lib/Target/X86/X86FixupLEAs.cpp

   1 //===-- X86FixupLEAs.cpp - use or replace LEA instructions -----------===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
   6 // License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // This file defines the pass which will find  instructions  which
  11 // can be re-written as LEA instructions in order to reduce pipeline
  12 // delays for some models of the Intel Atom family.
  13 //
  14 //===----------------------------------------------------------------------===//
  15
  16 #include "X86.h"
  17 #include "X86InstrInfo.h"
  18 #include "X86Subtarget.h"
  19 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  20 #include "llvm/CodeGen/LiveVariables.h"
  21 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
  22 #include "llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h"
  23 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
  24 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  25 #include "llvm/Support/Debug.h"
  26 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  27 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
  28 using namespace llvm;
  29
  30 #define DEBUG_TYPE "x86-fixup-LEAs"
  31
  32 STATISTIC(NumLEAs, "Number of LEA instructions created");
  33
  34 namespace {
  35   class FixupLEAPass : public MachineFunctionPass {
  36     enum RegUsageState { RU_NotUsed, RU_Write, RU_Read };
  37     static char ID;
  38     /// \brief Loop over all of the instructions in the basic block
  39     /// replacing applicable instructions with LEA instructions,
  40     /// where appropriate.
  41     bool processBasicBlock(MachineFunction &MF, MachineFunction::iterator MFI);
  42
  43     const char *getPassName() const override { return "X86 Atom LEA Fixup";}
  44
  45     /// \brief Given a machine register, look for the instruction
  46     /// which writes it in the current basic block. If found,
  47     /// try to replace it with an equivalent LEA instruction.
  48     /// If replacement succeeds, then also process the the newly created
  49     /// instruction.
  50     void  seekLEAFixup(MachineOperand& p, MachineBasicBlock::iterator& I,
  51                       MachineFunction::iterator MFI);
  52
  53     /// \brief Given a memory access or LEA instruction
  54     /// whose address mode uses a base and/or index register, look for
  55     /// an opportunity to replace the instruction which sets the base or index
  56     /// register with an equivalent LEA instruction.
  57     void processInstruction(MachineBasicBlock::iterator& I,
  58                             MachineFunction::iterator MFI);
  59
  60     /// \brief Given a LEA instruction which is unprofitable
  61     /// on Silvermont try to replace it with an equivalent ADD instruction
  62     void processInstructionForSLM(MachineBasicBlock::iterator& I,
  63                                   MachineFunction::iterator MFI);
  64
  65     /// \brief Determine if an instruction references a machine register
  66     /// and, if so, whether it reads or writes the register.
  67     RegUsageState usesRegister(MachineOperand& p,
  68                                MachineBasicBlock::iterator I);
  69
  70     /// \brief Step backwards through a basic block, looking
  71     /// for an instruction which writes a register within
  72     /// a maximum of INSTR_DISTANCE_THRESHOLD instruction latency cycles.
  73     MachineBasicBlock::iterator searchBackwards(MachineOperand& p,
  74                                                 MachineBasicBlock::iterator& I,
  75                                                 MachineFunction::iterator MFI);
  76
  77     /// \brief if an instruction can be converted to an
  78     /// equivalent LEA, insert the new instruction into the basic block
  79     /// and return a pointer to it. Otherwise, return zero.
  80     MachineInstr* postRAConvertToLEA(MachineFunction::iterator &MFI,
  81                                      MachineBasicBlock::iterator &MBBI) const;
  82
  83   public:
  84     FixupLEAPass() : MachineFunctionPass(ID) {}
  85
  86     /// \brief Loop over all of the basic blocks,
  87     /// replacing instructions by equivalent LEA instructions
  88     /// if needed and when possible.
  89     bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) override;
  90
  91   private:
  92     MachineFunction *MF;
  93     const TargetMachine *TM;
  94     const X86InstrInfo *TII; // Machine instruction info.
  95
  96   };
  97   char FixupLEAPass::ID = 0;
  98 }
  99
 100 MachineInstr *
 101 FixupLEAPass::postRAConvertToLEA(MachineFunction::iterator &MFI,
 102                                  MachineBasicBlock::iterator &MBBI) const {
 103   MachineInstr* MI = MBBI;
 104   MachineInstr* NewMI;
 105   switch (MI->getOpcode()) {
 106   case X86::MOV32rr:
 107   case X86::MOV64rr: {
 108     const MachineOperand& Src = MI->getOperand(1);
 109     const MachineOperand& Dest = MI->getOperand(0);
 110     NewMI = BuildMI(*MF, MI->getDebugLoc(),
 111       TII->get( MI->getOpcode() == X86::MOV32rr ? X86::LEA32r : X86::LEA64r))
 112       .addOperand(Dest)
 113       .addOperand(Src).addImm(1).addReg(0).addImm(0).addReg(0);
 114     MFI->insert(MBBI, NewMI);   // Insert the new inst
 115     return NewMI;
 116   }
 117   case X86::ADD64ri32:
 118   case X86::ADD64ri8:
 119   case X86::ADD64ri32_DB:
 120   case X86::ADD64ri8_DB:
 121   case X86::ADD32ri:
 122   case X86::ADD32ri8:
 123   case X86::ADD32ri_DB:
 124   case X86::ADD32ri8_DB:
 125   case X86::ADD16ri:
 126   case X86::ADD16ri8:
 127   case X86::ADD16ri_DB:
 128   case X86::ADD16ri8_DB:
 129     if (!MI->getOperand(2).isImm()) {
 130       // convertToThreeAddress will call getImm()
 131       // which requires isImm() to be true
 132       return nullptr;
 133     }
 134     break;
 135   case X86::ADD16rr:
 136   case X86::ADD16rr_DB:
 137     if (MI->getOperand(1).getReg() != MI->getOperand(2).getReg()) {
 138       // if src1 != src2, then convertToThreeAddress will
 139       // need to create a Virtual register, which we cannot do
 140       // after register allocation.
 141       return nullptr;
 142     }
 143   }
 144   return TII->convertToThreeAddress(MFI, MBBI, nullptr);
 145 }
 146
 147 FunctionPass *llvm::createX86FixupLEAs() {
 148   return new FixupLEAPass();
 149 }
 150
 151 bool FixupLEAPass::runOnMachineFunction(MachineFunction &Func) {
 152   TM = &Func.getTarget();
 153   const X86Subtarget &ST = TM->getSubtarget<X86Subtarget>();
 154   if (!ST.LEAusesAG() && !ST.slowLEA())
 155     return false;
 156
 157   TII = static_cast<const X86InstrInfo*>(TM->getInstrInfo());
 158
 159   DEBUG(dbgs() << "Start X86FixupLEAs\n";);
 160   // Process all basic blocks.
 161   for (MachineFunction::iterator I = Func.begin(), E = Func.end(); I != E; ++I)
 162     processBasicBlock(Func, I);
 163   DEBUG(dbgs() << "End X86FixupLEAs\n";);
 164
 165   return true;
 166 }
 167
 168 FixupLEAPass::RegUsageState FixupLEAPass::usesRegister(MachineOperand& p,
 169                                 MachineBasicBlock::iterator I) {
 170   RegUsageState RegUsage = RU_NotUsed;
 171   MachineInstr* MI = I;
 172
 173   for (unsigned int i = 0; i < MI->getNumOperands(); ++i) {
 174     MachineOperand& opnd = MI->getOperand(i);
 175     if (opnd.isReg() && opnd.getReg() == p.getReg()){
 176       if (opnd.isDef())
 177         return RU_Write;
 178       RegUsage = RU_Read;
 179     }
 180   }
 181   return RegUsage;
 182 }
 183
 184 /// getPreviousInstr - Given a reference to an instruction in a basic
 185 /// block, return a reference to the previous instruction in the block,
 186 /// wrapping around to the last instruction of the block if the block
 187 /// branches to itself.
 188 static inline bool getPreviousInstr(MachineBasicBlock::iterator& I,
 189                                     MachineFunction::iterator MFI) {
 190   if (I == MFI->begin()) {
 191     if (MFI->isPredecessor(MFI)) {
 192       I = --MFI->end();
 193       return true;
 194     }
 195     else
 196       return false;
 197   }
 198   --I;
 199   return true;
 200 }
 201
 202 MachineBasicBlock::iterator FixupLEAPass::searchBackwards(MachineOperand& p,
 203                                    MachineBasicBlock::iterator& I,
 204                                    MachineFunction::iterator MFI) {
 205   int InstrDistance = 1;
 206   MachineBasicBlock::iterator CurInst;
 207   static const int INSTR_DISTANCE_THRESHOLD = 5;
 208
 209   CurInst = I;
 210   bool Found;
 211   Found = getPreviousInstr(CurInst, MFI);
 212   while( Found && I != CurInst) {
 213     if (CurInst->isCall() || CurInst->isInlineAsm())
 214       break;
 215     if (InstrDistance > INSTR_DISTANCE_THRESHOLD)
 216       break; // too far back to make a difference
 217     if (usesRegister(p, CurInst) == RU_Write){
 218       return CurInst;
 219     }
 220     InstrDistance += TII->getInstrLatency(TM->getInstrItineraryData(), CurInst);
 221     Found = getPreviousInstr(CurInst, MFI);
 222   }
 223   return nullptr;
 224 }
 225
 226 void FixupLEAPass::processInstruction(MachineBasicBlock::iterator& I,
 227                                       MachineFunction::iterator MFI) {
 228   // Process a load, store, or LEA instruction.
 229   MachineInstr *MI = I;
 230   int opcode = MI->getOpcode();
 231   const MCInstrDesc& Desc = MI->getDesc();
 232   int AddrOffset = X86II::getMemoryOperandNo(Desc.TSFlags, opcode);
 233   if (AddrOffset >= 0) {
 234     AddrOffset += X86II::getOperandBias(Desc);
 235     MachineOperand& p = MI->getOperand(AddrOffset + X86::AddrBaseReg);
 236     if (p.isReg() && p.getReg() != X86::ESP) {
 237       seekLEAFixup(p, I, MFI);
 238     }
 239     MachineOperand& q = MI->getOperand(AddrOffset + X86::AddrIndexReg);
 240     if (q.isReg() && q.getReg() != X86::ESP) {
 241       seekLEAFixup(q, I, MFI);
 242     }
 243   }
 244 }
 245
 246 void FixupLEAPass::seekLEAFixup(MachineOperand& p,
 247                                 MachineBasicBlock::iterator& I,
 248                                 MachineFunction::iterator MFI) {
 249   MachineBasicBlock::iterator MBI = searchBackwards(p, I, MFI);
 250   if (MBI) {
 251     MachineInstr* NewMI = postRAConvertToLEA(MFI, MBI);
 252     if (NewMI) {
 253       ++NumLEAs;
 254       DEBUG(dbgs() << "FixLEA: Candidate to replace:"; MBI->dump(););
 255       // now to replace with an equivalent LEA...
 256       DEBUG(dbgs() << "FixLEA: Replaced by: "; NewMI->dump(););
 257       MFI->erase(MBI);
 258       MachineBasicBlock::iterator J =
 259                              static_cast<MachineBasicBlock::iterator> (NewMI);
 260       processInstruction(J, MFI);
 261     }
 262   }
 263 }
 264
 265 void FixupLEAPass::processInstructionForSLM(MachineBasicBlock::iterator &I,
 266                                             MachineFunction::iterator MFI) {
 267   MachineInstr *MI = I;
 268   const int opcode = MI->getOpcode();
 269   if (opcode != X86::LEA16r && opcode != X86::LEA32r && opcode != X86::LEA64r &&
 270       opcode != X86::LEA64_32r)
 271     return;
 272   if (MI->getOperand(5).getReg() != 0 || !MI->getOperand(4).isImm() ||
 273       !TII->isSafeToClobberEFLAGS(*MFI, I))
 274     return;
 275   const unsigned DstR = MI->getOperand(0).getReg();
 276   const unsigned SrcR1 = MI->getOperand(1).getReg();
 277   const unsigned SrcR2 = MI->getOperand(3).getReg();
 278   if ((SrcR1 == 0 || SrcR1 != DstR) && (SrcR2 == 0 || SrcR2 != DstR))
 279     return;
 280   if (MI->getOperand(2).getImm() > 1)
 281     return;
 282   int addrr_opcode, addri_opcode;
 283   switch (opcode) {
 284   case X86::LEA16r:
 285     addrr_opcode = X86::ADD16rr;
 286     addri_opcode = X86::ADD16ri;
 287     break;
 288   case X86::LEA32r:
 289     addrr_opcode = X86::ADD32rr;
 290     addri_opcode = X86::ADD32ri;
 291     break;
 292   case X86::LEA64_32r:
 293   case X86::LEA64r:
 294     addrr_opcode = X86::ADD64rr;
 295     addri_opcode = X86::ADD64ri32;
 296     break;
 297   default:
 298     assert(false && "Unexpected LEA instruction");
 299   }
 300   DEBUG(dbgs() << "FixLEA: Candidate to replace:"; I->dump(););
 301   DEBUG(dbgs() << "FixLEA: Replaced by: ";);
 302   MachineInstr *NewMI = 0;
 303   const MachineOperand &Dst = MI->getOperand(0);
 304   // Make ADD instruction for two registers writing to LEA's destination
 305   if (SrcR1 != 0 && SrcR2 != 0) {
 306     const MachineOperand &Src1 = MI->getOperand(SrcR1 == DstR ? 1 : 3);
 307     const MachineOperand &Src2 = MI->getOperand(SrcR1 == DstR ? 3 : 1);
 308     NewMI = BuildMI(*MF, MI->getDebugLoc(), TII->get(addrr_opcode))
 309                 .addOperand(Dst)
 310                 .addOperand(Src1)
 311                 .addOperand(Src2);
 312     MFI->insert(I, NewMI);
 313     DEBUG(NewMI->dump(););
 314   }
 315   // Make ADD instruction for immediate
 316   if (MI->getOperand(4).getImm() != 0) {
 317     const MachineOperand &SrcR = MI->getOperand(SrcR1 == DstR ? 1 : 3);
 318     NewMI = BuildMI(*MF, MI->getDebugLoc(), TII->get(addri_opcode))
 319                 .addOperand(Dst)
 320                 .addOperand(SrcR)
 321                 .addImm(MI->getOperand(4).getImm());
 322     MFI->insert(I, NewMI);
 323     DEBUG(NewMI->dump(););
 324   }
 325   if (NewMI) {
 326     MFI->erase(I);
 327     I = static_cast<MachineBasicBlock::iterator>(NewMI);
 328   }
 329 }
 330
 331 bool FixupLEAPass::processBasicBlock(MachineFunction &MF,
 332                                      MachineFunction::iterator MFI) {
 333
 334   for (MachineBasicBlock::iterator I = MFI->begin(); I != MFI->end(); ++I) {
 335     if (TM->getSubtarget<X86Subtarget>().isSLM())
 336       processInstructionForSLM(I, MFI);
 337     else
 338       processInstruction(I, MFI);
 339   }
 340   return false;
 341 }