Fix typos in comments and doc
[oota-llvm.git] / docs / TableGen / LangIntro.rst
1 ==============================
2 TableGen Language Introduction
3 ==============================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 .. warning::
9    This document is extremely rough. If you find something lacking, please
10    fix it, file a documentation bug, or ask about it on llvmdev.
11
12 Introduction
13 ============
14
15 This document is not meant to be a normative spec about the TableGen language
16 in and of itself (i.e. how to understand a given construct in terms of how
17 it affects the final set of records represented by the TableGen file). For
18 the formal language specification, see :doc:`LangRef`.
19
20 TableGen syntax
21 ===============
22
23 TableGen doesn't care about the meaning of data (that is up to the backend to
24 define), but it does care about syntax, and it enforces a simple type system.
25 This section describes the syntax and the constructs allowed in a TableGen file.
26
27 TableGen primitives
28 -------------------
29
30 TableGen comments
31 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
32
33 TableGen supports C++ style "``//``" comments, which run to the end of the
34 line, and it also supports **nestable** "``/* */``" comments.
35
36 .. _TableGen type:
37
38 The TableGen type system
39 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
40
41 TableGen files are strongly typed, in a simple (but complete) type-system.
42 These types are used to perform automatic conversions, check for errors, and to
43 help interface designers constrain the input that they allow.  Every `value
44 definition`_ is required to have an associated type.
45
46 TableGen supports a mixture of very low-level types (such as ``bit``) and very
47 high-level types (such as ``dag``).  This flexibility is what allows it to
48 describe a wide range of information conveniently and compactly.  The TableGen
49 types are:
50
51 ``bit``
52     A 'bit' is a boolean value that can hold either 0 or 1.
53
54 ``int``
55     The 'int' type represents a simple 32-bit integer value, such as 5.
56
57 ``string``
58     The 'string' type represents an ordered sequence of characters of arbitrary
59     length.
60
61 ``bits<n>``
62     A 'bits' type is an arbitrary, but fixed, size integer that is broken up
63     into individual bits.  This type is useful because it can handle some bits
64     being defined while others are undefined.
65
66 ``list<ty>``
67     This type represents a list whose elements are some other type.  The
68     contained type is arbitrary: it can even be another list type.
69
70 Class type
71     Specifying a class name in a type context means that the defined value must
72     be a subclass of the specified class.  This is useful in conjunction with
73     the ``list`` type, for example, to constrain the elements of the list to a
74     common base class (e.g., a ``list<Register>`` can only contain definitions
75     derived from the "``Register``" class).
76
77 ``dag``
78     This type represents a nestable directed graph of elements.
79
80 To date, these types have been sufficient for describing things that TableGen
81 has been used for, but it is straight-forward to extend this list if needed.
82
83 .. _TableGen expressions:
84
85 TableGen values and expressions
86 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
87
88 TableGen allows for a pretty reasonable number of different expression forms
89 when building up values.  These forms allow the TableGen file to be written in a
90 natural syntax and flavor for the application.  The current expression forms
91 supported include:
92
93 ``?``
94     uninitialized field
95
96 ``0b1001011``
97     binary integer value
98
99 ``07654321``
100     octal integer value (indicated by a leading 0)
101
102 ``7``
103     decimal integer value
104
105 ``0x7F``
106     hexadecimal integer value
107
108 ``"foo"``
109     string value
110
111 ``[{ ... }]``
112     usually called a "code fragment", but is just a multiline string literal
113
114 ``[ X, Y, Z ]<type>``
115     list value.  <type> is the type of the list element and is usually optional.
116     In rare cases, TableGen is unable to deduce the element type in which case
117     the user must specify it explicitly.
118
119 ``{ a, b, c }``
120     initializer for a "bits<3>" value
121
122 ``value``
123     value reference
124
125 ``value{17}``
126     access to one bit of a value
127
128 ``value{15-17}``
129     access to multiple bits of a value
130
131 ``DEF``
132     reference to a record definition
133
134 ``CLASS<val list>``
135     reference to a new anonymous definition of CLASS with the specified template
136     arguments.
137
138 ``X.Y``
139     reference to the subfield of a value
140
141 ``list[4-7,17,2-3]``
142     A slice of the 'list' list, including elements 4,5,6,7,17,2, and 3 from it.
143     Elements may be included multiple times.
144
145 ``foreach <var> = [ <list> ] in { <body> }``
146
147 ``foreach <var> = [ <list> ] in <def>``
148     Replicate <body> or <def>, replacing instances of <var> with each value
149     in <list>.  <var> is scoped at the level of the ``foreach`` loop and must
150     not conflict with any other object introduced in <body> or <def>.  Currently
151     only ``def``\s are expanded within <body>.
152
153 ``foreach <var> = 0-15 in ...``
154
155 ``foreach <var> = {0-15,32-47} in ...``
156     Loop over ranges of integers. The braces are required for multiple ranges.
157
158 ``(DEF a, b)``
159     a dag value.  The first element is required to be a record definition, the
160     remaining elements in the list may be arbitrary other values, including
161     nested ```dag``' values.
162
163 ``!listconcat(a, b, ...)``
164     A list value that is the result of concatenating the 'a' and 'b' lists.
165     The lists must have the same element type.
166     More than two arguments are accepted with the result being the concatenation
167     of all the lists given.
168
169 ``!strconcat(a, b, ...)``
170     A string value that is the result of concatenating the 'a' and 'b' strings.
171     More than two arguments are accepted with the result being the concatenation
172     of all the strings given.
173
174 ``str1#str2``
175     "#" (paste) is a shorthand for !strconcat.  It may concatenate things that
176     are not quoted strings, in which case an implicit !cast<string> is done on
177     the operand of the paste.
178
179 ``!cast<type>(a)``
180     A symbol of type *type* obtained by looking up the string 'a' in the symbol
181     table.  If the type of 'a' does not match *type*, TableGen aborts with an
182     error. !cast<string> is a special case in that the argument must be an
183     object defined by a 'def' construct.
184
185 ``!subst(a, b, c)``
186     If 'a' and 'b' are of string type or are symbol references, substitute 'b'
187     for 'a' in 'c.'  This operation is analogous to $(subst) in GNU make.
188
189 ``!foreach(a, b, c)``
190     For each member 'b' of dag or list 'a' apply operator 'c.'  'b' is a dummy
191     variable that should be declared as a member variable of an instantiated
192     class.  This operation is analogous to $(foreach) in GNU make.
193
194 ``!head(a)``
195     The first element of list 'a.'
196
197 ``!tail(a)``
198     The 2nd-N elements of list 'a.'
199
200 ``!empty(a)``
201     An integer {0,1} indicating whether list 'a' is empty.
202
203 ``!if(a,b,c)``
204   'b' if the result of 'int' or 'bit' operator 'a' is nonzero, 'c' otherwise.
205
206 ``!eq(a,b)``
207     'bit 1' if string a is equal to string b, 0 otherwise.  This only operates
208     on string, int and bit objects.  Use !cast<string> to compare other types of
209     objects.
210
211 ``!shl(a,b)`` ``!srl(a,b)`` ``!sra(a,b)`` ``!add(a,b)``
212     The usual logical and arithmetic operators.
213
214 Note that all of the values have rules specifying how they convert to values
215 for different types.  These rules allow you to assign a value like "``7``"
216 to a "``bits<4>``" value, for example.
217
218 Classes and definitions
219 -----------------------
220
221 As mentioned in the :doc:`introduction <index>`, classes and definitions (collectively known as
222 'records') in TableGen are the main high-level unit of information that TableGen
223 collects.  Records are defined with a ``def`` or ``class`` keyword, the record
224 name, and an optional list of "`template arguments`_".  If the record has
225 superclasses, they are specified as a comma separated list that starts with a
226 colon character ("``:``").  If `value definitions`_ or `let expressions`_ are
227 needed for the class, they are enclosed in curly braces ("``{}``"); otherwise,
228 the record ends with a semicolon.
229
230 Here is a simple TableGen file:
231
232 .. code-block:: llvm
233
234   class C { bit V = 1; }
235   def X : C;
236   def Y : C {
237     string Greeting = "hello";
238   }
239
240 This example defines two definitions, ``X`` and ``Y``, both of which derive from
241 the ``C`` class.  Because of this, they both get the ``V`` bit value.  The ``Y``
242 definition also gets the Greeting member as well.
243
244 In general, classes are useful for collecting together the commonality between a
245 group of records and isolating it in a single place.  Also, classes permit the
246 specification of default values for their subclasses, allowing the subclasses to
247 override them as they wish.
248
249 .. _value definition:
250 .. _value definitions:
251
252 Value definitions
253 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
254
255 Value definitions define named entries in records.  A value must be defined
256 before it can be referred to as the operand for another value definition or
257 before the value is reset with a `let expression`_.  A value is defined by
258 specifying a `TableGen type`_ and a name.  If an initial value is available, it
259 may be specified after the type with an equal sign.  Value definitions require
260 terminating semicolons.
261
262 .. _let expression:
263 .. _let expressions:
264 .. _"let" expressions within a record:
265
266 'let' expressions
267 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
268
269 A record-level let expression is used to change the value of a value definition
270 in a record.  This is primarily useful when a superclass defines a value that a
271 derived class or definition wants to override.  Let expressions consist of the
272 '``let``' keyword followed by a value name, an equal sign ("``=``"), and a new
273 value.  For example, a new class could be added to the example above, redefining
274 the ``V`` field for all of its subclasses:
275
276 .. code-block:: llvm
277
278   class D : C { let V = 0; }
279   def Z : D;
280
281 In this case, the ``Z`` definition will have a zero value for its ``V`` value,
282 despite the fact that it derives (indirectly) from the ``C`` class, because the
283 ``D`` class overrode its value.
284
285 .. _template arguments:
286
287 Class template arguments
288 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
289
290 TableGen permits the definition of parameterized classes as well as normal
291 concrete classes.  Parameterized TableGen classes specify a list of variable
292 bindings (which may optionally have defaults) that are bound when used.  Here is
293 a simple example:
294
295 .. code-block:: llvm
296
297   class FPFormat<bits<3> val> {
298     bits<3> Value = val;
299   }
300   def NotFP      : FPFormat<0>;
301   def ZeroArgFP  : FPFormat<1>;
302   def OneArgFP   : FPFormat<2>;
303   def OneArgFPRW : FPFormat<3>;
304   def TwoArgFP   : FPFormat<4>;
305   def CompareFP  : FPFormat<5>;
306   def CondMovFP  : FPFormat<6>;
307   def SpecialFP  : FPFormat<7>;
308
309 In this case, template arguments are used as a space efficient way to specify a
310 list of "enumeration values", each with a "``Value``" field set to the specified
311 integer.
312
313 The more esoteric forms of `TableGen expressions`_ are useful in conjunction
314 with template arguments.  As an example:
315
316 .. code-block:: llvm
317
318   class ModRefVal<bits<2> val> {
319     bits<2> Value = val;
320   }
321
322   def None   : ModRefVal<0>;
323   def Mod    : ModRefVal<1>;
324   def Ref    : ModRefVal<2>;
325   def ModRef : ModRefVal<3>;
326
327   class Value<ModRefVal MR> {
328     // Decode some information into a more convenient format, while providing
329     // a nice interface to the user of the "Value" class.
330     bit isMod = MR.Value{0};
331     bit isRef = MR.Value{1};
332
333     // other stuff...
334   }
335
336   // Example uses
337   def bork : Value<Mod>;
338   def zork : Value<Ref>;
339   def hork : Value<ModRef>;
340
341 This is obviously a contrived example, but it shows how template arguments can
342 be used to decouple the interface provided to the user of the class from the
343 actual internal data representation expected by the class.  In this case,
344 running ``llvm-tblgen`` on the example prints the following definitions:
345
346 .. code-block:: llvm
347
348   def bork {      // Value
349     bit isMod = 1;
350     bit isRef = 0;
351   }
352   def hork {      // Value
353     bit isMod = 1;
354     bit isRef = 1;
355   }
356   def zork {      // Value
357     bit isMod = 0;
358     bit isRef = 1;
359   }
360
361 This shows that TableGen was able to dig into the argument and extract a piece
362 of information that was requested by the designer of the "Value" class.  For
363 more realistic examples, please see existing users of TableGen, such as the X86
364 backend.
365
366 Multiclass definitions and instances
367 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
368
369 While classes with template arguments are a good way to factor commonality
370 between two instances of a definition, multiclasses allow a convenient notation
371 for defining multiple definitions at once (instances of implicitly constructed
372 classes).  For example, consider an 3-address instruction set whose instructions
373 come in two forms: "``reg = reg op reg``" and "``reg = reg op imm``"
374 (e.g. SPARC). In this case, you'd like to specify in one place that this
375 commonality exists, then in a separate place indicate what all the ops are.
376
377 Here is an example TableGen fragment that shows this idea:
378
379 .. code-block:: llvm
380
381   def ops;
382   def GPR;
383   def Imm;
384   class inst<int opc, string asmstr, dag operandlist>;
385
386   multiclass ri_inst<int opc, string asmstr> {
387     def _rr : inst<opc, !strconcat(asmstr, " $dst, $src1, $src2"),
388                    (ops GPR:$dst, GPR:$src1, GPR:$src2)>;
389     def _ri : inst<opc, !strconcat(asmstr, " $dst, $src1, $src2"),
390                    (ops GPR:$dst, GPR:$src1, Imm:$src2)>;
391   }
392
393   // Instantiations of the ri_inst multiclass.
394   defm ADD : ri_inst<0b111, "add">;
395   defm SUB : ri_inst<0b101, "sub">;
396   defm MUL : ri_inst<0b100, "mul">;
397   ...
398
399 The name of the resultant definitions has the multidef fragment names appended
400 to them, so this defines ``ADD_rr``, ``ADD_ri``, ``SUB_rr``, etc.  A defm may
401 inherit from multiple multiclasses, instantiating definitions from each
402 multiclass.  Using a multiclass this way is exactly equivalent to instantiating
403 the classes multiple times yourself, e.g. by writing:
404
405 .. code-block:: llvm
406
407   def ops;
408   def GPR;
409   def Imm;
410   class inst<int opc, string asmstr, dag operandlist>;
411
412   class rrinst<int opc, string asmstr>
413     : inst<opc, !strconcat(asmstr, " $dst, $src1, $src2"),
414            (ops GPR:$dst, GPR:$src1, GPR:$src2)>;
415
416   class riinst<int opc, string asmstr>
417     : inst<opc, !strconcat(asmstr, " $dst, $src1, $src2"),
418            (ops GPR:$dst, GPR:$src1, Imm:$src2)>;
419
420   // Instantiations of the ri_inst multiclass.
421   def ADD_rr : rrinst<0b111, "add">;
422   def ADD_ri : riinst<0b111, "add">;
423   def SUB_rr : rrinst<0b101, "sub">;
424   def SUB_ri : riinst<0b101, "sub">;
425   def MUL_rr : rrinst<0b100, "mul">;
426   def MUL_ri : riinst<0b100, "mul">;
427   ...
428
429 A ``defm`` can also be used inside a multiclass providing several levels of
430 multiclass instantiations.
431
432 .. code-block:: llvm
433
434   class Instruction<bits<4> opc, string Name> {
435     bits<4> opcode = opc;
436     string name = Name;
437   }
438
439   multiclass basic_r<bits<4> opc> {
440     def rr : Instruction<opc, "rr">;
441     def rm : Instruction<opc, "rm">;
442   }
443
444   multiclass basic_s<bits<4> opc> {
445     defm SS : basic_r<opc>;
446     defm SD : basic_r<opc>;
447     def X : Instruction<opc, "x">;
448   }
449
450   multiclass basic_p<bits<4> opc> {
451     defm PS : basic_r<opc>;
452     defm PD : basic_r<opc>;
453     def Y : Instruction<opc, "y">;
454   }
455
456   defm ADD : basic_s<0xf>, basic_p<0xf>;
457   ...
458
459   // Results
460   def ADDPDrm { ...
461   def ADDPDrr { ...
462   def ADDPSrm { ...
463   def ADDPSrr { ...
464   def ADDSDrm { ...
465   def ADDSDrr { ...
466   def ADDY { ...
467   def ADDX { ...
468
469 ``defm`` declarations can inherit from classes too, the rule to follow is that
470 the class list must start after the last multiclass, and there must be at least
471 one multiclass before them.
472
473 .. code-block:: llvm
474
475   class XD { bits<4> Prefix = 11; }
476   class XS { bits<4> Prefix = 12; }
477
478   class I<bits<4> op> {
479     bits<4> opcode = op;
480   }
481
482   multiclass R {
483     def rr : I<4>;
484     def rm : I<2>;
485   }
486
487   multiclass Y {
488     defm SS : R, XD;
489     defm SD : R, XS;
490   }
491
492   defm Instr : Y;
493
494   // Results
495   def InstrSDrm {
496     bits<4> opcode = { 0, 0, 1, 0 };
497     bits<4> Prefix = { 1, 1, 0, 0 };
498   }
499   ...
500   def InstrSSrr {
501     bits<4> opcode = { 0, 1, 0, 0 };
502     bits<4> Prefix = { 1, 0, 1, 1 };
503   }
504
505 File scope entities
506 -------------------
507
508 File inclusion
509 ^^^^^^^^^^^^^^
510
511 TableGen supports the '``include``' token, which textually substitutes the
512 specified file in place of the include directive.  The filename should be
513 specified as a double quoted string immediately after the '``include``' keyword.
514 Example:
515
516 .. code-block:: llvm
517
518   include "foo.td"
519
520 'let' expressions
521 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
522
523 "Let" expressions at file scope are similar to `"let" expressions within a
524 record`_, except they can specify a value binding for multiple records at a
525 time, and may be useful in certain other cases.  File-scope let expressions are
526 really just another way that TableGen allows the end-user to factor out
527 commonality from the records.
528
529 File-scope "let" expressions take a comma-separated list of bindings to apply,
530 and one or more records to bind the values in.  Here are some examples:
531
532 .. code-block:: llvm
533
534   let isTerminator = 1, isReturn = 1, isBarrier = 1, hasCtrlDep = 1 in
535     def RET : I<0xC3, RawFrm, (outs), (ins), "ret", [(X86retflag 0)]>;
536
537   let isCall = 1 in
538     // All calls clobber the non-callee saved registers...
539     let Defs = [EAX, ECX, EDX, FP0, FP1, FP2, FP3, FP4, FP5, FP6, ST0,
540                 MM0, MM1, MM2, MM3, MM4, MM5, MM6, MM7,
541                 XMM0, XMM1, XMM2, XMM3, XMM4, XMM5, XMM6, XMM7, EFLAGS] in {
542       def CALLpcrel32 : Ii32<0xE8, RawFrm, (outs), (ins i32imm:$dst,variable_ops),
543                              "call\t${dst:call}", []>;
544       def CALL32r     : I<0xFF, MRM2r, (outs), (ins GR32:$dst, variable_ops),
545                           "call\t{*}$dst", [(X86call GR32:$dst)]>;
546       def CALL32m     : I<0xFF, MRM2m, (outs), (ins i32mem:$dst, variable_ops),
547                           "call\t{*}$dst", []>;
548     }
549
550 File-scope "let" expressions are often useful when a couple of definitions need
551 to be added to several records, and the records do not otherwise need to be
552 opened, as in the case with the ``CALL*`` instructions above.
553
554 It's also possible to use "let" expressions inside multiclasses, providing more
555 ways to factor out commonality from the records, specially if using several
556 levels of multiclass instantiations. This also avoids the need of using "let"
557 expressions within subsequent records inside a multiclass.
558
559 .. code-block:: llvm
560
561   multiclass basic_r<bits<4> opc> {
562     let Predicates = [HasSSE2] in {
563       def rr : Instruction<opc, "rr">;
564       def rm : Instruction<opc, "rm">;
565     }
566     let Predicates = [HasSSE3] in
567       def rx : Instruction<opc, "rx">;
568   }
569
570   multiclass basic_ss<bits<4> opc> {
571     let IsDouble = 0 in
572       defm SS : basic_r<opc>;
573
574     let IsDouble = 1 in
575       defm SD : basic_r<opc>;
576   }
577
578   defm ADD : basic_ss<0xf>;
579
580 Looping
581 ^^^^^^^
582
583 TableGen supports the '``foreach``' block, which textually replicates the loop
584 body, substituting iterator values for iterator references in the body.
585 Example:
586
587 .. code-block:: llvm
588
589   foreach i = [0, 1, 2, 3] in {
590     def R#i : Register<...>;
591     def F#i : Register<...>;
592   }
593
594 This will create objects ``R0``, ``R1``, ``R2`` and ``R3``.  ``foreach`` blocks
595 may be nested. If there is only one item in the body the braces may be
596 elided:
597
598 .. code-block:: llvm
599
600   foreach i = [0, 1, 2, 3] in
601     def R#i : Register<...>;
602
603 Code Generator backend info
604 ===========================
605
606 Expressions used by code generator to describe instructions and isel patterns:
607
608 ``(implicit a)``
609     an implicitly defined physical register.  This tells the dag instruction
610     selection emitter the input pattern's extra definitions matches implicit
611     physical register definitions.
612