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LLVM 后端实践笔记
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LLVM 后端实践笔记
代码在这里还没来得及准备先用网盘暂存一下
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这一章会介绍与控制流有关的功能实现比如 if、else、while 和 for 等还会介绍如何将控制流的 IR 表示转换为机器指令之后会引入几个后端优化处理一些跳转需求引入的问题同时来说明如何编写后端优化的 pass。在条件指令小节中会介绍 LLVM IR 中的特殊指令 select 和 select_cc以及如何处理这种指令从而来支持更细节的控制流支持实现。
目录
一、第一节
1.1 修改的文件
1.1.1 Cpu0ISelLowering.cpp/.h
1.1.2 Cpu0InstrInfo.td
1.1.3 Cpu0MCInstLower.cpp
1.1.4 Cpu0AsmBackend.cpp
1.1.5 Cpu0ELFObjectWriter.cpp
1.1.6 Cpu0FixupKinds.h
1.1.7 Cpu0MCCodeEmitter.cpp
1.2 结果
二、第二节
2.1 新增的文件
2.1.1 Cpu0DelUselessJMP.cpp
2.2 修改的文件
2.2.1 Cpu0.h
2.2.2 Cpu0TargetMachine.cpp 一、第一节
从机器层面上来看所有的跳转只分为无条件跳转和有条件跳转从跳转方式上来分又分为直接跳转绝对地址和间接跳转相对偏移所以我们只需要将 LLVM IR 的跳转 node 成功下降到机器跳转指令并维护好跳转的范围、跳转的重定位信息即可。
Cpu032I 型机器支持 J 类型的跳转指令比如无条件跳转 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的Cpu032II 型机器除了支持 J 类型跳转指令之外还支持 B 类型的跳转指令比如 BEQ 和 BNE这两个是通过直接比较操作数值关系来决定跳转条件的。相比较后者的跳转依赖的资源少指令效率更高。
SelectionDAG 中的 node无条件跳转是 ISD::br有条件跳转是 ISD::brcond我们需要在 tablegen 中通过指定指令选择 pattern 来对这些 node 做映射。
另外J 类型指令依赖的 condition code 是通过比较指令比如 CMP的结果来设置的我们在之前的章节已经完成了比较指令LLVM IR 的 setcc node 通常会被翻译为 addiu reg1, zero, const cmp reg1, reg2 指令。
1.1 修改的文件
1.1.1 Cpu0ISelLowering.cpp/.h
Cpu0ISelLowering.cpp文件设置本章需要的几个 node 为 custom 的 lowering 类型即我们会通过自定义的 lowering 操作来处理它们这包括 BlockAddressJumpTable 和 BRCOND。这分别对应 lowerBlockAddress()lowerJumpTable() 和 lowerBRCOND() 函数在Cpu0TargetLowering::LowerOperation函数内具体实现可参见代码其中 getAddrLocal() 和 getAddrNonPIC() 是我们前边章节已经实现的自定义 node 生成函数。BRCOND 是条件跳转节点包括 condition 的 op 和 condition 为 true 时 跳转的 block 的地址BlockAddress 字面可知是 BasicBlock 的起始地址类型的节点JumpTable 是跳转表类型的节点。后两者是叶子节点类型。
另外设置 SETCC 在 i1 类型时做 Promote。增加了几行代码来说明额外的一些 ISD 的 node 需要做 Expand有关于 Expand 我们在之前的章节介绍过就是采用 LLVM 内部提供的一些展开方式来展开这些我们不支持的操作。这些操作包括BR_JTBR_CCCTPOPCTTZCTTZ_ZERO_UNDEFCTLZ_ZERO_UNDEF。其中 BR_JT 操作的其中一个 op 是 JumpTable 类型的节点保存 JumpTable 中的一个 index。BR_CC 操作和 SELECT_CC 操作类似区别是它保存有两个 op通过比较相对大小来选择不同的分支。
; ModuleID test.bc
source_filename test.cpp
target datalayout E-m:m-p:32:32-i8:8:32-i16:16:32-i64:64-n32-S64
target triple mips-unknown-linux-gnudefine i8 parity_8(i8 %x) {%1 tail call i8 llvm.ctpop.i8(i8 %x)%2 and i8 %1, 1ret i8 %2
}
declare i8 llvm.ctpop.i8(i8 %x)
对于这样一个ctpop指令我们就能让llvm将其进行扩展当前还没实现call调用这个暂时还编不过。如果我们不加那条的话在指令选择的阶段会报错 加上之后就会在legalize阶段转化成其他的表示形式然后也就能顺利输出对应的汇编。 附上DAG调试时候的常用命令需要debug版本的llc 上述指令的输出数dot文件我们还需要使用dot将其转化成可视化的图
dot -Tsvg test.dot -o test.svg
dot -Tpng test.dot -o test.png
1.1.2 Cpu0InstrInfo.td
增加两个和跳转有关的操作数类型brtarget16 和 brtarget24前者是 16 位偏移的编码将用于 BEQ、BNE 一类的指令这一类指令是属于 Cpu032II 型号中特有后者是 24 位偏移的编码将用于 JEQ、JNE 一类的指令。两个操作数均指定了编码函数和解码函数的名称。还定义了 jmptarget 操作数类型用来作为无条件跳转 JMP 的操作数。之后便是定义这几条跳转指令包括它们的匹配 pattern 和编码。无条件跳转 JMP 的匹配 pattern 直接指明到了 [(br bb::$addr)]很好理解。类似的语法在之前的章节中我们距离介绍过。
然后我们做一些优化来定义 比较跳转指令选择 Pattern也就是将 brcond seteq/setueq/setne/setune/setlt/setult/setgt/setugt/setle/setule/setge/setuge 系列模式转换为机器指令的比较跳转指令组合。对于 J 系列的跳转指令实际上会转换为 Jxx CMP 模式而对于 B 系列的跳转指令则直接转换成指令本身。比如 def : Pat(brcond (i32 (setne RC:$lhs, RC:$rhs)), bb:$dst), (JNEOp (CMPOp RC:$lhs, RC:$rhs), bb:$dst);
def : Pat(brcond (i32 (setne RC:$lhs, RC:$rhs)), bb:$dst), (BNEOp RC:$lhs, RC:$rhs, bb:$dst); 1.1.3 Cpu0MCInstLower.cpp
因为跳转的地址既可以是跳转表偏移也可以是一个 label所以需要在 MachineOperand 这里对相关的类型做 lowering。在 LowerSymbolOperand() 函数中增加对 MO_MachineBasicBlock、MO_BlockAddress 和 MO_JumpTableIndex 类型的 lowering。
1.1.4 Cpu0AsmBackend.cpp
Cpu0 的架构和其他 RISC 机器一样采用五级流水线结构跳转指令会在 decode 阶段实现跳转动作也就是将 PC 修改为跳转后的位置但跳转指令在 fetch 阶段时PC 会自动先移动到下一条指令位置fetch 阶段在 decode 阶段之前所以实际上在 decode 阶段执行前PC 已经自动 4 一个指令长度所以实际上跳转指令中的偏移并不是从跳转指令到目标位置的差而应该是跳转指令的下一条指令到目标位置的差。比如说
jne $BB0_2
jmp $BB0_1 # jne 指令 decode 之前PC 指向这里
$BB0_1:
ld $4, 36($fp)
addiu $4, $4, 1
st $4, 36($fp)
jmp $BB0_2
$BB0_2:
ld $4, 32($fp) # jne 指令 decode 之后假设 PC 指向这里
jne 指令中的偏移应该是 jmp 指令到 最后一条 ld 指令之间的距离也就是 20 而不是 24。为了实现这样的修正我们在 adjustFixupValue() 函数中针对重定位类型 fixup_Cpu0_PC16 和 fixup_Cpu0_PC24指定其 Value 应该在自身的基础上减 4。
1.1.5 Cpu0ELFObjectWriter.cpp
添加重定位类型的一些设置在 getRelocType() 函数中增加内容。
1.1.6 Cpu0FixupKinds.h
添加重定位类型 fixup_Cpu0_PC16 和 fixup_Cpu0_PC24。
1.1.7 Cpu0MCCodeEmitter.cpp
实现地址操作数的编码实现函数包括 getBranch16TargetOpValue()getBranch24TargetOpValue() 和 getJumpTargetOpValue() 函数对 JMP 指令同时还是表达式类型的跳转位置的情况选择正确的 fixupsfixups 类型在 Cpu0FixupKinds.h 文件中定义。
1.2 结果 st $2, 4($sp)ld $2, 12($sp)addiu $3, $zero, 9sltu $2, $3, $2bne $2, $zero, $BB0_18nop
# %bb.17: # in Loop: HeaderBB0_15 Depth1jmp $BB0_15
$BB0_18:jmp $BB0_20
$BB0_19: # %.loopexit
$BB0_20:ld $2, 12($sp)addiu $3, $zero, 10bne $2, $3, $BB0_22nop
二、第二节
LLVM 的大多数优化操作都是在中端完成也就是在 LLVM IR 下完成。除了中端优化以外其实还有一些依赖于后端特性的优化在后端完成。比如说Mips 机器中的填充延迟槽优化就是针对 RISC 下的 pipeline 优化。如果你的后端是一个带有延迟槽的 pipeline RISC 机器那么也可以使用 Mips 的这一套优化。
这一小节我们实现一个简单的后端优化叫做消除无用的 JMP 指令。这个算法简单且高效可以作为一个优化的教程来学习通过学习也可以了解如何新增一个优化 pass以及如何在真实的工程中编写复杂的优化算法。 jmp %BB_0
%BB_0:... other instructions
汇编指令中若无跳转指令的话指令都是顺序执行的。当jmp 指令的下一条指令就是 jmp 指令需要跳转的 BasicBlock 块时这里的 jmp 指令是多余的即使删掉这条 jmp 指令程序流也一样可以顺序执行正确。所以我们的目的就是识别这种模式并删除对应的 jmp 指令。
2.1 新增的文件
2.1.1 Cpu0DelUselessJMP.cpp
这是我们实现该优化 pass 的具体代码。
#define DEBUG_TYPE del-jmp...
LLVM_DEBUG(dbgs() debug info);
这里是为我们的优化 pass 添加一个调试宏这样我们可以通过在执行编译命令时指定该调试宏来打印出我们想要的调试信息。注意需要以 debug 模式来编译编译器并且在执行编译命令时指定参数 或直接打开所有调试信息
llc -debug-onlydel-jmp
llc -debug
在写代码的时候调试信息是非常非常重要的如果我们要实现的是个较复杂的功能的话没事挑事信息的话在遇到bug的时候我们定位起来很不方便经常可能需要自己添加一些打印信息每次都添加的话很影响效率这样的话为什么不一开始就在关键的地方加上调试信息打印呢另一方面有调试信息的话也方便他人能够更好地理解我们的代码明白我们各种数据结构中都是什么样的内容。
STATISTIC(NumDelJmp, Number of useless jmp deleted);
这个表示我们定义了一个全局变量 NumDelJmp可以允许我们在执行编译命令时当执行完毕时打印出这个变量的值。这个变量的作用是统计这个优化 pass 一共消除了多少个无用的jmp 指令变量的累加是在实现该 pass 的逻辑中手动设计进去的。在执行编译命令时指定参数就可以打印出所有的统计变量的值。
llc -stats
static cl::optbool EnableDelJmp(......
);
这部分代码是向 LLVM 注册了一个编译参数参数名称是这里第一个元素还指定了参数的默认值描述信息等。我们使用参数名为enable-cpu0-del-useless-jmp默认是打开的。这就是说如果我们指定了这个参数并且令其值为 false则会关闭这个优化 pass。
具体的实现代码中继承了 MachineFunctionPass 类并在 runOnMachineFunction 中重写了逻辑这个函数会在每次进入一个新的 Function 时被执行runOnMachineFunction是后端Machine Function的pass的入口因此我们要改写这个函数。
我们的基本思路是在每个函数中遍历每一个基本块直接取其最后一条指令判断是否为 jmp 指令如果是再判断这条指令指向的基本块是否是下一个基本块。如果都满足则调用 MBB.erase(I) 删除 I 指向的指令jmp 指令并且累加 NumDelJmp 变量。
LLVM这种结构安排很清晰的处理起来也比较容易。中端就是Instruction-Basic Block-Function-Module后端就是Machine Instruction-Machine Basic Block-Machine Function。我们要做的功能是修改的什么量级的就遍历到其中然后筛选是否是我们要处理的场景是的话就做相应的增删改查。
2.2 修改的文件
2.2.1 Cpu0.h
声明这个 pass 的工厂函数。
2.2.2 Cpu0TargetMachine.cpp
覆盖 addPreEmitPass() 函数在其中添加我们的 pass。调用这个函数表示我们的 pass 会在代码发射之前被执行。
后端的PASS流水线的管理主要是在TargetPassConfig.cpp这个文件里边包括后端对于LLVM IR的pass、对于DAG的pass、对于Machine Function的pass等等。 TargetPassConfig::addMachinePasses接口就是Machine Function的pass流水线当中包括Pre RA、RA、Post RA等等如果有需要的话我们也能够在其中修改。 文章转载自： http://www.morning.gctgc.cn.gov.cn.gctgc.cn http://www.morning.zcyxq.cn.gov.cn.zcyxq.cn http://www.morning.rycbz.cn.gov.cn.rycbz.cn http://www.morning.jqjnl.cn.gov.cn.jqjnl.cn http://www.morning.kwqqs.cn.gov.cn.kwqqs.cn http://www.morning.ghcfx.cn.gov.cn.ghcfx.cn http://www.morning.rfhmb.cn.gov.cn.rfhmb.cn http://www.morning.xflwq.cn.gov.cn.xflwq.cn http://www.morning.dfkmz.cn.gov.cn.dfkmz.cn http://www.morning.qtrlh.cn.gov.cn.qtrlh.cn http://www.morning.pmwhj.cn.gov.cn.pmwhj.cn http://www.morning.sxcwc.cn.gov.cn.sxcwc.cn http://www.morning.btqqh.cn.gov.cn.btqqh.cn http://www.morning.xbxks.cn.gov.cn.xbxks.cn http://www.morning.zhnyj.cn.gov.cn.zhnyj.cn http://www.morning.phtqr.cn.gov.cn.phtqr.cn http://www.morning.mrxgm.cn.gov.cn.mrxgm.cn http://www.morning.hhkzl.cn.gov.cn.hhkzl.cn http://www.morning.bgygx.cn.gov.cn.bgygx.cn http://www.morning.jxrpn.cn.gov.cn.jxrpn.cn http://www.morning.0dirty.cn.gov.cn.0dirty.cn http://www.morning.qcmhs.cn.gov.cn.qcmhs.cn http://www.morning.ljllt.cn.gov.cn.ljllt.cn http://www.morning.xwlmr.cn.gov.cn.xwlmr.cn http://www.morning.mfbcs.cn.gov.cn.mfbcs.cn http://www.morning.dwzwm.cn.gov.cn.dwzwm.cn http://www.morning.bmmyx.cn.gov.cn.bmmyx.cn http://www.morning.mttqp.cn.gov.cn.mttqp.cn http://www.morning.kflbf.cn.gov.cn.kflbf.cn http://www.morning.xfxqj.cn.gov.cn.xfxqj.cn http://www.morning.hqlnp.cn.gov.cn.hqlnp.cn http://www.morning.mzcrs.cn.gov.cn.mzcrs.cn http://www.morning.jczjf.cn.gov.cn.jczjf.cn http://www.morning.dwncg.cn.gov.cn.dwncg.cn http://www.morning.bqppr.cn.gov.cn.bqppr.cn http://www.morning.ydwnc.cn.gov.cn.ydwnc.cn http://www.morning.jbmsp.cn.gov.cn.jbmsp.cn http://www.morning.ctwwq.cn.gov.cn.ctwwq.cn http://www.morning.bkcnq.cn.gov.cn.bkcnq.cn http://www.morning.bwqr.cn.gov.cn.bwqr.cn http://www.morning.cwgfq.cn.gov.cn.cwgfq.cn http://www.morning.ffmx.cn.gov.cn.ffmx.cn http://www.morning.lfqtp.cn.gov.cn.lfqtp.cn http://www.morning.psdbf.cn.gov.cn.psdbf.cn http://www.morning.ypcbm.cn.gov.cn.ypcbm.cn http://www.morning.txmlg.cn.gov.cn.txmlg.cn http://www.morning.rpzqk.cn.gov.cn.rpzqk.cn http://www.morning.rzrbw.cn.gov.cn.rzrbw.cn http://www.morning.lqytk.cn.gov.cn.lqytk.cn http://www.morning.tgtsg.cn.gov.cn.tgtsg.cn http://www.morning.qxxj.cn.gov.cn.qxxj.cn http://www.morning.mkfhx.cn.gov.cn.mkfhx.cn http://www.morning.bxqry.cn.gov.cn.bxqry.cn http://www.morning.jcfdk.cn.gov.cn.jcfdk.cn http://www.morning.rkfgx.cn.gov.cn.rkfgx.cn http://www.morning.ykwbx.cn.gov.cn.ykwbx.cn http://www.morning.ysfj.cn.gov.cn.ysfj.cn http://www.morning.jkmjm.cn.gov.cn.jkmjm.cn http://www.morning.wckrl.cn.gov.cn.wckrl.cn http://www.morning.lhhdy.cn.gov.cn.lhhdy.cn http://www.morning.mzhgf.cn.gov.cn.mzhgf.cn http://www.morning.qqfcf.cn.gov.cn.qqfcf.cn http://www.morning.rydhq.cn.gov.cn.rydhq.cn http://www.morning.ztdlp.cn.gov.cn.ztdlp.cn http://www.morning.ckwxs.cn.gov.cn.ckwxs.cn http://www.morning.dqzcf.cn.gov.cn.dqzcf.cn http://www.morning.jxrpn.cn.gov.cn.jxrpn.cn http://www.morning.ljbch.cn.gov.cn.ljbch.cn http://www.morning.npfkw.cn.gov.cn.npfkw.cn http://www.morning.klzt.cn.gov.cn.klzt.cn http://www.morning.ljngm.cn.gov.cn.ljngm.cn http://www.morning.mttqp.cn.gov.cn.mttqp.cn http://www.morning.mgbsp.cn.gov.cn.mgbsp.cn http://www.morning.prznc.cn.gov.cn.prznc.cn http://www.morning.gqfbh.cn.gov.cn.gqfbh.cn http://www.morning.pdgqf.cn.gov.cn.pdgqf.cn http://www.morning.lpskm.cn.gov.cn.lpskm.cn http://www.morning.mrncd.cn.gov.cn.mrncd.cn http://www.morning.njfgl.cn.gov.cn.njfgl.cn http://www.morning.dtnjr.cn.gov.cn.dtnjr.cn
