1 : GPR< 1, "R1">; 
def R2 : GPR< 2, "R2">; 
def R3 : GPR< 3, "R3">;

RegisterGroup 类 继承了 Register 类，用于描述有别名的寄存器，其结构如下：

 class RegisterGroup aliases> : 
		Register{
			 let Aliases = aliases; } 

例如，“def S0 : RegisterGroup<“S0”, [R0]>;”说明了 S0 与 R0 之间的别名关系。

RegisterClass 类 帮助对寄存器进行分类，将不同功能的寄存器分为不同的寄存器类，并规定不同类型的寄存器在进行寄存器分配时的分配顺序。
类包括的数据有：

数据	解释
string Namespace = namespace	指定所属的命名空间
list RegTypes	指令该类寄存器类型
int Size	寄存器溢出时保存寄存器所需的位的个数
int Alignment	当寄存器被写入内存时需要的对齐
list MemberList	列出所有属于本寄存器类的寄存器，并作为没有提供寄存器分配方案 allocation_order_*时默认的寄存器分配顺序
code MethodProtos	提供寄存器分配方案 allocation_order_*的函数原型
code MethodBodies	实现寄存器分配方案 allocation_order_*函数

以下给出了一个寄存器类的记录定义：

def GPRC : RegisterClass< "XXX", [i32], 32, [R0, R1, R2, R3] >
{   let MethodProtos = [{
iterator allocation_order_begin(MachineFunction &MF) const;   
iterator allocation_order_end(MachineFunction &MF) const; 
}];  

 let MethodBodies = [{ 
GPRCClass::iterator GPRCClass::allocation_order_begin( 
MachineFunction &MF) const
 { return begin() + 1; } 

GPRCClass::iterator GPRCClass::allocation_order_end( 
MachineFunction &MF) const {
return end() - 1; } 
}];
} 

上面定义的寄存器类 GPRC 包含 4 个寄存器 R0、R1、R2、R3，该寄存器类中的寄存器的类型为 i32，对齐为 32，所属命名空间的名字为“XXX”，并且在allocation_order_begin 和 allocation_order_end 的函数实现中分别规定 R0 和 R3 不参与寄存器分配。

DwarfRegNum 类 提供了 llvm 寄存器与 gcc/gdb 寄存器编号之间的映射，其结构如下：

class DwarfRegNum{ 
int DwarfNumber = N; 
} 

例如，“def R0 : GPR< 0, “R0”>, DwarfRegNum<0>;”将 R0 映射到寄存器编号 0。 对需移植的目标处理器，通过以上这四个记录类来描述寄存器，就可完成文件“XXXRegisterInfo.td”的实现。

在文件 “ XXXRegisterInfo.h ” 和 “ XXXRegisterInfo.cpp ” 中 ， 则 需 继 承MRegisterInfo 类，并实现 MRegisterInfo 类中的虚函数。这些虚函数接口主要有：

• 提供将寄存器中的值放入栈槽的目标处理器指令

virtual void storeRegToStackSlot(MachineBasicBlock &MBB, 
MachineBasicBlock::iterator MI, unsigned SrcReg, 
int FrameIndex, const TargetRegisterClass *RC) const = 0; 

• 提供从栈槽取出值放入寄存器中的目标处理器指令

virtual void loadRegFromStackSlot(MachineBasicBlock &MBB, 
MachineBasicBlock::iterator MI, unsigned DestReg, 
int FrameIndex, const TargetRegisterClass *RC) const = 0; 

• 提供寄存器拷贝的目标处理器指令

virtual void copyRegToReg(MachineBasicBlock &MBB, 
MachineBasicBlock::iterator MI, unsigned DestReg, 
unsigned SrcReg, const TargetRegisterClass *RC) const = 0;  

• 将对栈槽进行读写的中间代码转为目标处理器的访存指令

virtual MachineInstr* foldMemoryOperand(MachineInstr* MI,
 unsigned OpNum, int FrameIndex) const;  

• 在进行序言和尾声代码插入时，调用这个接口函数去除建立和销毁帧的伪代码

virtual void eliminateCallFramePseudoInstr(MachineFunction &MF,
MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator MI) cons;  

• 实现本函数接口以在函数帧布局结束之前增加其它处理

virtual void processFunctionBeforeFrameFinalized(MachineFunction &MF) const;  

• 实现本函数接口以消除 LLVM 的虚拟帧索引

virtual void eliminateFrameIndex(MachineBasicBlock::iterator MI) const;  

• 添加进入函数之前运行的序言代码

virtual void emitPrologue(MachineFunction &MF) const = 0;  

• 添加退出函数之前运行的尾声代码

virtual void emitEpilogue(MachineFunction &MF, MachineBasicBlock &MBB) const = 0; 

• 将目标处理器的寄存器映射到 dwarf 的寄存器编号

virtual int getDwarfRegNum(unsigned RegNum) const = 0; 

• 返回当前使用的帧指针所在的寄存器

virtual unsigned getFrameRegister(MachineFunction &MF) const = 0;  

• 返回目标处理器的链接寄存器

virtual unsigned getRARegister() const = 0;  

• 对给定的帧索引偏移 index 返回实际位置

ML virtual void getLocation(MachineFunction &MF, unsigned Index, MachineLocation &ML) const;  

• 返回出现在所有函数入口的目标处理器移动指令

virtual void getInitialFrameState(std::vector &Moves) const;