src/compiler/x86-64/vm.lisp

   1 ;;;; miscellaneous VM definition noise for the x86-64
   2
   3 ;;;; This software is part of the SBCL system. See the README file for
   4 ;;;; more information.
   5 ;;;;
   6 ;;;; This software is derived from the CMU CL system, which was
   7 ;;;; written at Carnegie Mellon University and released into the
   8 ;;;; public domain. The software is in the public domain and is
   9 ;;;; provided with absolutely no warranty. See the COPYING and CREDITS
  10 ;;;; files for more information.
  11
  12 (in-package "SB!VM")
  13
  14 ;;; the size of an INTEGER representation of a SYSTEM-AREA-POINTER, i.e.
  15 ;;; size of a native memory address
  16 (deftype sap-int () '(unsigned-byte 64))
  17 \f
  18 ;;;; register specs
  19
  20 (eval-when (:compile-toplevel :load-toplevel :execute)
  21   (defvar *byte-register-names* (make-array 32 :initial-element nil))
  22   (defvar *word-register-names* (make-array 16 :initial-element nil))
  23   (defvar *dword-register-names* (make-array 16 :initial-element nil))
  24   (defvar *qword-register-names* (make-array 32 :initial-element nil))
  25   (defvar *float-register-names* (make-array 16 :initial-element nil)))
  26
  27 (macrolet ((defreg (name offset size)
  28              (let ((offset-sym (symbolicate name "-OFFSET"))
  29                    (names-vector (symbolicate "*" size "-REGISTER-NAMES*")))
  30                `(progn
  31                   (eval-when (:compile-toplevel :load-toplevel :execute)
  32                     ;; EVAL-WHEN is necessary because stuff like #.EAX-OFFSET
  33                     ;; (in the same file) depends on compile-time evaluation
  34                     ;; of the DEFCONSTANT. -- AL 20010224
  35                     (def!constant ,offset-sym ,offset))
  36                   (setf (svref ,names-vector ,offset-sym)
  37                         ,(symbol-name name)))))
  38            ;; FIXME: It looks to me as though DEFREGSET should also
  39            ;; define the related *FOO-REGISTER-NAMES* variable.
  40            (defregset (name &rest regs)
  41              `(eval-when (:compile-toplevel :load-toplevel :execute)
  42                 (defparameter ,name
  43                   (list ,@(mapcar (lambda (name)
  44                                     (symbolicate name "-OFFSET"))
  45                                   regs))))))
  46
  47   ;; byte registers
  48   ;;
  49   ;; Note: the encoding here is different than that used by the chip.
  50   ;; We use this encoding so that the compiler thinks that AX (and
  51   ;; EAX) overlap AL and AH instead of AL and CL.
  52   ;;
  53   ;; High-byte are registers disabled on AMD64, since they can't be
  54   ;; encoded for an op that has a REX-prefix and we don't want to
  55   ;; add special cases into the code generation. The overlap doesn't
  56   ;; therefore exist anymore, but the numbering hasn't been changed
  57   ;; to reflect this.
  58   (defreg al    0 :byte)
  59   (defreg cl    2 :byte)
  60   (defreg dl    4 :byte)
  61   (defreg bl    6 :byte)
  62   (defreg sil  12 :byte)
  63   (defreg dil  14 :byte)
  64   (defreg r8b  16 :byte)
  65   (defreg r9b  18 :byte)
  66   (defreg r10b 20 :byte)
  67   (defreg r11b 22 :byte)
  68   (defreg r12b 24 :byte)
  69   (defreg r13b 26 :byte)
  70   (defreg r14b 28 :byte)
  71   (defreg r15b 30 :byte)
  72   (defregset *byte-regs*
  73       al cl dl bl sil dil r8b r9b r10b
  74       #+nil r11b #+nil r12b r13b r14b r15b)
  75
  76   ;; word registers
  77   (defreg ax 0 :word)
  78   (defreg cx 2 :word)
  79   (defreg dx 4 :word)
  80   (defreg bx 6 :word)
  81   (defreg sp 8 :word)
  82   (defreg bp 10 :word)
  83   (defreg si 12 :word)
  84   (defreg di 14 :word)
  85   (defregset *word-regs* ax cx dx bx si di)
  86
  87   ;; double word registers
  88   (defreg eax 0 :dword)
  89   (defreg ecx 2 :dword)
  90   (defreg edx 4 :dword)
  91   (defreg ebx 6 :dword)
  92   (defreg esp 8 :dword)
  93   (defreg ebp 10 :dword)
  94   (defreg esi 12 :dword)
  95   (defreg edi 14 :dword)
  96   (defregset *dword-regs* eax ecx edx ebx esi edi)
  97
  98   ;; quadword registers
  99   (defreg rax 0 :qword)
 100   (defreg rcx 2 :qword)
 101   (defreg rdx 4 :qword)
 102   (defreg rbx 6 :qword)
 103   (defreg rsp 8 :qword)
 104   (defreg rbp 10 :qword)
 105   (defreg rsi 12 :qword)
 106   (defreg rdi 14 :qword)
 107   (defreg r8  16 :qword)
 108   (defreg r9  18 :qword)
 109   (defreg r10 20 :qword)
 110   (defreg r11 22 :qword)
 111   (defreg r12 24 :qword)
 112   (defreg r13 26 :qword)
 113   (defreg r14 28 :qword)
 114   (defreg r15 30 :qword)
 115   ;; for no good reason at the time, r12 and r13 were missed from the
 116   ;; list of qword registers.  However
 117   ;; <jsnell> r13 is already used as temporary [#lisp irc 2005/01/30]
 118   ;; and we're now going to use r12 for the struct thread*
 119   ;;
 120   ;; Except that now we use r11 instead of r13 as the temporary,
 121   ;; since it's got a more compact encoding than r13, and experimentally
 122   ;; the temporary gets used more than the other registers that are never
 123   ;; wired. -- JES, 2005-11-02
 124   (defregset *qword-regs* rax rcx rdx rbx rsi rdi
 125              r8 r9 r10 #+nil r11 #+nil r12 r13  r14 r15)
 126
 127   ;; floating point registers
 128   (defreg float0 0 :float)
 129   (defreg float1 1 :float)
 130   (defreg float2 2 :float)
 131   (defreg float3 3 :float)
 132   (defreg float4 4 :float)
 133   (defreg float5 5 :float)
 134   (defreg float6 6 :float)
 135   (defreg float7 7 :float)
 136   (defreg float8 8 :float)
 137   (defreg float9 9 :float)
 138   (defreg float10 10 :float)
 139   (defreg float11 11 :float)
 140   (defreg float12 12 :float)
 141   (defreg float13 13 :float)
 142   (defreg float14 14 :float)
 143   (defreg float15 15 :float)
 144   (defregset *float-regs* float0 float1 float2 float3 float4 float5 float6 float7
 145              float8 float9 float10 float11 float12 float13 float14 float15)
 146
 147   ;; registers used to pass arguments
 148   ;;
 149   ;; the number of arguments/return values passed in registers
 150   (def!constant  register-arg-count 3)
 151   ;; names and offsets for registers used to pass arguments
 152   (eval-when (:compile-toplevel :load-toplevel :execute)
 153     (defparameter *register-arg-names* '(rdx rdi rsi)))
 154   (defregset    *register-arg-offsets* rdx rdi rsi)
 155   (defregset    *c-call-register-arg-offsets* rdi rsi rdx rcx r8 r9))
 156 \f
 157 ;;;; SB definitions
 158
 159 ;;; There are 16 registers really, but we consider them 32 in order to
 160 ;;; describe the overlap of byte registers. The only thing we need to
 161 ;;; represent is what registers overlap. Therefore, we consider bytes
 162 ;;; to take one unit, and [dq]?words to take two. We don't need to
 163 ;;; tell the difference between [dq]?words, because you can't put two
 164 ;;; words in a dword register.
 165 (define-storage-base registers :finite :size 32)
 166
 167 (define-storage-base float-registers :finite :size 16)
 168
 169 (define-storage-base stack :unbounded :size 8)
 170 (define-storage-base constant :non-packed)
 171 (define-storage-base immediate-constant :non-packed)
 172 (define-storage-base noise :unbounded :size 2)
 173 \f
 174 ;;;; SC definitions
 175
 176 ;;; a handy macro so we don't have to keep changing all the numbers whenever
 177 ;;; we insert a new storage class
 178 ;;;
 179 (defmacro !define-storage-classes (&rest classes)
 180   (collect ((forms))
 181     (let ((index 0))
 182       (dolist (class classes)
 183         (let* ((sc-name (car class))
 184                (constant-name (symbolicate sc-name "-SC-NUMBER")))
 185           (forms `(define-storage-class ,sc-name ,index
 186                     ,@(cdr class)))
 187           (forms `(def!constant ,constant-name ,index))
 188           (incf index))))
 189     `(progn
 190        ,@(forms))))
 191
 192 ;;; The DEFINE-STORAGE-CLASS call for CATCH-BLOCK refers to the size
 193 ;;; of CATCH-BLOCK. The size of CATCH-BLOCK isn't calculated until
 194 ;;; later in the build process, and the calculation is entangled with
 195 ;;; code which has lots of predependencies, including dependencies on
 196 ;;; the prior call of DEFINE-STORAGE-CLASS. The proper way to
 197 ;;; unscramble this would be to untangle the code, so that the code
 198 ;;; which calculates the size of CATCH-BLOCK can be separated from the
 199 ;;; other lots-of-dependencies code, so that the code which calculates
 200 ;;; the size of CATCH-BLOCK can be executed early, so that this value
 201 ;;; is known properly at this point in compilation. However, that
 202 ;;; would be a lot of editing of code that I (WHN 19990131) can't test
 203 ;;; until the project is complete. So instead, I set the correct value
 204 ;;; by hand here (a sort of nondeterministic guess of the right
 205 ;;; answer:-) and add an assertion later, after the value is
 206 ;;; calculated, that the original guess was correct.
 207 ;;;
 208 ;;; (What a KLUDGE! Anyone who wants to come in and clean up this mess
 209 ;;; has my gratitude.) (FIXME: Maybe this should be me..)
 210 (eval-when (:compile-toplevel :load-toplevel :execute)
 211   (def!constant kludge-nondeterministic-catch-block-size 5))
 212
 213 (!define-storage-classes
 214
 215   ;; non-immediate constants in the constant pool
 216   (constant constant)
 217
 218   (fp-single-zero immediate-constant)
 219   (fp-double-zero immediate-constant)
 220
 221   (immediate immediate-constant)
 222
 223   ;;
 224   ;; the stacks
 225   ;;
 226
 227   ;; the control stack
 228   (control-stack stack)                 ; may be pointers, scanned by GC
 229
 230   ;; the non-descriptor stacks
 231   ;; XXX alpha backend has :element-size 2 :alignment 2 in these entries
 232   (signed-stack stack)                  ; (signed-byte 64)
 233   (unsigned-stack stack)                ; (unsigned-byte 64)
 234   (character-stack stack)               ; non-descriptor characters.
 235   (sap-stack stack)                     ; System area pointers.
 236   (single-stack stack)                  ; single-floats
 237   (double-stack stack)
 238   (complex-single-stack stack :element-size 2)  ; complex-single-floats
 239   (complex-double-stack stack :element-size 2)  ; complex-double-floats
 240
 241
 242   ;;
 243   ;; magic SCs
 244   ;;
 245
 246   (ignore-me noise)
 247
 248   ;;
 249   ;; things that can go in the integer registers
 250   ;;
 251
 252   ;; On the X86, we don't have to distinguish between descriptor and
 253   ;; non-descriptor registers, because of the conservative GC.
 254   ;; Therefore, we use different scs only to distinguish between
 255   ;; descriptor and non-descriptor values and to specify size.
 256
 257   ;; immediate descriptor objects. Don't have to be seen by GC, but nothing
 258   ;; bad will happen if they are. (fixnums, characters, header values, etc).
 259   (any-reg registers
 260            :locations #.*qword-regs*
 261            :element-size 2 ; I think this is for the al/ah overlap thing
 262            :constant-scs (immediate)
 263            :save-p t
 264            :alternate-scs (control-stack))
 265
 266   ;; pointer descriptor objects -- must be seen by GC
 267   (descriptor-reg registers
 268                   :locations #.*qword-regs*
 269                   :element-size 2
 270 ;                 :reserve-locations (#.eax-offset)
 271                   :constant-scs (constant immediate)
 272                   :save-p t
 273                   :alternate-scs (control-stack))
 274
 275   ;; non-descriptor characters
 276   (character-reg registers
 277                  :locations #!-sb-unicode #.*byte-regs*
 278                             #!+sb-unicode #.*qword-regs*
 279                  #!+sb-unicode #!+sb-unicode
 280                  :element-size 2
 281                  #!-sb-unicode #!-sb-unicode
 282                  :reserve-locations (#.al-offset)
 283                  :constant-scs (immediate)
 284                  :save-p t
 285                  :alternate-scs (character-stack))
 286
 287   ;; non-descriptor SAPs (arbitrary pointers into address space)
 288   (sap-reg registers
 289            :locations #.*qword-regs*
 290            :element-size 2
 291 ;          :reserve-locations (#.eax-offset)
 292            :constant-scs (immediate)
 293            :save-p t
 294            :alternate-scs (sap-stack))
 295
 296   ;; non-descriptor (signed or unsigned) numbers
 297   (signed-reg registers
 298               :locations #.*qword-regs*
 299               :element-size 2
 300               :constant-scs (immediate)
 301               :save-p t
 302               :alternate-scs (signed-stack))
 303   (unsigned-reg registers
 304                 :locations #.*qword-regs*
 305                 :element-size 2
 306                 :constant-scs (immediate)
 307                 :save-p t
 308                 :alternate-scs (unsigned-stack))
 309
 310   ;; miscellaneous objects that must not be seen by GC. Used only as
 311   ;; temporaries.
 312   (word-reg registers
 313             :locations #.*word-regs*
 314             :element-size 2
 315             )
 316   (dword-reg registers
 317             :locations #.*dword-regs*
 318             :element-size 2
 319             )
 320   (byte-reg registers
 321             :locations #.*byte-regs*
 322             )
 323
 324   ;; that can go in the floating point registers
 325
 326   ;; non-descriptor SINGLE-FLOATs
 327   (single-reg float-registers
 328               :locations #.(loop for i from 0 below 15 collect i)
 329               :constant-scs (fp-single-zero)
 330               :save-p t
 331               :alternate-scs (single-stack))
 332
 333   ;; non-descriptor DOUBLE-FLOATs
 334   (double-reg float-registers
 335               :locations #.(loop for i from 0 below 15 collect i)
 336               :constant-scs (fp-double-zero)
 337               :save-p t
 338               :alternate-scs (double-stack))
 339
 340   (complex-single-reg float-registers
 341                       :locations #.(loop for i from 0 to 14 by 2 collect i)
 342                       :element-size 2
 343                       :constant-scs ()
 344                       :save-p t
 345                       :alternate-scs (complex-single-stack))
 346
 347   (complex-double-reg float-registers
 348                       :locations #.(loop for i from 0 to 14 by 2 collect i)
 349                       :element-size 2
 350                       :constant-scs ()
 351                       :save-p t
 352                       :alternate-scs (complex-double-stack))
 353
 354   ;; a catch or unwind block
 355   (catch-block stack :element-size kludge-nondeterministic-catch-block-size))
 356
 357 (eval-when (:compile-toplevel :load-toplevel :execute)
 358 (defparameter *byte-sc-names*
 359   '(#!-sb-unicode character-reg byte-reg #!-sb-unicode character-stack))
 360 (defparameter *word-sc-names* '(word-reg))
 361 (defparameter *dword-sc-names* '(dword-reg))
 362 (defparameter *qword-sc-names*
 363   '(any-reg descriptor-reg sap-reg signed-reg unsigned-reg control-stack
 364     signed-stack unsigned-stack sap-stack single-stack
 365     #!+sb-unicode character-reg #!+sb-unicode character-stack constant))
 366 ;;; added by jrd. I guess the right thing to do is to treat floats
 367 ;;; as a separate size...
 368 ;;;
 369 ;;; These are used to (at least) determine operand size.
 370 (defparameter *float-sc-names* '(single-reg))
 371 (defparameter *double-sc-names* '(double-reg double-stack))
 372 ) ; EVAL-WHEN
 373 \f
 374 ;;;; miscellaneous TNs for the various registers
 375
 376 (macrolet ((def-misc-reg-tns (sc-name &rest reg-names)
 377              (collect ((forms))
 378                       (dolist (reg-name reg-names)
 379                         (let ((tn-name (symbolicate reg-name "-TN"))
 380                               (offset-name (symbolicate reg-name "-OFFSET")))
 381                           ;; FIXME: It'd be good to have the special
 382                           ;; variables here be named with the *FOO*
 383                           ;; convention.
 384                           (forms `(defparameter ,tn-name
 385                                     (make-random-tn :kind :normal
 386                                                     :sc (sc-or-lose ',sc-name)
 387                                                     :offset
 388                                                     ,offset-name)))))
 389                       `(progn ,@(forms)))))
 390
 391   (def-misc-reg-tns unsigned-reg rax rbx rcx rdx rbp rsp rdi rsi
 392                     r8 r9 r10 r11 r12 r13 r14 r15)
 393   (def-misc-reg-tns dword-reg eax ebx ecx edx ebp esp edi esi)
 394   (def-misc-reg-tns word-reg ax bx cx dx bp sp di si)
 395   (def-misc-reg-tns byte-reg al cl dl bl sil dil r8b r9b r10b
 396                     r11b r12b r13b r14b r15b)
 397   (def-misc-reg-tns single-reg
 398       float0 float1 float2 float3 float4 float5 float6 float7
 399       float8 float9 float10 float11 float12 float13 float14 float15))
 400
 401 ;; A register that's never used by the code generator, and can therefore
 402 ;; be used as an assembly temporary in cases where a VOP :TEMPORARY can't
 403 ;; be used.
 404 (defparameter temp-reg-tn r11-tn)
 405
 406 ;;; TNs for registers used to pass arguments
 407 (defparameter *register-arg-tns*
 408   (mapcar (lambda (register-arg-name)
 409             (symbol-value (symbolicate register-arg-name "-TN")))
 410           *register-arg-names*))
 411
 412 (defparameter thread-base-tn
 413   (make-random-tn :kind :normal :sc (sc-or-lose 'unsigned-reg )
 414                   :offset r12-offset))
 415
 416 (defparameter fp-single-zero-tn
 417   (make-random-tn :kind :normal
 418                   :sc (sc-or-lose 'single-reg)
 419                   :offset 15))
 420
 421 (defparameter fp-double-zero-tn
 422   (make-random-tn :kind :normal
 423                   :sc (sc-or-lose 'double-reg)
 424                   :offset 15))
 425
 426 ;;; If value can be represented as an immediate constant, then return
 427 ;;; the appropriate SC number, otherwise return NIL.
 428 (!def-vm-support-routine immediate-constant-sc (value)
 429   (typecase value
 430     ((or (integer #.sb!xc:most-negative-fixnum #.sb!xc:most-positive-fixnum)
 431          character)
 432      (sc-number-or-lose 'immediate))
 433     (symbol
 434      (when (static-symbol-p value)
 435        (sc-number-or-lose 'immediate)))
 436     (single-float
 437      (if (eql value 0f0)
 438          (sc-number-or-lose 'fp-single-zero )
 439          nil))
 440     (double-float
 441      (if (eql value 0d0)
 442          (sc-number-or-lose 'fp-double-zero )
 443          nil))))
 444
 445 \f
 446 ;;;; miscellaneous function call parameters
 447
 448 ;;; offsets of special stack frame locations
 449 (def!constant ocfp-save-offset 1)
 450 (def!constant return-pc-save-offset 0)
 451 (def!constant code-save-offset 2)
 452
 453 (declaim (inline frame-word-offset))
 454 (defun frame-word-offset (index)
 455   (- (1+ index)))
 456
 457 (declaim (inline frame-byte-offset))
 458 (defun frame-byte-offset (index)
 459   (* (frame-word-offset index) n-word-bytes))
 460
 461 (def!constant lra-save-offset return-pc-save-offset) ; ?
 462
 463 ;;; This is used by the debugger.
 464 (def!constant single-value-return-byte-offset 3)
 465 \f
 466 ;;; This function is called by debug output routines that want a pretty name
 467 ;;; for a TN's location. It returns a thing that can be printed with PRINC.
 468 (!def-vm-support-routine location-print-name (tn)
 469   (declare (type tn tn))
 470   (let* ((sc (tn-sc tn))
 471          (sb (sb-name (sc-sb sc)))
 472          (offset (tn-offset tn)))
 473     (ecase sb
 474       (registers
 475        (let* ((sc-name (sc-name sc))
 476               (name-vec (cond ((member sc-name *byte-sc-names*)
 477                                *byte-register-names*)
 478                               ((member sc-name *word-sc-names*)
 479                                *word-register-names*)
 480                               ((member sc-name *dword-sc-names*)
 481                                *dword-register-names*)
 482                               ((member sc-name *qword-sc-names*)
 483                                *qword-register-names*))))
 484          (or (and name-vec
 485                   (< -1 offset (length name-vec))
 486                   (svref name-vec offset))
 487              ;; FIXME: Shouldn't this be an ERROR?
 488              (format nil "<unknown reg: off=~W, sc=~A>" offset sc-name))))
 489       (float-registers (format nil "FLOAT~D" offset))
 490       (stack (format nil "S~D" offset))
 491       (constant (format nil "Const~D" offset))
 492       (immediate-constant "Immed")
 493       (noise (symbol-name (sc-name sc))))))
 494 ;;; FIXME: Could this, and everything that uses it, be made #!+SB-SHOW?
 495
 496 (defun dwords-for-quad (value)
 497   (let* ((lo (logand value (1- (ash 1 32))))
 498          (hi (ash value -32)))
 499     (values lo hi)))
 500
 501 (defun words-for-dword (value)
 502   (let* ((lo (logand value (1- (ash 1 16))))
 503          (hi (ash value -16)))
 504     (values lo hi)))
 505
 506 (def!constant cfp-offset rbp-offset) ; pfw - needed by stuff in /code
 507
 508 (!def-vm-support-routine combination-implementation-style (node)
 509   (declare (type sb!c::combination node) (ignore node))
 510   (values :default nil))