= 手を動かせばできるLLVMバックエンド チュートリアル
艮 鮟鱇 <ushitora@anqou.net>
:toc: left
:icons: font
:stem: latexmath
== FIXME
AsciiDocのコメントを用いて文中にFIXMEを仕込む。
その他のFIXME（全般的なものなど）をここにリストにする。
* だ・である調をです・ます調に変える。
* 実際にやってみる。
** 現状過去の作業ログを切り貼りしながら書いているので通してちゃんと動くかは良くわからない。
* LLVM 12.0.0に対応させる
== この文書について
この文書は https://asciidoctor.org/[Asciidoctor]を用いて執筆されています。
記述方法は https://asciidoctor.org/docs/user-manual/[Asciidoctor User Manual]を
参考にしてください。
この文書はGitによって管理されています。
https://github.com/ushitora-anqou/write-your-llvm-backend[リポジトリはGitHubにて
公開しています]。同じリポジトリで、この文書を書くにあたってベースとしている
メモ（
https://ushitora-anqou.github.io/write-your-llvm-backend/draft-rv32kv1.html[RV32Kv1]・
https://ushitora-anqou.github.io/write-your-llvm-backend/draft-rv16kv2.html[RV16Kv2]・
https://ushitora-anqou.github.io/write-your-llvm-backend/draft-cahpv3.html[CAHPv3]）を読むことができます。
この文書に（おおよそ）則って開発されたLLVMバックエンドのソースコードを
https://github.com/virtualsecureplatform/llvm-cahp[GitHubリポジトリにて公開しています]。
この作品は、クリエイティブ・コモンズの 表示 4.0 国際 ライセンスで提供されています。ライセンスの写しをご覧になるには、 http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ をご覧頂くか、Creative Commons, PO Box 1866, Mountain View, CA 94042, USA までお手紙をお送りくださいfootnote:[この
段落はクリエイティブ・コモンズより引用。]。
本文書の内容は筆者が独自に調査したものです。
**疑う余地なく誤りが含まれます**。誤りに気づかれた方はGitHubリポジトリなどを通じて
ご連絡ください。なお誤っていそうな部分についてはAsciidoctorのコメント機能を用いて
コメントを残しています。 `FIXME` というキーワードでソースコードの全文検索をしてください。
== LLVMバックエンド概略
本書ではRISC-V風味の独自ISAを例にLLVMバックエンドを開発します。
使用するLLVMのバージョンはv12.0.0です。
// FIXME: 人がLLVMバックエンドを書きたくなるような文章をここに書く。
== ところで
一度もコンパイラを書いたことがない人は、この文書を読む前に
『低レイヤを知りたい人のためのCコンパイラ作成入門』<<rui-compilerbook>>などで一度
フルスクラッチからコンパイラを書くことをおすすめします。
また<<krister-writing_gcc_backend>>などを参考に、
LLVMではなくGCCにバックエンドを追加することも検討してみてはいかがでしょうか。
== 参考にすべき文献
LLVMバックエンドを開発する際に参考にできる書籍やWebサイトを以下に一覧します。
なおこの文書では、RISC-Vバックエンド及びそれに関する技術資料を**大いに**参考しています。
=== Webページ
* Writing an LLVM Backend<<llvm-writing_backend>>
** 分かりにくく読みにくい。正直あんまり見ていないが、たまに眺めると有益な情報を見つけたりもする。
* The LLVM Target-Independent Code Generator<<llvm-code_generator>>
** <<llvm-writing_backend>>よりもよほど参考になる。LLVMバックエンドがどのようにLLVM IRをアセンブリに落とすかが明記されている。必読。
* TableGenのLLVMのドキュメント<<llvm-tablegen>>
** 情報量が少ない。これを読むよりも各種バックエンドのTableGenファイルを読むほうが良い。
* LLVM Language Reference Manual<<llvm-langref>>
** LLVM IRについての言語リファレンス。LLVM IRの仕様などを参照できる。必要に応じて読む。
* Architecture & Platform Information for Compiler Writers<<llvm-compilerwriterinfo>>
** LLVMで公式に実装されているバックエンドに関するISAの情報が集約されている。Lanaiの言語仕様へのリンクが貴重。
* RISC-V support for LLVM projects<<github_riscv-llvm>>
** **どちゃくそに参考になる**。以下の開発はこれに基づいて行う。
** LLVMにRISC-Vサポートを追加するパッチ群。バックエンドを開発するためのチュートリアルも兼ねているらしく `docs/` 及びそれと対応したpatchが参考になる。
** またこれについて、開発者が2018 LLVM Developers' Meetingで登壇したときの動画は<<youtube_llvm-backend-development-by-example>>より閲覧できる。スライドは<<speakerdeck-llvm_backend_development>>より閲覧できる。
** そのときのCoding Labは<<lowrisc-devmtg18>>より閲覧できる。
* Create an LLVM Backend for the Cpu0 Architecture<<cpu0>>
** Cpu0という独自アーキテクチャのLLVMバックエンドを作成するチュートリアル。多少古いが、内容が網羅的で参考になる。英語が怪しい。
* FPGA開発日記<<msyksphinz_github_io-llvm>>
** Cpu0の資料<<cpu0>>をもとに1からRISC-Vバックエンドを作成する過程がブログ<<fpga_develop_diary>>として公開されている。GitHubに実装も公開されている<<fpga_develop_diary-llvm>>。
* ELVMバックエンド<<elvm-llvm_backend>>
** 限られた命令でLLVM IRの機能を達成する例として貴重。でも意外とISAはリッチだったりする。
** 作成者のスライドも参考になる<<elvm-slide>>。
* 2018年度東大CPU実験で開発されたLLVM Backend<<todai_llvm_backend>>
** これについて書かれたAdCのエントリもある<<todai_llvm_backend-article>>。
* Tutorial: Building a backend in 24 hours<<llvm-anton_korobeynikov_2012>>
** LLVMバックエンドの大まかな動きについてざっとまとめたあと、 `ret` だけが定義された最低限のLLVMバックエンド ("stub backend") を構成している。
** Instruction Selection の説明にある *Does bunch of magic and crazy pattern-matching* が好き。
* 2017 LLVM Developers’ Meeting: M. Braun "Welcome to the back-end: The LLVM machine representation"<<llvm-welcome_to_the_back_end_2017>>
** スライドも公開されている<<welcome_to_the_back_end-slides>>。
** 命令選択が終わったあとの中間表現であるLLVM MIR
（ `MachineFunction` や `MachineInstr` など）や、それに対する操作の解説。
RegStateやframe index・register scavengerなどの説明が貴重。
* Howto: Implementing LLVM Integrated Assembler<<ean10-howto-llvmas>>
** LLVM上でアセンブラを書くためのチュートリアル。アセンブラ単体に焦点を絞ったものは珍しい。
* Building an LLVM Backend<<LLVMBackend_2015_03_26_v2>>
** 対応するレポジトリが<<github-frasercrmck_llvm_leg>>にある。
* [LLVMdev] backend documentation<<llvm_dev_ml-059799>>
** llvm-devメーリングリストのバックエンドのよいドキュメントは無いかというスレッド。Cpu0とTriCoreが挙げられているが、深くまで記述したものは無いという回答。
* TriCore Backend<<tricore-llvm>>
** TriCoreというアーキテクチャ用のバックエンドを書いたという論文。スライドもある<<tricore-llvm-slides>>。ソースコードもGitHub上に上がっているが、どれが公式かわからないfootnote:[論文とスライドも怪しいものだが、著者が一致しているので多分正しいだろう。]。
* Life of an instruction in LLVM<<life_of_an_instruction>>
** Cコードからassemblyまでの流れを概観。
* LLVM Backendの紹介<<llvm_backend_intro>>
** 「コンパイラ勉強会」footnote:[これとは別の発表で「コンパイラ開発してない人生はFAKE」という名言が飛び出した勉強会<<compiler_study_report>>。]での、LLVMバックエンドの大きな流れ（特に命令選択）について概観した日本語スライド。
* llvm-2003f 処理の流れの例<<llvm_2003f>>
** 2003f用のLLVMバックエンドの処理について説明したページ。
=== 書籍
* 『きつねさんでもわかるLLVM〜コンパイラを自作するためのガイドブック〜』<<fox-llvm>>
** 数少ない日本語資料。Passやバックエンドの各クラスについて説明している。<<llvm-code_generator>>と合わせて大まかな流れを掴むのに良い。
** ただし書籍中で作成されているバックエンドは機能が制限されており、またコードベースも多少古い。
なおLLVMについてGoogleで検索していると"LLVM Cookbook"なる謎の書籍（の電子コピー）が
見つかるが、内容はLLVM公式文書のパクリのようだ<<amazon-llvm_cookbook-customer_review>>。
=== バックエンド
* RISC-V<<riscv>>
** パッチ群が開発ドキュメントとともに公開されている<<github_riscv-llvm>>。以降の開発はこれをベースに行う。
* Lanai<<lanai-isa>>
** Googleが開発した32bit RISCの謎アーキテクチャ。全く実用されていないが、バックエンドが単純に設計されておりコメントも豊富のためかなり参考になるfootnote:[LLVMバックエンドの開発を円滑にするためのアーキテクチャなのではと思うほどに分かりやすい。]footnote:[後のSparcについて<<llvm_dev_ml-059799>>
にて指摘されているように、商業的に成功しなかったバックエンドほどコードが単純で分かりやすい。]。
* Sparc
** <<llvm-writing_backend>>でも説明に使われており、コメントが豊富。
* M68k<<llvm_phabricator-d95315>>
** 最近（2021年）追加された<<llvm_phabricator-d95315>>バックエンド。新し目のLLVMにバックエンドを追加する例として貴重。
* C-SKY<<github_csky>>
** 最近（2020年）追加された<<llvm_phabricator-d86269>>バックエンド。新し目のLLVMにバックエンドを追加する例として貴重。
* x86
** みんな大好きx86。貴重なCISCの資料であり、かつ2オペランド方式を採用する場合に実装例を与えてくれる。あと `EFLAGS` の取り回しなども参考になるが、全体的にコードは読みにくい。ただLLVMの命名規則には従うため、他のバックエンドからある程度推論をして読むのが良い。
== ISAの仕様を決める
本書で使用するISAであるCAHPv4について説明します。
https://docs.google.com/spreadsheets/d/1lPOTQqDV3XkFyt1o2gx18-NXOeuleu_OAJ0xNvIlQG0/edit?usp=sharing[命令の一覧]
// FIXME: 詳細を書く
== スケルトンバックエンドを追加する
https://github.com/virtualsecureplatform/llvm-cahp/commit/47ed98f09cd52a746c7ba2a0404758d3c1e047bc[47ed98f09cd52a746c7ba2a0404758d3c1e047bc]
CAHPv4のためのビルドを行うために、中身のないバックエンド（スケルトンバックエンド）を
LLVMに追加します。
=== LLVMのコードを取得する
まずLLVMのソースコードをGitを用いて取得します。
前述したように、今回の開発ではLLVM v12.0.0をベースとします。
そこでタグ `llvmorg-12.0.0` から独自実装のためのブランチ `cahpv4` を生成し、
以降の開発はこのブランチ上で行うことにします。
$ git clone https://github.com/llvm/llvm-project.git
$ cd llvm-project
$ git checkout llvmorg-12.0.0
$ git switch -c cahpv4
=== CAHPv4をTripleに追加する
<<github_riscv-llvm_docs_02>><<llvm_phabricator-d86505>>を参考にして
CAHPv4をLLVMに認識させます。LLVMではコンパイル先のターゲットをTripleという単位で
管理しています。そのTripleの一つとしてCAHPv4を追加します。
`llvm/include/llvm/ADT/Triple.h` や `llvm/lib/Support/Triple.cpp` などの
ファイルにTripleが列挙されているため、そこにCAHPv4を追加します。
また `llvm/unittests/ADT/TripleTest.cpp` にTripleが正しく認識されているかをチェックする
テストを書きます。
=== CAHPv4のELFフォーマットを定義する
<<github_riscv-llvm_patch_03>>を参考にして、CAHPv4のためのELFフォーマットを定義します。
具体的にはCAHPv4のマシンを表す識別コードや再配置情報などを記述し、
ELFファイルの出力が動作するようにします。
ただし独自ISAではそのような情報が決まっていないため、適当にでっちあげます。
=== バックエンドを追加する
<<github_riscv-llvm_patch_04>>を参考に `llvm/lib/Target` ディレクトリ内に
`CAHPV4` ディレクトリを作成し、最低限必要なファイルを用意します。
まずビルドのために `CMakeLists.txt` を用意します。
またCAHPv4に関する情報を提供するために
`CAHPV4TargetInfo.cpp` や `CAHPV4TargetMachine.cpp` などを記述します。
`CAHPV4TargetMachine.cpp` ではdata layoutを文字列で指定します。
詳細はLLVM IRの言語仕様<<llvm-langref-datalayout>>を参考してください。
// FIXME: ここで指定するdata layoutが結局の所どの程度影響力を持つのかは良くわからない。
// ツール間でのターゲットの識別程度にしか使ってなさそう。要確認。
以上で必要最小限のファイルを用意することができました。
[NOTE]
====
LLVM 11までは、ビルドのために `CMakeLists.txt` の他に `LLVMBuild.txt` が必要でしたが、
外部ツールへの依存を避けるために `CMakeLists.txt` のみで全てを賄うようになりました<<llvm_phabricator-rG9218ff50f93085d0a16a974db28ca8f14bc66f64>>。
====
== LLVMをビルドする
LLVMは巨大なプロジェクトで、ビルドするだけでも一苦労です。
以下では継続的な開発のために、高速にLLVMをデバッグビルドする手法を紹介します。
<<github_riscv-llvm_docs_01>>・<<llvm_getting-started>>・<<clang_gettings-started>>を
参考にしています。
ビルドの際には以下のソフトウェアが必要になります。
* `cmake`
* `ninja`
* `clang`
* `clang++`
* `lld`
ビルドを行うための設定をCMakeを用いて行います。
大量のオプションはビルドを早くするためのものです<<llvm_dev_ml-106187>>。
$ mkdir build
$ cd build
$ cmake -G Ninja \
-DLLVM_ENABLE_PROJECTS="clang;lld" \
-DCMAKE_BUILD_TYPE="Debug" \
-DBUILD_SHARED_LIBS=True \
-DLLVM_USE_SPLIT_DWARF=True \
-DLLVM_OPTIMIZED_TABLEGEN=True \
-DLLVM_BUILD_TESTS=True \
-DCMAKE_C_COMPILER=clang \
-DCMAKE_CXX_COMPILER=clang++ \
-DLLVM_USE_LINKER=lld \
-DLLVM_TARGETS_TO_BUILD="" \
-DLLVM_EXPERIMENTAL_TARGETS_TO_BUILD="CAHPV4" \
../llvm
Ninjaを用いてビルドを行います。直接Ninjaを実行しても構いません（ `$ ninja` ）が、
CMakeを用いて間接的に実行することもできます。
$ cmake --build .
手元の環境（CPUはIntel Core i7-8700で6コア12スレッド、RAMは16GB）では
30分弱でビルドが完了しました。
また別の環境（CPUはIntel Core i5-7200Uで2コア4スレッド、RAMは8GB）では
1時間半程度かかりました。以上から類推すると、
stem:[n]コアのCPUを使用する場合およそstem:[\frac{180}{n}]分程度かかるようです。
ビルドが終了すると `bin/` ディレクトリ以下にコンパイルされたバイナリが生成されます。
例えば次のようにして、CAHPv4バックエンドが含まれていることを確認できます。
....
$ bin/llc --version
LLVM (http://llvm.org/):
LLVM version 12.0.0
DEBUG build with assertions.
Default target: x86_64-unknown-linux-gnu
Host CPU: skylake
Registered Targets:
cahpv4 - CAHPV4
....
[NOTE]
====
ここでは開発用にデバッグビルドを行いました。
一方で、他人に配布する場合などはリリースビルドを行います。
その際は次のようにCMakeのオプションを指定します。
// FIXME: LLVM_BUILD_TESTS=False で良い気がする。要確認。
$ cmake -G Ninja \
-DLLVM_ENABLE_PROJECTS="lld;clang" \
-DCMAKE_BUILD_TYPE="Release" \
-DLLVM_BUILD_TESTS=True \
-DCMAKE_C_COMPILER=clang \
-DCMAKE_CXX_COMPILER=clang++ \
-DLLVM_USE_LINKER=lld \
-DLLVM_TARGETS_TO_BUILD="" \
-DLLVM_EXPERIMENTAL_TARGETS_TO_BUILD="CAHPV4" \
../llvm
====
== LLVMをテストする
`llvm-lit` を使用してLLVMをテストできます。
例えば先程追加したテストを実行するには次のようにします。
$ bin/llvm-lit -s --filter "Triple" test # Tripleに関するテストを実行する。
他にも次のように実行できます。
$ bin/llvm-lit test -s # 全てのテストを実行する。
$ bin/llvm-lit -s --filter 'CAHPV4' test # CAHPV4を含むテストを実行する。
$ bin/llvm-lit -as --filter 'CAHPV4' test # テスト結果を詳細に表示する。
$ bin/llvm-lit -as --filter 'CAHPV4' --debug test # デバッグ情報を表示する。
== アセンブラを作る
https://github.com/virtualsecureplatform/llvm-cahp/commit/1093d7862020d0e98195c47e7f00294415803d0c[1093d7862020d0e98195c47e7f00294415803d0c]
この章ではLLVMバックエンドの一部としてアセンブラを実装します。
具体的にはLLVMのMCLayerを実装し、アセンブリからオブジェクトファイルへの変換を可能にします。
一度にアセンブラ全体を作るのは難しいため、まずレジスタのみを使用する演算命令に絞って実装し、
続いて即値を使う命令を実装し、その後メモリを使用する命令やジャンプ命令をカバーします。
=== TableGenファイルを追加する
LLVM coreは基本的に{cpp}によって記述されています。一方で、多くの箇所で共通する処理などは
独自のDSL（ドメイン固有言語）であるTableGenを用いて記述し `llvm-tblgen` という
ソフトウェアを用いてこれを{cpp}コードに変換しています。
こうすることによって記述量を減らし、ヒューマンエラーを少なくするという考え方
のようです<<llvm-tablegen>>。
LLVMバックエンドでは、アーキテクチャが持つレジスタや命令などの情報をTableGenによって
記述します。大まかに言って、TableGenで書ける場所はTableGenによって書き、
対応できない部分を{cpp}で直に書くというのがLLVM coreの方針のようです。
// FIXME: 単なる印象。ほんまか？
ここでは、簡単なアセンブラを実装するために最低限必要なTableGenファイルを追加します。
内訳は次のとおりです。
* `CAHPV4.td`: 下のTableGenファイルをincludeし、その他もろもろを定義。
* `CAHPV4RegisterInfo.td`: レジスタを定義。
* `CAHPV4InstrFormats.td`: 命令形式を定義。
* `CAHPV4InstrInfo.td`: 命令を定義。
順に説明します。 `CAHPV4.td` がTableGenファイル全体をまとめているTableGenファイルで、
内部では `include` を使って他のファイルを読み込んでいます。
include "llvm/Target/Target.td"
include "CAHPV4RegisterInfo.td"
include "CAHPV4InstrInfo.td"
また同時に、今回想定するプロセッサを表す `ProcessorModel` や、
現在実装しているターゲットの `CAHPV4` について定義しています。
// FIXME: ここの定義が具体的にC++コードにどう反映されるかの確認が必要。
// まぁこう書いておけば問題ないという認識でもとりあえず良い気もするけど……。
`CAHPV4RegisterInfo.td` ではCAHPV4に存在するレジスタを定義します。
まず `Register` を継承して `class CAHPV4Reg` を作り、これに基本的なレジスタの性質をもたせます。
ついで `class CAHPV4Reg` の実体として `X0` から `X31` を作成します。
`alt` にはレジスタの別名を指定します。
// FIXME: ABIRegAltName がどういう役割を果たしてるのか要検証。
// 多分 `getRegisterName` の第二引数に何も渡さなかったときにAltNameを表示
// させるのに必要なんだと思うけど、裏をとってない。
最後に、レジスタをまとめて `RegisterClass` である `GPR`
（General Purpose Register; 汎用レジスタの意）を定義します。
ここでレジスタを並べる順番が先であるほどレジスタ割り付けで割り付けられやすいため、
caller-savedなもの（使ってもspill outが起こりにくいもの）を先に並べておきます。
並べる際には `X0, X1, ...` と並べてもよいのですが、連番の場合は `sequence` を使うことができます。
`RegisterClass` のテンプレート引数には、他に、名前空間・レジスタの型・
メモリ上に保存されるときのアラインメントを指定します。
def GPR : RegisterClass<"CAHPV4", [i16], 16, (add
(sequence "X%u", 10, 17), // X10, X11, ..., X17, と明示的に書いても同じ意味
(sequence "X%u", 5, 7),
(sequence "X%u", 28, 31),
(sequence "X%u", 8, 9),
(sequence "X%u", 18, 27),
(sequence "X%u", 0, 4)
)>;
このあと命令を定義する際にはこの `RegisterClass` 単位で指定するため、
特定のレジスタしか取らないような命令では、その都度新しい `RegisterClass` を作る必要があります。
// FIXME: GPRX0とGPRNoX0の説明
// FIXME: 多分SPはCAHPv4では使わないので以下の段落は要らない。
//`GPR` と同様に `SP` という `RegisterClass` も作成し、 `X1` 、
//つまりスタックポインタを表すレジスタのみを追加しておきます。
//この `RegisterClass` を命令のオペランドに指定することで
//`lwsp` や `swsp` などの「スタックポインタのみを取る命令」を表現することができます。
命令は `CAHPV4InstrFormats.td` と `CAHPV4InstrInfo.td` に分けて記述します。
`CAHPV4InstrFormats.td` ではおおよその命令の「形」を定義しておき、
`CAHPV4InstrInfo.td` でそれを具体化します。言葉で言ってもわかりにくいので、コードで見ます。
例えば加算命令は次のように定義されます。
まずCAHPV4の命令全体に共通する事項を `class CAHPV4Inst` として定義します。
....
class CAHPV4Inst<dag outs, dag ins, string opcodestr, string argstr, list<dag> pattern = []>
: Instruction {
let Namespace = "CAHPV4";
dag OutOperandList = outs;
dag InOperandList = ins;
let AsmString = opcodestr # "\t" # argstr;
// Matching patterns used when converting SelectionDAG into MachineDAG.
let Pattern = pattern;
let Size = 4;
bits<32> Inst;
}
....
次いで、R形式（オペランドにレジスタを3つとる）命令を
`class CAHPV4InstR` として定義します。 `class CAHPV4Inst` を継承します。
....
// R-instruction format
class CAHPV4InstR<bits<11> opcode, dag outs, dag ins, string opcodestr, string argstr>
: CAHPV4Inst<outs, ins, opcodestr, argstr> {
bits<5> rd;
bits<5> rs1;
bits<5> rs2;
let Inst{31-26} = 0;
let Inst{25-21} = rs2;
let Inst{20-16} = rd;
let Inst{15-11} = rs1;
let Inst{10-0} = opcode;
}
....
最後にこれを使って加算命令 `ADD` を定義します。
....
def ADD : CAHPV4InstR<0b00000001000, (outs GPR:$rd), (ins GPR:$rs1, GPR:$rs2),
"add", "$rd, $rs1, $rs2">;
....
// FIXME: don't careを指定する方法は無いように見えるので、とりあえず0にしておく
// これは出力の際にはそれほど問題ではないが、
// objdumpなどでは正しいバイナリ列を不正なものとみなす恐れがあるため
// 問題になりうる。解決方法を探す必要あり。
// let Inst{31-26} = ?; はいけるけど意味が違いそう。0b00?001みたいなのは駄目。
上記の継承による構造を展開すると、結局 `class Instruction` を使って
次のような定義を行ったことになります。
// FIXME: 要確認。
....
def ADD : Instruction {
let Namespace = "CAHPV4";
let Pattern = [];
let Size = 4; // 命令長は8bit * 4 = 32bit
bits<32> Inst;
bits<5> rd; // オペランドrdは5bit
bits<5> rs1; // オペランドrs1は5bit
bits<5> rs2; // オペランドrs2は5bit
// 命令のエンコーディングは次の通り。
let Inst{31-26} = 0; // 26〜31bit目は0
let Inst{25-21} = rs2; // 21〜25bit目はrs2
let Inst{20-16} = rd; // 16〜20bit目はrd
let Inst{15-11} = rs1; // 11〜15bit目はrs1
let Inst{10-0} = 0b00000001000; // 0〜10bit目はADDのopcode
// 出力はレジスタクラスGPRのrdに入る。
dag OutOperandList = (outs GPR:$rd);
// 入力はレジスタクラスGPRのrs1とrs2に入る。
dag InOperandList = (ins GPR:$rs1, GPR:$rs2);
// アセンブリ上では「add rd, rs1, rs2」という形で与えられる。
let AsmString = "add\t$rd, $rs1, $rs2";
}
....
`Inst` フィールドにエンコーディングを設定することで、
TableGenにエンコードの処理を移譲することができますfootnote:[一方でx86など
複雑なエンコーディングを行うISAの場合は `Inst` フィールドを使用せず、
自前で変換を行っている。]。
[NOTE]
====
（CAHPv3の） `add2` のような2オペランドの命令を記述する場合、上の方法では問題があります。
// FIXME: RISC-VのC命令を例に出す
というのも `add2` の第一オペランドは入力であると同時に出力先でもあるためです。
// FIXME: 要検証：outsとinsに同じレジスタを指定した場合はエラーになる？
このような場合は次のように `Constraints` フィールドにその旨を記述します。
let Constraints = "$rd = $rd_w" in {
def ADD2 : CAHPInst16R<0b10000000, (outs GPR:$rd_w), (ins GPR:$rd, GPR:$rs),
"add2", "$rd, $rs">;
}
====
[NOTE]
====
TableGenでは `let` で囲むレコードが一つの場合は括弧 `{ }` は必要ありません。
また `let` で外からフィールドを上書きするのと、 `def` の中身に記載するのとで意味は
変わりません。すなわち、上のコードは次の2通りと意味は異なりません<<llvm-tablegen-langref>>。
// FIXME: CAHPv3の例をやめてCAHPv4の例か、RISC-Vなどの例にする
// FIXME: 要検証：本当に意味が変わらないか
let Constraints = "$rd = $rd_w" in
def ADD2 : CAHPInst16R<0b10000000, (outs GPR:$rd_w), (ins GPR:$rd, GPR:$rs),
"add2", "$rd, $rs">;
def ADD2 : CAHPInst16R<0b10000000, (outs GPR:$rd_w), (ins GPR:$rd, GPR:$rs),
"add2", "$rd, $rs"> {
let Constraints = "$rd = $rd_w";
}
====
必要なTableGenファイルを追加した後、
これらのTableGenファイルが正しいかどうか `llvm-tblgen` を用いて確認します。
// FIXME: 要検証：ここで表示されるのは継承を展開したものになっているはず。
// どのへんをみて「正しい」と判断するのか。
$ bin/llvm-tblgen -I ../llvm/lib/Target/CAHPV4/ -I ../llvm/include/ -I ../llvm/lib/Target/ ../llvm/lib/Target/CAHPV4/CAHPV4.td
// FIXME: 要確認：キーワードfieldがつく場合とつかない場合で意味が異なるか。
// 観測範囲で言うと多分変わらない。
// FIXME: この段落はもう少し冒頭に持ってきたい
なおTableGenファイル中で使用した `RegisterClass` や `Instruction` などは
`llvm/include/llvm/Target/Target.td` にてコメントとともに定義されています。
フィールドの値が何を意味するかわからない場合に参照してください。
=== `MCTargetDesc` を追加する
アセンブラ本体の{cpp}コードを作成します。ここでは、
アセンブリのエンコードからバイナリ生成部分を担当する `MCTargetDesc` ディレクトリを追加し、
必要なファイルを揃えます。複数のクラスを定義しますが、それらは全て
`MCTargetDesc/CAHPV4MCTargetDesc.cpp` にある `LLVMInitializeCAHPV4TargetMC`
関数でLLVM coreに登録されます。
定義するクラスは次のとおりです。
* `CAHPV4MCAsmInfo`
* `CAHPV4MCInstrInfo`
* `CAHPV4MCRegisterInfo`
* `CAHPV4MCSubtargetInfo`
* `CAHPV4MCCodeEmitter`
* `CAHPV4AsmBackend`
* `CAHPV4ELFObjectWriter`
順に説明します。
`CAHPV4MCAsmInfo` にはアセンブリがどのように表記されるかを主に記述します。
// FIXME: 要確認：とllvm::MCAsmInfoのコメントにも書いてあるんだけど、
// の割にCalleeSaveStackSlotSizeとかCodePointerSizeとか指定してて
// どういうこっちゃとなる。
`MCTargetDesc/CAHPV4MCAsmInfo.{h,cpp}` に記述します。
`CAHPV4MCInstrInfo` は先程記述したTableGenファイルから、
TableGenによって `InitCAHPV4MCInstrInfo` 関数として自動的に生成されます。
`CAHPV4MCTargetDesc.cpp` 内でこれを呼び出して作成します。
`CAHPV4MCRegisterInfo` も同様に自動的に生成されます。
`InitCAHPV4MCRegisterInfo` 関数を呼び出します。なおこの関数の第二引数には
関数の戻りアドレスが入るレジスタを指定しますfootnote:[内部で
`llvm::MCRegisterInfo::InitMCRegisterInfo` <<llvm_doxygen-InitMCRegisterInfo>>
を呼び出していることからわかります。]。
CAHPV4では `CAHPV4::X1` を渡すことになります。
// FIXME: 要確認：return addressをスタックに積むx86では `eip` を（x86_64では `rip` を）返している。なぜかは良くわからない。
`CAHPV4MCSubtargetInfo` も同様に自動生成されます。
`createCAHPV4MCSubtargetInfoImpl` を呼び出します。この関数の第二引数には
`CAHPV4.td` で `ProcessorModel` として定義したCPUの名前を指定します。
`CAHPV4MCCodeEmitter` はアセンブリのエンコード作業を行います。
`MCTargetDesc/CAHPV4MCCodeEmitter.cpp` に記述します。
主要なエンコード処理はTableGenによって自動生成された
`getBinaryCodeForInstr` を `CAHPV4MCCodeEmitter::encodeInstruction`
から呼び出すことによって行われます。
この関数は `CAHPV4GenMCCodeEmitter.inc` というファイルに定義されるため、
これを `MCTargetDesc/CAHPV4MCCodeEmitter.cpp` 末尾で `#include` しておきます。
`CAHPV4AsmBackend` にはオブジェクトファイルを作成する際に必要な
fixupの操作（ `applyFixup` ）や指定バイト数分の無効命令を書き出す処理（ `writeNopData` ）
などを記述します。 `MCTargetDesc/CAHPV4AsmBackend.cpp` に記述します。
fixupについては後ほど実装するためここではスタブにしておきます。
`CAHPV4ELFObjectWriter` にはELFファイル（の特にヘッダ）を作成する際に必要な情報を記載します。
このクラスは `LLVMInitializeCAHPV4TargetMC` ではなく
`CAHPV4AsmBackend` の `createObjectTargetWriter` メンバ関数として紐付けられます。
親クラス `MCELFObjectTargetWriter` のコンストラクタに、
CAHPv4マシンを表す `ELF::EM_CAHPV4` と、 `.rel` ではなく `.rela` を使用する旨を示す
`true` を渡しておきますfootnote:[CAHPv4マシンの仕様などはこの世に存在しないので、
これらは勝手に決めたものです。]。
// FIXME: .rel と .rela の説明をする。原則これは歴史的事情で決まっているものなので
// どっちでもいい、みたいな話がLLDのコメントだったかELFの仕様書だったかに
// 書いてあった気がする。覚えてない。
また `getRelocType` メンバ関数はどのような再配置を行うかを見繕うためのものですが、
ここではスタブにしておきます。
上記を実装してビルドします。一度使ってみましょう。
まずテスト用の入力アセンブリファイルを用意します。
$ cat foo.s
add x1, x2, x3
add x16, x17, x18
sub x1, x2, x3
xor x1, x2, x3
or x1, x2, x3
LLVMのアセンブラを単体で使う場合は `llvm-mc` というコマンドを使用します。
次のようにすると `foo.s` をオブジェクトファイルに変換できます。
$ bin/llvm-mc -arch=cahp -filetype=obj foo.s
bin/llvm-mc: error: this target does not support assembly parsing.
このようなエラーメッセージが出れば成功ですfootnote:[失敗した場合は
assertなどで異常終了し、スタックトレースなどが表示されます。]。
このエラーメッセージはCAHPV4ターゲットがアセンブリのパーズ（構文解析）に対応していない
ことを意味しています。これは次の節で実装します。
[NOTE]
====
// FIXME: 古くなっていないか確認
// FIXME: 要修正：RV32Kv1のメモからそのまま引っ張ってきたのでめちゃくちゃ。
RISC-Vの拡張C命令には `add` などレジスタを5bitで指定する命令と、
`sub` などレジスタを3bitで指定する命令の2種類があります。
LLVM RISC-Vバックエンドを見ると、
エンコードに際してこれらの区別のための特別な処理は行っていません。
というのも、3bitでレジスタを指定する場合その添字の下位3bit以外が無視されるため、
結果的に正しいコードが出力されるのです。
例えば `x8` を指定すると、これに `1000` という添字が振られ、
4bit目を無視することで `000` となるため、
3bitでのレジスタ指定方法として正しいものになります。
独自ISAなどで、このような手法が取れないレジスタの並びを使用する場合は、
アセンブリをコードに変換する際にそのレジスタのエンコーディングを補正します。
このようなレジスタオペランドエンコードのフックを行う関数を指定する場所として
`RegisterOperand` の `EncoderMethod` があります。
例えば `sub` で `X3` から `X10` を0〜7というエンコードで用いたい場合、
`X3` から `X10` を `GPRC` という `RegisterClass` とした上で、
これを `RegisterOperand` で包み `ShiftedGPRC` とします。
これの `EncoderMethod` として `RV32KEncodeShiftedGPRCRegisterOperand` という関数を指定します。
これは `RV32KMCCodeEmitter` クラスのメンバ関数として定義する。
これによって任意の処理をフックすることができる。https://reviews.llvm.org/rL303044
....
def GPRC : RegisterClass<"RV32K", [i32], 32, (add
X3, X4, X5, X6, X7, X8, X9, X10
)>;
def ShiftedGPRC : RegisterOperand<GPRC> {
let EncoderMethod = "RV32KEncodeShiftedGPRCRegisterOperand";
//let DecoderMethod = "RV32KDecodeShiftedGPRCRegisterOperand";
}
....
....
uint64_t
RV32KEncodeShiftedGPRCRegisterOperand(const MCInst &MI, unsigned no,
SmallVectorImpl<MCFixup> &Fixups,
const MCSubtargetInfo &STI) const;
uint64_t RV32KMCCodeEmitter::RV32KEncodeShiftedGPRCRegisterOperand(
const MCInst &MI, unsigned no, SmallVectorImpl<MCFixup> &Fixups,
const MCSubtargetInfo &STI) const {
const MCOperand &MO = MI.getOperand(no);
if (MO.isReg()) {
uint64_t op = Ctx.getRegisterInfo()->getEncodingValue(MO.getReg());
assert(3 <= op && op <= 10 && "op should belong to GPRC.");
return op - 3;
}
llvm_unreachable("Unhandled expression!");
return 0;
}
....
====
=== `CAHPV4AsmParser` を追加する
アセンブリのパーズは `CAHPV4AsmParser` クラスが取り仕切ります。
新しく `AsmParser` ディレクトリを作成し、その中に `CAHPV4AsmParser.cpp` を作成して
パーズ処理を記述します。<<github_riscv-llvm_patch_07>>を参考にします。
`CAHPV4AsmParser::ParseInstruction` がパーズ処理のエントリポイントです。
`CAHPV4AsmParser::parseOperand` や `CAHPV4AsmParser::parseRegister` ・
`CAHPV4AsmParser::parseImmediate` を適宜用いながら、
アセンブリのトークンを切り出し `Operands` に詰め込みますfootnote:[なお以下では
しばらくの間、命令を表す `add` などの文字列そのものも「オペランド」として扱います。]。
この際にオペランドを表すクラスとして `CAHPV4Operand` を定義・使用しています。
現在はオペランドとして現れうるのはレジスタと命令などのトークンなので、
その旨を記述します。即値のオペランドなどは後ほど対応します。
なおラベルなどの識別子がオペランドに来るアセンブリには
まだ対応していませんが、後ほど対応する際にはトークンではなく
即値として対応することになります。
切り出されたオペランドのリストを命令としてLLVMに認識させるのは `MatchAndEmitInstruction` で
行います。具体的には、先程の `Operands` を読み込んで `MCInst` に変換します。
ただし実際の処理の殆どはTableGenによって自動生成された `MatchInstructionImpl` によって
行われます。実際に書く必要があるのはこの関数が失敗した場合のエラーメッセージ等です。
`CAHPV4AsmParser` を実装するとアセンブラが完成します。使ってみましょう。
....
# 先ほどと同じfoo.sを入力として使用します。
$ cat foo.s
add x1, x2, x3
add x16, x17, x18
sub x1, x2, x3
xor x1, x2, x3
or x1, x2, x3
$ bin/llvm-mc -arch=cahpv4 -filetype=obj foo.s | od -tx1z -Ax -v
000000 7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 >.ELF............<
000010 01 00 f6 00 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 >................<
000020 70 00 00 00 00 00 00 00 34 00 00 00 00 00 28 00 >p.......4.....(.<
000030 04 00 01 00 08 10 61 00 08 88 50 02 18 10 61 00 >......a...P...a.<
000040 28 10 61 00 38 10 61 00 00 00 00 00 00 00 00 00 >(.a.8.a.........<
000050 00 00 00 00 00 00 00 00 00 2e 74 65 78 74 00 2e >..........text..<
000060 73 74 72 74 61 62 00 2e 73 79 6d 74 61 62 00 00 >strtab..symtab..<
000070 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 >................<
000080 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 >................<
000090 00 00 00 00 00 00 00 00 07 00 00 00 03 00 00 00 >................<
0000a0 00 00 00 00 00 00 00 00 58 00 00 00 17 00 00 00 >........X.......<
0000b0 00 00 00 00 00 00 00 00 01 00 00 00 00 00 00 00 >................<
0000c0 01 00 00 00 01 00 00 00 06 00 00 00 00 00 00 00 >................<
0000d0 34 00 00 00 14 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 >4...............<
0000e0 04 00 00 00 00 00 00 00 0f 00 00 00 02 00 00 00 >................<
0000f0 00 00 00 00 00 00 00 00 48 00 00 00 10 00 00 00 >........H.......<
000100 01 00 00 00 01 00 00 00 04 00 00 00 10 00 00 00 >................<
000110
....
0x34から0x3dにある `08 10 61 00 ...` が出力であり、
正しく生成されていることが分かりますfootnote:[このアセンブリはcahpv4-simのテストと
同じものになっているので、cahpv4-simのテストと比較することで正しいかを（ある程度）判断できます。]。
=== `CAHPV4InstPrinter` を実装する
https://github.com/virtualsecureplatform/llvm-cahp/commit/bc9465e32f41842ea6cc5796f166fe594635c830[bc9465e32f41842ea6cc5796f166fe594635c830]
次の節では、上記までで作成したアセンブラのテストを記述します。
その際、アセンブリを `MCInst` に変換した上でそれをアセンブリに逆変換したものが、
もとのアセンブリと同じであるか否かをチェックします。
このテストを行うためには `MCInst` からアセンブリを得るための仕組みが必要です。
この節ではこれを行う `CAHPV4InstPrinter` クラスを実装します。
<<github_riscv-llvm_patch_08>>を参考にします。
`MCTargetDesc/CAHPV4InstPrinter.{cpp,h}` を作成します。
命令印字処理の本体は `CAHPV4InstPrinter::printInst` ですが、
そのほとんどの処理は `CAHPV4InstPrinter::printInstruction` というTableGenが生成する
メンバ関数により実行されます。 `CAHPV4InstPrinter::printRegName` はレジスタ名を
出力する関数で `CAHPV4InstPrinter::printOperand` から呼ばれますが、
これも `CAHPV4InstPrinter::getRegisterName` という自動生成された
メンバ関数に処理を移譲します。この `CAHPV4InstPrinter::getRegisterName` の第二引数に
`CAHPV4::ABIRegAltName` を渡すと、TableGenで定義したAltNameが出力に使用されますfootnote:[この場合
`AltNames` が指定されていないレジスタ（条件分岐のためのフラグなど）があるとエラーとなります。
アセンブリ中に表示され得ないレジスタにもダミーの名前をつける必要があります。]。
// FIXME: 要調査：x86のEFLAGSの名前取っ払ったらエラーになるのか？
`CAHPV4::NoRegAltName` を渡すと本来の名前（CAHPV4では `x0` 〜 `x32` ）が使用されます。
`CAHPV4InstPrinter` クラスは `MCTargetDesc/CAHPV4MCTargetDesc.cpp` にて作成・登録されます。
節の冒頭で説明した「アセンブリを `MCInst` に変換した上でそれをアセンブリに逆変換」は
`llvm-mc` の `-show-encoding` オプションを用いて行うことができます。
`-show-encoding` を指定することよって当該アセンブリがどのような機械語に
翻訳されるか確認することができます。
// FIXME: 要修正：RV32KのものなのでCAHPV4ではない。
....
# 前の節と同じfoo.sを使用
$ bin/llvm-mc -arch=cahpv4 -show-encoding foo.s
.text
add x1, x2, x3 # encoding: [0x08,0x10,0x61,0x00]
add x16, x17, x18 # encoding: [0x08,0x88,0x50,0x02]
sub x1, x2, x3 # encoding: [0x18,0x10,0x61,0x00]
xor x1, x2, x3 # encoding: [0x28,0x10,0x61,0x00]
or x1, x2, x3 # encoding: [0x38,0x10,0x61,0x00]
....
[NOTE]
====
`InstPrinter` は、以前はそれ専用のディレクトリを作成してコードを記述していましたが、
バックエンドによっては不都合があるということで `MCTargetDesc` ディレクトリに配置する形に
変更されました<<github_llvm_00ecf67045231743ef58950f3d3f4fbe450b8e0a>>。
====
=== テストを書く
https://github.com/virtualsecureplatform/llvm-cahp/commit/964d687f03455d613cb718bc36f62479c2ff2193[964d687f03455d613cb718bc36f62479c2ff2193]
前節で動作させた `-show-encoding` オプションを用いて、
アセンブラが正しく動作していることを確認するためのテストを記述します。
前節と同様にパッチ<<github_riscv-llvm_patch_08>>を参考にします。
まず `test/MC/CAHPV4` ディレクトリを作成し、その中に `valid.s` と `invalid.s` を
作成します。前者で正しいアセンブリが適切に処理されるか、
後者で誤ったアセンブリに正しくエラーを出力するかを確認します。
記述後 `llvm-lit` を用いてテストを行います。
....
$ bin/llvm-lit -as --filter "CAHPV4" test
PASS: LLVM :: MC/CAHPV4/valid.s (1 of 2)
Script:
--
: 'RUN: at line 1'; /home/anqou/ano/secure_vm/llvm-project/build/bin/llvm-mc /home/anqou/workspace/anqura/ano/secure_vm/llvm-project/llvm/test/MC/CAHPV4/valid.s -triple=cahpv4 -show-encoding | /home/anqou/ano/secure_vm/llvm-project/build/bin/FileCheck --allow-unused-prefixes=false -check-prefixes=CHECK,CHECK-INST /home/anqou/workspace/anqura/ano/secure_vm/llvm-project/llvm/test/MC/CAHPV4/valid.s
--
Exit Code: 0
********************
PASS: LLVM :: MC/CAHPV4/invalid.s (2 of 2)
Script:
--
: 'RUN: at line 1'; not /home/anqou/ano/secure_vm/llvm-project/build/bin/llvm-mc -triple cahpv4 < /home/anqou/workspace/anqura/ano/secure_vm/llvm-project/llvm/test/MC/CAHPV4/invalid.s 2>&1 | /home/anqou/ano/secure_vm/llvm-project/build/bin/FileCheck --allow-unused-prefixes=false /home/anqou/workspace/anqura/ano/secure_vm/llvm-project/llvm/test/MC/CAHPV4/invalid.s
--
Exit Code: 0
********************
Testing Time: 0.03s
Excluded: 41952
Passed : 2
....
=== 即値を扱う命令を追加する
https://github.com/virtualsecureplatform/llvm-cahp/commit/b12b28fc5a9e544fef657f45ffafb900cdf5e4e0[b12b28fc5a9e544fef657f45ffafb900cdf5e4e0]
続いて即値を用いる命令を追加します。例として `addi` を取り上げます。
`addi` は11bit符号付き即値をオペランドに取ります。まずこれを定義します。
....
class ImmAsmOperand<string prefix, int width, string suffix> : AsmOperandClass {
let Name = prefix # "Imm" # width # suffix;
let RenderMethod = "addImmOperands";
let DiagnosticType = "Invalid" # Name;
}
class SImmAsmOperand<int width, string suffix = "">
: ImmAsmOperand<"S", width, suffix> {
}
def simm11 : Operand<i16> {
let ParserMatchClass = SImmAsmOperand<11>;
}
....
続いて命令の「形」を定義します。
....
class CAHPV4InstIS11<bits<11> opcode, dag outs, dag ins, string opcodestr, string argstr>
: CAHPV4Inst<outs, ins, opcodestr, argstr> {
bits<5> rd;
bits<5> rs1;
bits<11> imm;
let Inst{31-21} = imm;
let Inst{20-16} = rd;
let Inst{15-11} = rs1;
let Inst{10-0} = opcode;
}
....
最後に、これを用いて `addi` を定義します。
def ADDI : CAHPV4InstIS11<0b01000001000, (outs GPR:$rd), (ins GPR:$rs1, simm11:$imm),
"addi", "$rd, $rs1, $imm">;
`add` の際には `GPR` とした第三オペランドが `simm11` となっています。
これによって、この部分に符号付き11bit即値が来ることを指定しています。
TableGenにて定義・使用した即値を正しく認識するために `isSImm11` などの
メンバ関数を定義する必要があります。これらの関数は後述の `MatchInstructionImpl` 内で
使用されます。
// FIXME: 16-bit immediateをsignedとするかunsignedとするか。とりあえずsignedとしているが、
// それはそれとして0xFFFFって書きたい
== !!!ここより下はまだ書き直されていません!!!
=== メモリ演算を追加する
https://github.com/virtualsecureplatform/llvm-cahp/commit/43145f861dc729756a8a85df13a7257248e98169[43145f861dc729756a8a85df13a7257248e98169]
前節までで、レジスタのみを使用する命令に対応しました。この節ではメモリを使用する
命令に対応します。具体的にはメモリから1ワード（2バイト）読み込む `lw` と
1ワード書き込む `sw` 、及びその1バイト版である `lb/lbu/sb` 、
更にスタックへの読み書きに特化した `lwsp/swsp` を追加します。
まずTableGenにこれらの命令を定義します。
CAHPアセンブリ中ではメモリは即値とレジスタの組み合わせで表現されます。
// FIXME: 要調査：こういう「メモリ番地の指定方法」を一般に何ていうんだっけ……
例えば `x8` に入っている値に `4` 足した番地から1ワード読み込んで `x9` に入れる場合は
`lw x9, 4(x8)` と書きます。これを正しく表示するために `AsmString` にはこのように書きます。
def LW : CAHPInst24MLoad <0b010101, (outs GPR:$rd), (ins GPR:$rs, simm11_lsb0:$imm),
"lw", "$rd, ${imm}(${rs})">
ここで `${imm}` と括弧でくくっているのは、単に `$imm(` とかくと `imm(` という識別子として
認識されてしまうためです。
即値のうち、下位1bitが0になるものは `_lsb0` というサフィックスを名前につけ区別しておきます。
`uimm7_lsb0` と `simm11_lsb0` がそれに当たります。
後々、{cpp}コードにてこの制限が守られているかをチェックします。
次いでこれらのアセンブリをパーズできるように `CAHPAsmParser` に手を加えます。
`CAHPAsmParser::parseMemOpBaseReg` メンバ関数を定義してメモリ指定のアセンブリである
`即値(レジスタ)` という形を読み込めるようにし、これを `CAHPAsmParser::parseOperand` から
呼び出します。
最後にテストを書きます。
=== フィールドを詳細に指定する
https://github.com/virtualsecureplatform/llvm-cahp/commit/1963e0288a450c3785723861c7c5d5c7280186fc[1963e0288a450c3785723861c7c5d5c7280186fc]
各命令がどのような特性を持つかをTableGenで指定します。
この情報はコード生成の際に使用されます。
これらのフィールドは `llvm/include/llvm/Target/Target.td`
にてコメントとともに定義されています。
以下に主要なフィールドについて説明します。
// FIXME: 要修正：DefsとかisCommutableとかhasSideEffectsが非直感的。
// FIXME: 要修正：もうちょっと詳しく書く。
=== ディスアセンブラを実装する
https://github.com/virtualsecureplatform/llvm-cahp/commit/01fdfc0e1a5281527e339913ee08cb0da9d75f46[01fdfc0e1a5281527e339913ee08cb0da9d75f46]
<<github_riscv-llvm_patch_10>>を参考にしてディスアセンブラを実装します。
`Disassembler` ディレクトリを作成して `Disassembler/CAHPDisassembler.cpp`
を追加・記述します。
ディスアセンブラの本体は `CAHPDisassembler::getInstruction` です。
ディスアセンブルの処理のほとんどはTableGenが生成する `decodeInstruction` 関数によって
行われます。CAHPでは24bitの命令と16bitの命令が混在するため、
バイナリ列を解析してどちらの命令かを判断し、 `decodeInstruction` の第一引数に
渡すテーブルを選びます。
レジスタのディスアセンブルは `DecodeGPRRegisterClass` にて行います。
即値のディスアセンブルは `decodeUImmOperand` と `decodeSImmOperand` にて
行います。これらの関数は `CAHPInstrInfo.td` にて 即値オペランドの `DecoderMethod` として
指定します。
ナイーブに実装すると `lwsp` や `swsp` が入ったバイナリをディスアセンブルしようとしたときに
エラーがでる。これは例えば次のようにして確認することができる。
// FIXME: 要修正：RV32K用になっているのでCAHPに修正。
....
$ cat test.s
lwsp x11, 0(sp)
$ bin/llvm-mc -filetype=obj -triple=rv32k < test.s | bin/llvm-objdump -d -
....
原因は `lwsp` や `swsp` がアセンブリ上はspというオペランドをとるにも関わらず、
バイナリにはその情報が埋め込まれないためである。このためディスアセンブル時に
オペランドが一つ足りない状態になり、配列の添字チェックに引っかかってしまう。
これを修正するためには `lwsp` や `swsp` に含まれる即値のDecoderが呼ばれたときをフックし、
`sp` のオペランドが必要ならばこれを補えばよいfootnote:[この実装手法はRISC Vのそれによる。かなりad-hocだと感じるが、他の方法が分からないのでとりあえず真似る。]。
この関数を `addImplySP` という名前で実装する。ここで即値をオペランドに追加するために呼ぶ
`Inst.addOperand` と `addImplySP` の呼び出しの順序に注意が必要である。
すなわち `LWSP` を `CAHPInstrInfo.td` で定義したときのオペランドの順序で呼ばなければ
`lwsp x11, sp(0)` のようなおかしなアセンブリが生成されてしまう。
[NOTE]
====
ちなみにエンコード方式にコンフリクトがある場合はビルド時に教えてくれる。
....
Decoding Conflict:
111...........01
111.............
................
BNEZ 111___________01
BNEZhoge 111___________01
....
// FIXME: 要修正：BNEZはRV32Kv1のもの
これを防ぐためには、もちろん異なるエンコード方式を指定すればよいのだが、
他にディスアセンブル時に命令を無効化する方法としてTableGenファイルで
`isPseudo = 1` を指定して疑似命令にしたり
`isCodeGen = 1` を指定してコード生成時にのみ効力を持つ
命令にすることなどができる。
====
=== relocationとfixupに対応する
https://github.com/virtualsecureplatform/llvm-cahp/commit/a03e70e9157510937ca522f14ca0c64c61d47ca7[a03e70e9157510937ca522f14ca0c64c61d47ca7]
ワンパスでは決められない値についてあとから補うための機構であるfixupと、
コンパイル時には決定できない値に対してリンカにその処理を任せるためのrelocationについて
対応する。参考にするパッチは<<github_riscv-llvm_patch_11>>。
必要な作業は大きく分けて次の通り。
* Fixupの種類とその内容を定義する。
* Fixupを適用する関数を定義する。
* アセンブラがFixupを生成するように改変する。
* Fixupが解決されないまま最後まで残る場合は、これをrelocationに変換する。
=== `%hi` と `%lo` に対応する
=== `li a0, foo` をエラーにする
=== llvm-objdump の調査
=== `hlt` 疑似命令を追加する
== コード生成部を作る
=== コンパイラのスケルトンを作成する
=== 基本的な演算に対応する
=== 定数の実体化に対応する
=== メモリ演算に対応する
=== relocationに対応する
=== 条件分岐に対応する
=== 関数呼び出しに対応する
=== 関数プロローグ・エピローグを実装する
=== frame pointer eliminationを実装する
=== `select` に対応する
=== `FrameIndex` をlowerする。
=== 大きなスタックフレームに対応する
=== `SETCC` に対応する
=== `ExternalSymbol` に対応する
=== jump tableを無効化する
=== インラインアセンブリに対応する
=== fastccに対応する
== Cコンパイラに仕立てる
=== LLDにCAHPバックエンドを追加する
=== ClangをCAHPに対応させる
=== `crt0.o` と `cahp.lds` の導入
=== `--nmagic` の有効化
=== libcの有効化
== まともなコードを生成する
=== 分岐解析に対応する
=== branch relaxationに対応する
=== 16bit命令を活用する
=== `jal` を活用する
=== 命令スケジューリングを設定する
=== 末尾再帰に対応する
== 落ち穂拾い
=== スタックを利用した引数渡し
=== `byval` の対応
=== 動的なスタック領域確保に対応する
=== emergency spillに対応する
=== 可変長引数関数に対応する
=== 単体の `sext/zext/trunc` に対応する
=== 乗算に対応する
=== 除算・剰余に対応する
=== `frameaddr/returnaddr` に対応する
=== `ROTL/ROTR/BSWAP/CTTZ/CTLZ/CTPOP` に対応する
=== 32bitのシフトに対応する
=== 間接ジャンプに対応する
=== `BlockAddress` のlowerに対応する
include::ref.adoc[]