LLVM编译器后端比较功能的添加
1.动机
从机器层面上来看，控制流类的跳转指令分为无条件跳转和有条件跳转，无条件跳转 JMP，有条件跳转 JEQ、JNE、JLT、JGT、JLE、JGE，这部分指令是需要通过检查 condition code （SW 寄存器）来决定跳转条件；J 类型指令依赖的 condition code 是通过比较指令（比如 CMP）的结果来设置的。如下图所示，JNE跳转指令通过检查SW寄存器的状态以决定是否发生跳转。因此，为了支持控制流功能，首先要打通比较功能。
2.LLVM IR 中的比较指令
LLVM IR提供的 int 类型比较指令为 icmp。其接受三个参数：比较方案以及两个比较参数。
%result = icmp ule i32 %a, %bule是比较方案，其中 u 为 unsigned int，le 为 lower than or equal，%a和%b就是用来比较的两个数，而icmp则返回一个i1类型的值，用来表示结果是否为真。
与ule类似的比较方案有多种，如：
等于与不等于：eq、ne；
无符号比较：ugt、uge、ult、ule， 分别对应无符号的大于、大于等于、小于、小于等于；
有符号比较：sgt、sge、slt、sle， 分别对应有符号的大于、大于等于、小于、小于等于。
3.实现比较功能的添加
3.1 定义format
class FA op, dag outs, dag ins, string asmStr,
list pattern, InstrItinClass itin>
: Cpu0Inst
{
bits<4> ra;
bits<4> rb;
bits<4> rc;
bits<12> shamt;
let Opcode = op;
let Inst{23-20} = ra;
let Inst{19-16} = rb;
let Inst{15-12} = rc;
let Inst{11-0} = shamt;
} rb、rc为两个寄存器类型源操作数，用于存放比较的数据，ra为寄存器类型目的操作数，用来存放比较的结果。
class FL op, dag outs, dag ins, string asmStr,
list pattern, InstrItinClass itin>
: Cpu0Inst
{
bits<4> ra;
bits<4> rb;
bits<16> imm16;
let Opcode = op;
let Inst{23-20} = ra;
let Inst{19-16} = rb;
let Inst{15-0} = imm16;
} rb为寄存器类型源操作数，用于存放比较的数据，imm16是用于比较的16位立即数，ra为寄存器类型目的操作数，用来存放比较的结果。
3.2 定义指令
class SetCC_R op, string instrAsm, PatFrag condOp,
RegisterClass RC>
: FA, Requires<[HasSlt]> {
let shamt = 0;
}
def SLT : SetCC_R<0x28, "slt", setlt, CPURegs>;
def SLTu : SetCC_R<0x29, "sltu", setult, CPURegs>; SetCC_R继承自上面定义的FA 。SLT、SLTu对应着小于、无符号小于两种比较方案
class SetCC_I op, string instrAsm, PatFrag condOp, Operand Od,
PatLeaf immType, RegisterClass RC>
: FL, Requires<[HasSlt]>;
class FMem op, dag outs, dag ins, string asmStr, list pattern,
InstrItinClass itin>
: FL {
bits<20> addr;
let Inst{19-16} = addr{19-16};
let Inst{15-0} = addr{15-0};
let DecoderMethod = "DecodeMem";
}
def SLTi : SetCC_I<0x26, "slti", setlt, simm16, immSExt16, CPURegs>;
def SLTiu : SetCC_I<0x27, "sltiu", setult, simm16, immSExt16, CPURegs>; SetCC_I继承自上面定义的FL 。SLTi、SLTiu对应着立即数小于、立即数无符号小于两种比较方案。
3.3 定义Pattern
上述四条指令只提到了小于、无符号小于两种比较方案，另外的比较方案没有定义。针对这种指令集中没有定义的比较方案需要借助Pattern定义。
指令选择过程就是DAG的模式匹配过程，模式的定义其主要在td文件中进行描述。当一个匹配找到后，将其DAG中的Node替换为具体的机器指令或伪指令。所以td文件中的Pattern的定义对于指令选择起到至关重要的作用。
每一个Pattern记录继承自 Pat class，其有两个参数，第一个参数DAG图中待匹配的模式，第二个参数是一个由机器指令组成DAG，当一个 Pattern 匹配后，将使用第二个参数替换第一个参数。以大于和大于等于为例，比较方案的模式定义如下：
大于(setgt、setugt)
multiclass SetgtPatsSlt {
def : Pat<(setgt RC:$lhs, RC:$rhs),
// a > b is equal to b < a is equal to setlt(b, a)
(SLTOp RC:$rhs, RC:$lhs)>;
def : Pat<(setugt RC:$lhs, RC:$rhs),
(SLTuOp RC:$rhs, RC:$lhs)>;
}
defm : SetgtPatsSlt; 大于等于(setge、setuge)
multiclass SetgePatsSlt {
def : Pat<(setge RC:$lhs, RC:$rhs),
// a >= b is equal to b <= a
(XORi (SLTOp RC:$lhs, RC:$rhs), 1)>;
def : Pat<(setuge RC:$lhs, RC:$rhs),
(XORi (SLTuOp RC:$lhs, RC:$rhs), 1)>;
}
defm : SetgePatsSlt; 4.测试 (以大于为例)
测试用例
int test_setxx()
{
int a = 5;
int b = 3;
int c;
c = (a > b); // sgt, c = 1
return (c);
}LLVM IR
%a = alloca i32, align 4
%b = alloca i32, align 4
%c = alloca i32, align 4
store i32 5, i32* %a, align 4
store i32 3, i32* %b, align 4
%0 = load i32, i32* %a, align 4
%1 = load i32, i32* %b, align 4
%cmp = icmp sgt i32 %0, %1
%conv = zext i1 %cmp to i32
store i32 %conv, i32* %c, align 4
%2 = load i32, i32* %c, align 4
ret i32 %2
}指令选择前后的DAG
汇编
test_setxx:
.frame $fp,16,$lr
.mask 0x00000000,0
.set noreorder
.set nomacro
# %bb.0: # %entry
addiu $sp, $sp, -16
addiu $2, $zero, 5
st $2, 12($sp)
addiu $2, $zero, 3
st $2, 8($sp)
ld $2, 12($sp)
ld $3, 8($sp)
cmp $sw, $3, $2
andi $2, $sw, 1
st $2, 4($sp)
ld $2, 4($sp)
addiu $sp, $sp, 16
ret $lr
nop
.set macro
.set reorder
.end test_setxx
$func_end0:
.size test_setxx, ($func_end0)-test_setxx
# -- End function5.总结
LLVM编译器后端的主要工作是将LLVM中间端表达式（IR）转换成汇编文件，Cpu0 是一个非常简单的 RISC 架构处理器，本文以Cpu0作为硬件的例子，来构建能适配它的编译器后端，主要讲述了比较指令在整个控制流当中的作用并梳理了在LLVM后端中添加比较功能的过程。在编译器后端的开发过程中有一定的参考作用。可能存在认知上的偏差，也请大佬多多指教，笔者也会在学习中一步步改正错误，欢迎交流技术心得。
参考文献
https://llvm.org/docs/WritingAnLLVMBackend.html
https://llvm.org/docs/tutorial/MyFirstLanguageFrontend/LangImpl05.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/386457923
https://zhuanlan.zhihu.com/p/163328574