Introduction to LLVM framework.

1. LLVM框架、由淺⼊入淺
浪打、Hydai

2. Speakers
$ whoami

3. 楊宗凡 — 浪打
‣ 成功⼤大學電機系四年級
‣ sonic.tw.tp (at) gmail.com
戴宏穎 — Hydai
‣ 清華⼤大學資⼯工碩⼀一年級
‣ z54981220 (at) gmail.com

4. Github Repos:
https://github.com/sonicyang/ws-frontend
https://github.com/sonicyang/llvm-z80

5. Code to Executable
$ gcc helloworld.c

6. #include <stdio.h>
int main(int argc, char* argv[]){
puts(“Hello World!”);
return 0;
}
In C
Hello World!
print “Hello World!”
In Python
Hello World!
魔法 我想學魔法!

7. The Magic
原始碼 組合語⾔言 機械碼
AssemblerCompiler
print “!@#$” mov d, msg$
mov c, 9
call 5
110100….
>./hw
機械碼
110100….
Hello World!

8. Compiler
原始碼
組合語⾔言
Lex Parse
Token
Stream
轉譯AST

9. bdos equ 0005H
start: mvi c,9
lxi d,msg$
call bdos
ret
msg$:db 'Hello, world!$'
end start
Intel 8080
Assembler
MSG: .ASCIIZ "Hello, world!"
LDX #0
LDA MSG,X
@LP: JSR $FFD2
INX
LDA MSG,X
BNE @LP
RTS
MOS 6502
8080
Assemble
6502
Assemble
110110.. 010111..
CP/M
Apple
Dos

10. Perl
Python
Java
C
Ruby
Javascript
他們都造⾃自⼰己的輪⼦子
對應不同的機器
IA-32 AMD64
IA-64 Arch32
AArch64
Sun Sparc

11. Compiler
原始碼
組合語⾔言
Lex Parse
Token
Stream
轉譯AST

12. Modern Compiler
$ export CFLAGS = “-O3”

13. Modern Wheel
原始碼
組合語⾔言
Lex
Yacc
AST
演算法
中介語⾔言
轉譯

14. 三階段編譯流程
原始碼
Backend
組合語⾔言
OptimizerFrontend

15. Copy Propagation

16. Constant Propagation

17. Constant Folding

18. Dead Code Elimination(1)

19. Dead Code Elimination(2)

20. 三階段編譯流程
原始碼
Backend
組合語⾔言
OptimizerFrontend

21. Python的故事
Python
組合語⾔言
Interpreter
C Code GCC

22. LLVM Framework
$ git clone http://llvm.org/git/llvm.git

23. 三階段編譯流程
原始碼
Backend
組合語⾔言
OptimizerFrontend

24. IR
LLVM Framework -
Front End
原始碼 Backend 組合語⾔言Frontend
IRPass IR Pass … Pass IR Pass

25. IR
LLVM Framework -
Optimizer
原始碼 Backend 組合語⾔言Frontend
IRPass IR Pass … Pass IR Pass

26. IR
LLVM Framework -
Back End
原始碼 Backend 組合語⾔言Frontend
IRPass IR Pass … Pass IR Pass

27. 模組化的開發
原始碼
Backend
組合語⾔言
OptimizerFrontend
LLVM IR

28. Front End
$ clang -S -emit-llvm main.c

29. 以下使⽤用 Whitespace 語⾔言

30. Hello, world!

31. Hello, world(syntax hl)

32. Whitespace 簡介
• 只有三種 Tokens：
• Space 空⽩白(' ')
• Tabs 制表符(t)
• New lines 換⾏行(n)
• 其餘的字元全部都被當成註解

33. Front End to IR
程式碼 LLVM IR

34. Front End to IR
程式碼 LLVM IRParser LLVM API
• Module
• IRBuilder
• Function
• BasicBlock
• Instruction

35. LLVM IR
$ cat main.ll

36. LLVM IR
• RISC-style (Reduced Instruction Set Computing)
• ⼈人類可讀的
• 具備 SSA form (Static Single Assignment)
• 無限多的虛擬暫存器
• 任意位元⼤大⼩小
• 不改變⾏行為下 Transform IR ，來做最佳化。

37. C to IR

39. int
a
=
1;

40. int
c
=
a+b;

41. Optimizer
• LLVM 使⽤用 opt 做最佳化
• 每⼀一種類的分析跟轉換的 pass 都是 opt 的參數
• opt 會照順序幫你⼀一個⼀一個⾛走過這些 pass
• 每個 pass 會⾃自⼰己決定要不要做事

42. opt 剛才的 C Code

43. Backend
$ llc -march=z80 main.ll

44. Basic Ideas
LLVM IR 組合語⾔言

45. Basic Ideas
SelectionDAGLLVM IR 組合語⾔言
•Combining
•Legalizing
•Scheduling
•Register Allocation

46. What’s a DAG?

47. llvm::SelectionDAGISel
LLVM IR 組合語⾔言
Original DAG
Combined
DAG
Legalized
DAG
Target
Legalizing
DAG
Combiner
Instruction
Selection
TableGe
n

48. llvm::SelectionDAGISel
LLVM IR 組合語⾔言
Original DAG
Combined
DAG
Legalized
DAG
Target
Legalizing
DAG
Combiner
Instruction
Selection
TableGe
n

49. TableGen
組譯器
反組譯器
編譯器
除錯器
Target CPU
暫存器
指令格式
指令
代表A
代表B
代表C
代表D

50. TableGen
組譯器
反組譯器
編譯器
除錯器
Target CPU
Table
Gen
暫存器
指令格式
指令

51. Legalizing
LOAD LD
8bit
加法
除法
32bit
加法
⼀一堆
減法
Legal
Promote
Custom

52. Instruction Selecting
組合語⾔言
Legalized
DAG
Instruction
Selection
TableGe
n

53. Register Allocation
SSA
虛擬暫存器
CPU暫存器
分配
最佳化
Instruction Scheduling
原先指令順序 CPU
更適合的順續
順序
最佳化

54. llvm::SelectionDAGISel
LLVM IR 組合語⾔言
Original DAG
Combined
DAG
Legalized
DAG
Target
Legalizing
DAG
Combiner
Instruction
Selection
TableGe
n

55. Demo
A 40 years portal by LLVM, Linking 1976 and 2016

56. Demo
A 40 years portal by LLVM, Linking 1976 and 2016
WhiteSpace
LLVM IR 組合語⾔言
CP/M
LLVM
Zilog Z80

57. 模組化的LLVM
原始碼
Backend
組合語⾔言
OptimizerFrontend

58. Reference
$ uname -a

59. 1. Architecture for Next Generation GCC
ftp://gcc.gnu.org/pub/gcc/summit/2003/Architecture%20for%20a%20Next-Generation
%20GCC.pdf
2. Life of an Instruction in LLVM
http://eli.thegreenplace.net/2012/11/24/life-of-an-instruction-in-llvm
3. A deeper look into the LLVM code generator
http://eli.thegreenplace.net/2013/02/25/a-deeper-look-into-the-llvm-code-generator-
part-1
4. LLVM TableGen Documentation
http://llvm.org/docs/TableGen/index.html
5. LLVM TableGen Introduction
http://llvm.org/docs/TableGen/LangIntro.html
6. Independent Code Generator
http://llvm.org/docs/CodeGenerator.html
7. The Relationship between selectiondag and selectiondagisel
http://stackoverflow.com/questions/26814062/the-relationship-between-selectiondag-
and-selectiondagisel
8. How TableGen’s DAGISel Backend Works
https://github.com/draperlaboratory/fracture/wiki/How-TableGen's-DAGISel-Backend-
Works
9. ZASM - Z80 Assembler
http://k1.spdns.de/Develop/Projects/zasm/Documentation/
10. LLVM Z80 Backend
https://github.com/mostlyuseful/llvm-z80/network
11. Whitespace LLVM
https://github.com/Subv/Whitespace-LLVM

60. Q & A
$ man man