1044d5b5dSValentin Clement //===-- CodeGen.cpp -- bridge to lower to LLVM ----------------------------===//
2044d5b5dSValentin Clement //
3044d5b5dSValentin Clement // Part of the LLVM Project, under the Apache License v2.0 with LLVM Exceptions.
4044d5b5dSValentin Clement // See https://llvm.org/LICENSE.txt for license information.
5044d5b5dSValentin Clement // SPDX-License-Identifier: Apache-2.0 WITH LLVM-exception
6044d5b5dSValentin Clement //
7044d5b5dSValentin Clement //===----------------------------------------------------------------------===//
8044d5b5dSValentin Clement //
9044d5b5dSValentin Clement // Coding style: https://mlir.llvm.org/getting_started/DeveloperGuide/
10044d5b5dSValentin Clement //
11044d5b5dSValentin Clement //===----------------------------------------------------------------------===//
12044d5b5dSValentin Clement 
13044d5b5dSValentin Clement #include "flang/Optimizer/CodeGen/CodeGen.h"
14044d5b5dSValentin Clement #include "PassDetail.h"
15044d5b5dSValentin Clement #include "flang/Optimizer/Dialect/FIROps.h"
16044d5b5dSValentin Clement #include "flang/Optimizer/Dialect/FIRType.h"
17044d5b5dSValentin Clement #include "mlir/Conversion/ArithmeticToLLVM/ArithmeticToLLVM.h"
18044d5b5dSValentin Clement #include "mlir/Conversion/LLVMCommon/Pattern.h"
19044d5b5dSValentin Clement #include "mlir/Conversion/LLVMCommon/TypeConverter.h"
20044d5b5dSValentin Clement #include "mlir/Conversion/StandardToLLVM/ConvertStandardToLLVM.h"
21044d5b5dSValentin Clement #include "mlir/IR/BuiltinTypes.h"
22044d5b5dSValentin Clement #include "mlir/Pass/Pass.h"
23044d5b5dSValentin Clement #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
24044d5b5dSValentin Clement 
25044d5b5dSValentin Clement #define DEBUG_TYPE "flang-codegen"
26044d5b5dSValentin Clement 
27044d5b5dSValentin Clement // fir::LLVMTypeConverter for converting to LLVM IR dialect types.
28044d5b5dSValentin Clement #include "TypeConverter.h"
29044d5b5dSValentin Clement 
30044d5b5dSValentin Clement namespace {
31044d5b5dSValentin Clement /// FIR conversion pattern template
32044d5b5dSValentin Clement template <typename FromOp>
33044d5b5dSValentin Clement class FIROpConversion : public mlir::ConvertOpToLLVMPattern<FromOp> {
34044d5b5dSValentin Clement public:
35044d5b5dSValentin Clement   explicit FIROpConversion(fir::LLVMTypeConverter &lowering)
36044d5b5dSValentin Clement       : mlir::ConvertOpToLLVMPattern<FromOp>(lowering) {}
37044d5b5dSValentin Clement 
38044d5b5dSValentin Clement protected:
39044d5b5dSValentin Clement   mlir::Type convertType(mlir::Type ty) const {
40044d5b5dSValentin Clement     return lowerTy().convertType(ty);
41044d5b5dSValentin Clement   }
42044d5b5dSValentin Clement 
43044d5b5dSValentin Clement   fir::LLVMTypeConverter &lowerTy() const {
44044d5b5dSValentin Clement     return *static_cast<fir::LLVMTypeConverter *>(this->getTypeConverter());
45044d5b5dSValentin Clement   }
46044d5b5dSValentin Clement };
47044d5b5dSValentin Clement 
480c4a7a52SValentin Clement // Lower `fir.address_of` operation to `llvm.address_of` operation.
49044d5b5dSValentin Clement struct AddrOfOpConversion : public FIROpConversion<fir::AddrOfOp> {
50044d5b5dSValentin Clement   using FIROpConversion::FIROpConversion;
51044d5b5dSValentin Clement 
52044d5b5dSValentin Clement   mlir::LogicalResult
53044d5b5dSValentin Clement   matchAndRewrite(fir::AddrOfOp addr, OpAdaptor adaptor,
54044d5b5dSValentin Clement                   mlir::ConversionPatternRewriter &rewriter) const override {
55044d5b5dSValentin Clement     auto ty = convertType(addr.getType());
56044d5b5dSValentin Clement     rewriter.replaceOpWithNewOp<mlir::LLVM::AddressOfOp>(
57044d5b5dSValentin Clement         addr, ty, addr.symbol().getRootReference().getValue());
58044d5b5dSValentin Clement     return success();
59044d5b5dSValentin Clement   }
60044d5b5dSValentin Clement };
61044d5b5dSValentin Clement 
620c4a7a52SValentin Clement /// Lower `fir.has_value` operation to `llvm.return` operation.
63044d5b5dSValentin Clement struct HasValueOpConversion : public FIROpConversion<fir::HasValueOp> {
64044d5b5dSValentin Clement   using FIROpConversion::FIROpConversion;
65044d5b5dSValentin Clement 
66044d5b5dSValentin Clement   mlir::LogicalResult
67044d5b5dSValentin Clement   matchAndRewrite(fir::HasValueOp op, OpAdaptor adaptor,
68044d5b5dSValentin Clement                   mlir::ConversionPatternRewriter &rewriter) const override {
69044d5b5dSValentin Clement     rewriter.replaceOpWithNewOp<LLVM::ReturnOp>(op, adaptor.getOperands());
70044d5b5dSValentin Clement     return success();
71044d5b5dSValentin Clement   }
72044d5b5dSValentin Clement };
73044d5b5dSValentin Clement 
740c4a7a52SValentin Clement /// Lower `fir.global` operation to `llvm.global` operation.
750c4a7a52SValentin Clement /// `fir.insert_on_range` operations are replaced with constant dense attribute
760c4a7a52SValentin Clement /// if they are applied on the full range.
77044d5b5dSValentin Clement struct GlobalOpConversion : public FIROpConversion<fir::GlobalOp> {
78044d5b5dSValentin Clement   using FIROpConversion::FIROpConversion;
79044d5b5dSValentin Clement 
80044d5b5dSValentin Clement   mlir::LogicalResult
81044d5b5dSValentin Clement   matchAndRewrite(fir::GlobalOp global, OpAdaptor adaptor,
82044d5b5dSValentin Clement                   mlir::ConversionPatternRewriter &rewriter) const override {
83044d5b5dSValentin Clement     auto tyAttr = convertType(global.getType());
84044d5b5dSValentin Clement     if (global.getType().isa<fir::BoxType>())
85044d5b5dSValentin Clement       tyAttr = tyAttr.cast<mlir::LLVM::LLVMPointerType>().getElementType();
86044d5b5dSValentin Clement     auto loc = global.getLoc();
87044d5b5dSValentin Clement     mlir::Attribute initAttr{};
88044d5b5dSValentin Clement     if (global.initVal())
89044d5b5dSValentin Clement       initAttr = global.initVal().getValue();
90044d5b5dSValentin Clement     auto linkage = convertLinkage(global.linkName());
91044d5b5dSValentin Clement     auto isConst = global.constant().hasValue();
92044d5b5dSValentin Clement     auto g = rewriter.create<mlir::LLVM::GlobalOp>(
93044d5b5dSValentin Clement         loc, tyAttr, isConst, linkage, global.sym_name(), initAttr);
94044d5b5dSValentin Clement     auto &gr = g.getInitializerRegion();
95044d5b5dSValentin Clement     rewriter.inlineRegionBefore(global.region(), gr, gr.end());
96044d5b5dSValentin Clement     if (!gr.empty()) {
97044d5b5dSValentin Clement       // Replace insert_on_range with a constant dense attribute if the
98044d5b5dSValentin Clement       // initialization is on the full range.
99044d5b5dSValentin Clement       auto insertOnRangeOps = gr.front().getOps<fir::InsertOnRangeOp>();
100044d5b5dSValentin Clement       for (auto insertOp : insertOnRangeOps) {
101044d5b5dSValentin Clement         if (isFullRange(insertOp.coor(), insertOp.getType())) {
102044d5b5dSValentin Clement           auto seqTyAttr = convertType(insertOp.getType());
103044d5b5dSValentin Clement           auto *op = insertOp.val().getDefiningOp();
104044d5b5dSValentin Clement           auto constant = mlir::dyn_cast<mlir::arith::ConstantOp>(op);
105044d5b5dSValentin Clement           if (!constant) {
106044d5b5dSValentin Clement             auto convertOp = mlir::dyn_cast<fir::ConvertOp>(op);
107044d5b5dSValentin Clement             if (!convertOp)
108044d5b5dSValentin Clement               continue;
109044d5b5dSValentin Clement             constant = cast<mlir::arith::ConstantOp>(
110044d5b5dSValentin Clement                 convertOp.value().getDefiningOp());
111044d5b5dSValentin Clement           }
112044d5b5dSValentin Clement           mlir::Type vecType = mlir::VectorType::get(
113044d5b5dSValentin Clement               insertOp.getType().getShape(), constant.getType());
114044d5b5dSValentin Clement           auto denseAttr = mlir::DenseElementsAttr::get(
115044d5b5dSValentin Clement               vecType.cast<ShapedType>(), constant.value());
116044d5b5dSValentin Clement           rewriter.setInsertionPointAfter(insertOp);
117044d5b5dSValentin Clement           rewriter.replaceOpWithNewOp<mlir::arith::ConstantOp>(
118044d5b5dSValentin Clement               insertOp, seqTyAttr, denseAttr);
119044d5b5dSValentin Clement         }
120044d5b5dSValentin Clement       }
121044d5b5dSValentin Clement     }
122044d5b5dSValentin Clement     rewriter.eraseOp(global);
123044d5b5dSValentin Clement     return success();
124044d5b5dSValentin Clement   }
125044d5b5dSValentin Clement 
126044d5b5dSValentin Clement   bool isFullRange(mlir::ArrayAttr indexes, fir::SequenceType seqTy) const {
127044d5b5dSValentin Clement     auto extents = seqTy.getShape();
128044d5b5dSValentin Clement     if (indexes.size() / 2 != extents.size())
129044d5b5dSValentin Clement       return false;
130044d5b5dSValentin Clement     for (unsigned i = 0; i < indexes.size(); i += 2) {
131044d5b5dSValentin Clement       if (indexes[i].cast<IntegerAttr>().getInt() != 0)
132044d5b5dSValentin Clement         return false;
133044d5b5dSValentin Clement       if (indexes[i + 1].cast<IntegerAttr>().getInt() != extents[i / 2] - 1)
134044d5b5dSValentin Clement         return false;
135044d5b5dSValentin Clement     }
136044d5b5dSValentin Clement     return true;
137044d5b5dSValentin Clement   }
138044d5b5dSValentin Clement 
1390c4a7a52SValentin Clement   // TODO: String comparaison should be avoided. Replace linkName with an
1400c4a7a52SValentin Clement   // enumeration.
141044d5b5dSValentin Clement   mlir::LLVM::Linkage convertLinkage(Optional<StringRef> optLinkage) const {
142044d5b5dSValentin Clement     if (optLinkage.hasValue()) {
143044d5b5dSValentin Clement       auto name = optLinkage.getValue();
144044d5b5dSValentin Clement       if (name == "internal")
145044d5b5dSValentin Clement         return mlir::LLVM::Linkage::Internal;
146044d5b5dSValentin Clement       if (name == "linkonce")
147044d5b5dSValentin Clement         return mlir::LLVM::Linkage::Linkonce;
148044d5b5dSValentin Clement       if (name == "common")
149044d5b5dSValentin Clement         return mlir::LLVM::Linkage::Common;
150044d5b5dSValentin Clement       if (name == "weak")
151044d5b5dSValentin Clement         return mlir::LLVM::Linkage::Weak;
152044d5b5dSValentin Clement     }
153044d5b5dSValentin Clement     return mlir::LLVM::Linkage::External;
154044d5b5dSValentin Clement   }
155044d5b5dSValentin Clement };
156044d5b5dSValentin Clement 
157044d5b5dSValentin Clement // convert to LLVM IR dialect `undef`
158044d5b5dSValentin Clement struct UndefOpConversion : public FIROpConversion<fir::UndefOp> {
159044d5b5dSValentin Clement   using FIROpConversion::FIROpConversion;
160044d5b5dSValentin Clement 
161044d5b5dSValentin Clement   mlir::LogicalResult
162044d5b5dSValentin Clement   matchAndRewrite(fir::UndefOp undef, OpAdaptor,
163044d5b5dSValentin Clement                   mlir::ConversionPatternRewriter &rewriter) const override {
164044d5b5dSValentin Clement     rewriter.replaceOpWithNewOp<mlir::LLVM::UndefOp>(
165044d5b5dSValentin Clement         undef, convertType(undef.getType()));
166044d5b5dSValentin Clement     return success();
167044d5b5dSValentin Clement   }
168044d5b5dSValentin Clement };
169*a7a61359SValentin Clement 
170*a7a61359SValentin Clement struct ZeroOpConversion : public FIROpConversion<fir::ZeroOp> {
171*a7a61359SValentin Clement   using FIROpConversion::FIROpConversion;
172*a7a61359SValentin Clement 
173*a7a61359SValentin Clement   mlir::LogicalResult
174*a7a61359SValentin Clement   matchAndRewrite(fir::ZeroOp zero, OpAdaptor,
175*a7a61359SValentin Clement                   mlir::ConversionPatternRewriter &rewriter) const override {
176*a7a61359SValentin Clement     auto ty = convertType(zero.getType());
177*a7a61359SValentin Clement     if (ty.isa<mlir::LLVM::LLVMPointerType>()) {
178*a7a61359SValentin Clement       rewriter.replaceOpWithNewOp<mlir::LLVM::NullOp>(zero, ty);
179*a7a61359SValentin Clement     } else if (ty.isa<mlir::IntegerType>()) {
180*a7a61359SValentin Clement       rewriter.replaceOpWithNewOp<mlir::LLVM::ConstantOp>(
181*a7a61359SValentin Clement           zero, ty, mlir::IntegerAttr::get(zero.getType(), 0));
182*a7a61359SValentin Clement     } else if (mlir::LLVM::isCompatibleFloatingPointType(ty)) {
183*a7a61359SValentin Clement       rewriter.replaceOpWithNewOp<mlir::LLVM::ConstantOp>(
184*a7a61359SValentin Clement           zero, ty, mlir::FloatAttr::get(zero.getType(), 0.0));
185*a7a61359SValentin Clement     } else {
186*a7a61359SValentin Clement       // TODO: create ConstantAggregateZero for FIR aggregate/array types.
187*a7a61359SValentin Clement       return zero.emitOpError(
188*a7a61359SValentin Clement           "conversion of fir.zero with aggregate type not implemented yet");
189*a7a61359SValentin Clement     }
190*a7a61359SValentin Clement     return success();
191*a7a61359SValentin Clement   }
192*a7a61359SValentin Clement };
193044d5b5dSValentin Clement } // namespace
194044d5b5dSValentin Clement 
195044d5b5dSValentin Clement namespace {
196044d5b5dSValentin Clement /// Convert FIR dialect to LLVM dialect
197044d5b5dSValentin Clement ///
198044d5b5dSValentin Clement /// This pass lowers all FIR dialect operations to LLVM IR dialect. An
199044d5b5dSValentin Clement /// MLIR pass is used to lower residual Std dialect to LLVM IR dialect.
200044d5b5dSValentin Clement ///
201044d5b5dSValentin Clement /// This pass is not complete yet. We are upstreaming it in small patches.
202044d5b5dSValentin Clement class FIRToLLVMLowering : public fir::FIRToLLVMLoweringBase<FIRToLLVMLowering> {
203044d5b5dSValentin Clement public:
204044d5b5dSValentin Clement   mlir::ModuleOp getModule() { return getOperation(); }
205044d5b5dSValentin Clement 
206044d5b5dSValentin Clement   void runOnOperation() override final {
207044d5b5dSValentin Clement     auto *context = getModule().getContext();
208044d5b5dSValentin Clement     fir::LLVMTypeConverter typeConverter{getModule()};
209044d5b5dSValentin Clement     mlir::OwningRewritePatternList pattern(context);
210044d5b5dSValentin Clement     pattern.insert<AddrOfOpConversion, HasValueOpConversion, GlobalOpConversion,
211*a7a61359SValentin Clement                    UndefOpConversion, ZeroOpConversion>(typeConverter);
212044d5b5dSValentin Clement     mlir::populateStdToLLVMConversionPatterns(typeConverter, pattern);
213044d5b5dSValentin Clement     mlir::arith::populateArithmeticToLLVMConversionPatterns(typeConverter,
214044d5b5dSValentin Clement                                                             pattern);
215044d5b5dSValentin Clement     mlir::ConversionTarget target{*context};
216044d5b5dSValentin Clement     target.addLegalDialect<mlir::LLVM::LLVMDialect>();
217044d5b5dSValentin Clement 
218044d5b5dSValentin Clement     // required NOPs for applying a full conversion
219044d5b5dSValentin Clement     target.addLegalOp<mlir::ModuleOp>();
220044d5b5dSValentin Clement 
221044d5b5dSValentin Clement     // apply the patterns
222044d5b5dSValentin Clement     if (mlir::failed(mlir::applyFullConversion(getModule(), target,
223044d5b5dSValentin Clement                                                std::move(pattern)))) {
224044d5b5dSValentin Clement       signalPassFailure();
225044d5b5dSValentin Clement     }
226044d5b5dSValentin Clement   }
227044d5b5dSValentin Clement };
228044d5b5dSValentin Clement } // namespace
229044d5b5dSValentin Clement 
230044d5b5dSValentin Clement std::unique_ptr<mlir::Pass> fir::createFIRToLLVMPass() {
231044d5b5dSValentin Clement   return std::make_unique<FIRToLLVMLowering>();
232044d5b5dSValentin Clement }
233