MIsched: add an ILP window property to machine model.
[oota-llvm.git] / include / llvm / Target / TargetSchedule.td
1 //===- TargetSchedule.td - Target Independent Scheduling ---*- tablegen -*-===//
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 target-independent scheduling interfaces which should
11 // be implemented by each target which is using TableGen based scheduling.
12 //
13 // The SchedMachineModel is defined by subtargets for three categories of data:
14 // 1. Basic properties for coarse grained instruction cost model.
15 // 2. Scheduler Read/Write resources for simple per-opcode cost model.
16 // 3. Instruction itineraties for detailed reservation tables.
17 //
18 // (1) Basic properties are defined by the SchedMachineModel
19 // class. Target hooks allow subtargets to associate opcodes with
20 // those properties.
21 //
22 // (2) A per-operand machine model can be implemented in any
23 // combination of the following ways:
24 //
25 // A. Associate per-operand SchedReadWrite types with Instructions by
26 // modifying the Instruction definition to inherit from Sched. For
27 // each subtarget, define WriteRes and ReadAdvance to associate
28 // processor resources and latency with each SchedReadWrite type.
29 //
30 // B. In each instruction definition, name an ItineraryClass. For each
31 // subtarget, define ItinRW entries to map ItineraryClass to
32 // per-operand SchedReadWrite types. Unlike method A, these types may
33 // be subtarget specific and can be directly associated with resources
34 // by defining SchedWriteRes and SchedReadAdvance.
35 //
36 // C. In the subtarget, map SchedReadWrite types to specific
37 // opcodes. This overrides any SchedReadWrite types or
38 // ItineraryClasses defined by the Instruction. As in method B, the
39 // subtarget can directly associate resources with SchedReadWrite
40 // types by defining SchedWriteRes and SchedReadAdvance.
41 //
42 // D. In either the target or subtarget, define SchedWriteVariant or
43 // SchedReadVariant to map one SchedReadWrite type onto another
44 // sequence of SchedReadWrite types. This allows dynamic selection of
45 // an instruction's machine model via custom C++ code. It also allows
46 // a machine-independent SchedReadWrite type to map to a sequence of
47 // machine-dependent types.
48 //
49 // (3) A per-pipeline-stage machine model can be implemented by providing
50 // Itineraries in addition to mapping instructions to ItineraryClasses.
51 //===----------------------------------------------------------------------===//
52
53 // Include legacy support for instruction itineraries.
54 include "llvm/Target/TargetItinerary.td"
55
56 class Instruction; // Forward def
57
58 // DAG operator that interprets the DAG args as Instruction defs.
59 def instrs;
60
61 // DAG operator that interprets each DAG arg as a regex pattern for
62 // matching Instruction opcode names.
63 // The regex must match the beginning of the opcode (as in Python re.match).
64 // To avoid matching prefixes, append '$' to the pattern.
65 def instregex;
66
67 // Define the SchedMachineModel and provide basic properties for
68 // coarse grained instruction cost model. Default values for the
69 // properties are defined in MCSchedModel. A value of "-1" in the
70 // target description's SchedMachineModel indicates that the property
71 // is not overriden by the target.
72 //
73 // Target hooks allow subtargets to associate LoadLatency and
74 // HighLatency with groups of opcodes.
75 class SchedMachineModel {
76   int IssueWidth = -1; // Max micro-ops that may be scheduled per cycle.
77   int MinLatency = -1; // Determines which instrucions are allowed in a group.
78                        // (-1) inorder (0) ooo, (1): inorder +var latencies.
79   int ILPWindow = -1;  // Cycles of latency likely hidden by hardware buffers.
80   int LoadLatency = -1; // Cycles for loads to access the cache.
81   int HighLatency = -1; // Approximation of cycles for "high latency" ops.
82   int MispredictPenalty = -1; // Extra cycles for a mispredicted branch.
83
84   // Per-cycle resources tables.
85   ProcessorItineraries Itineraries = NoItineraries;
86
87   bit NoModel = 0; // Special tag to indicate missing machine model.
88 }
89
90 def NoSchedModel : SchedMachineModel {
91   let NoModel = 1;
92 }
93
94 // Define a kind of processor resource that may be common across
95 // similar subtargets.
96 class ProcResourceKind;
97
98 // Define a number of interchangeable processor resources. NumUnits
99 // determines the throughput of instructions that require the resource.
100 //
101 // An optional Super resource may be given to model these resources as
102 // a subset of the more general super resources. Using one of these
103 // resources implies using one of the super resoruces.
104 //
105 // ProcResourceUnits normally model a few buffered resources within an
106 // out-of-order engine that the compiler attempts to conserve.
107 // Buffered resources may be held for multiple clock cycles, but the
108 // scheduler does not pin them to a particular clock cycle relative to
109 // instruction dispatch. Setting Buffered=0 changes this to an
110 // in-order resource. In this case, the scheduler counts down from the
111 // cycle that the instruction issues in-order, forcing an interlock
112 // with subsequent instructions that require the same resource until
113 // the number of ResourceCyles specified in WriteRes expire.
114 //
115 // SchedModel ties these units to a processor for any stand-alone defs
116 // of this class. Instances of subclass ProcResource will be automatically
117 // attached to a processor, so SchedModel is not needed.
118 class ProcResourceUnits<ProcResourceKind kind, int num> {
119   ProcResourceKind Kind = kind;
120   int NumUnits = num;
121   ProcResourceKind Super = ?;
122   bit Buffered = 1;
123   SchedMachineModel SchedModel = ?;
124 }
125
126 // EponymousProcResourceKind helps implement ProcResourceUnits by
127 // allowing a ProcResourceUnits definition to reference itself. It
128 // should not be referenced anywhere else.
129 def EponymousProcResourceKind : ProcResourceKind;
130
131 // Subtargets typically define processor resource kind and number of
132 // units in one place.
133 class ProcResource<int num> : ProcResourceKind,
134   ProcResourceUnits<EponymousProcResourceKind, num>;
135
136 // A target architecture may define SchedReadWrite types and associate
137 // them with instruction operands.
138 class SchedReadWrite;
139
140 // List the per-operand types that map to the machine model of an
141 // instruction. One SchedWrite type must be listed for each explicit
142 // def operand in order. Additional SchedWrite types may optionally be
143 // listed for implicit def operands.  SchedRead types may optionally
144 // be listed for use operands in order. The order of defs relative to
145 // uses is insignificant. This way, the same SchedReadWrite list may
146 // be used for multiple forms of an operation. For example, a
147 // two-address instruction could have two tied operands or single
148 // operand that both reads and writes a reg. In both cases we have a
149 // single SchedWrite and single SchedRead in any order.
150 class Sched<list<SchedReadWrite> schedrw> {
151   list<SchedReadWrite> SchedRW = schedrw;
152 }
153
154 // Define a scheduler resource associated with a def operand.
155 class SchedWrite : SchedReadWrite;
156 def NoWrite : SchedWrite;
157
158 // Define a scheduler resource associated with a use operand.
159 class SchedRead  : SchedReadWrite;
160
161 // Define a SchedWrite that is modeled as a sequence of other
162 // SchedWrites with additive latency. This allows a single operand to
163 // be mapped the resources composed from a set of previously defined
164 // SchedWrites.
165 //
166 // If the final write in this sequence is a SchedWriteVariant marked
167 // Variadic, then the list of prior writes are distributed across all
168 // operands after resolving the predicate for the final write.
169 //
170 // SchedModel silences warnings but is ignored.
171 class WriteSequence<list<SchedWrite> writes, int rep = 1> : SchedWrite {
172   list<SchedWrite> Writes = writes;
173   int Repeat = rep;
174   SchedMachineModel SchedModel = ?;
175 }
176
177 // Define values common to WriteRes and SchedWriteRes.
178 //
179 // SchedModel ties these resources to a processor.
180 class ProcWriteResources<list<ProcResourceKind> resources> {
181   list<ProcResourceKind> ProcResources = resources;
182   list<int> ResourceCycles = [];
183   int Latency = 1;
184   int NumMicroOps = 1;
185   bit BeginGroup = 0;
186   bit EndGroup = 0;
187   // Allow a processor to mark some scheduling classes as unsupported
188   // for stronger verification.
189   bit Unsupported = 0;
190   SchedMachineModel SchedModel = ?;
191 }
192
193 // Define the resources and latency of a SchedWrite. This will be used
194 // directly by targets that have no itinerary classes. In this case,
195 // SchedWrite is defined by the target, while WriteResources is
196 // defined by the subtarget, and maps the SchedWrite to processor
197 // resources.
198 //
199 // If a target already has itinerary classes, SchedWriteResources can
200 // be used instead to define subtarget specific SchedWrites and map
201 // them to processor resources in one place. Then ItinRW can map
202 // itinerary classes to the subtarget's SchedWrites.
203 //
204 // ProcResources indicates the set of resources consumed by the write.
205 // Optionally, ResourceCycles indicates the number of cycles the
206 // resource is consumed. Each ResourceCycles item is paired with the
207 // ProcResource item at the same position in its list. Since
208 // ResourceCycles are rarely specialized, the list may be
209 // incomplete. By default, resources are consumed for a single cycle,
210 // regardless of latency, which models a fully pipelined processing
211 // unit. A value of 0 for ResourceCycles means that the resource must
212 // be available but is not consumed, which is only relevant for
213 // unbuffered resources.
214 //
215 // By default, each SchedWrite takes one micro-op, which is counted
216 // against the processor's IssueWidth limit. If an instruction can
217 // write multiple registers with a single micro-op, the subtarget
218 // should define one of the writes to be zero micro-ops. If a
219 // subtarget requires multiple micro-ops to write a single result, it
220 // should either override the write's NumMicroOps to be greater than 1
221 // or require additional writes. Extra writes can be required either
222 // by defining a WriteSequence, or simply listing extra writes in the
223 // instruction's list of writers beyond the number of "def"
224 // operands. The scheduler assumes that all micro-ops must be
225 // dispatched in the same cycle. These micro-ops may be required to
226 // begin or end the current dispatch group.
227 class WriteRes<SchedWrite write, list<ProcResourceKind> resources>
228   : ProcWriteResources<resources> {
229   SchedWrite WriteType = write;
230 }
231
232 // Directly name a set of WriteResources defining a new SchedWrite
233 // type at the same time. This class is unaware of its SchedModel so
234 // must be referenced by InstRW or ItinRW.
235 class SchedWriteRes<list<ProcResourceKind> resources> : SchedWrite,
236   ProcWriteResources<resources>;
237
238 // Define values common to ReadAdvance and SchedReadAdvance.
239 //
240 // SchedModel ties these resources to a processor.
241 class ProcReadAdvance<int cycles, list<SchedWrite> writes = []> {
242   int Cycles = cycles;
243   list<SchedWrite> ValidWrites = writes;
244   // Allow a processor to mark some scheduling classes as unsupported
245   // for stronger verification.
246   bit Unsupported = 0;
247   SchedMachineModel SchedModel = ?;
248 }
249
250 // A processor may define a ReadAdvance associated with a SchedRead
251 // to reduce latency of a prior write by N cycles. A negative advance
252 // effectively increases latency, which may be used for cross-domain
253 // stalls.
254 //
255 // A ReadAdvance may be associated with a list of SchedWrites
256 // to implement pipeline bypass. The Writes list may be empty to
257 // indicate operands that are always read this number of Cycles later
258 // than a normal register read, allowing the read's parent instruction
259 // to issue earlier relative to the writer.
260 class ReadAdvance<SchedRead read, int cycles, list<SchedWrite> writes = []>
261   : ProcReadAdvance<cycles, writes> {
262   SchedRead ReadType = read;
263 }
264
265 // Directly associate a new SchedRead type with a delay and optional
266 // pipeline bypess. For use with InstRW or ItinRW.
267 class SchedReadAdvance<int cycles, list<SchedWrite> writes = []> : SchedRead,
268   ProcReadAdvance<cycles, writes>;
269
270 // Define SchedRead defaults. Reads seldom need special treatment.
271 def ReadDefault : SchedRead;
272 def NoReadAdvance : SchedReadAdvance<0>;
273
274 // Define shared code that will be in the same scope as all
275 // SchedPredicates. Available variables are:
276 // (const MachineInstr *MI, const TargetSchedModel *SchedModel)
277 class PredicateProlog<code c> {
278   code Code = c;
279 }
280
281 // Define a predicate to determine which SchedVariant applies to a
282 // particular MachineInstr. The code snippet is used as an
283 // if-statement's expression. Available variables are MI, SchedModel,
284 // and anything defined in a PredicateProlog.
285 //
286 // SchedModel silences warnings but is ignored.
287 class SchedPredicate<code pred> {
288   SchedMachineModel SchedModel = ?;
289   code Predicate = pred;
290 }
291 def NoSchedPred : SchedPredicate<[{true}]>;
292
293 // Associate a predicate with a list of SchedReadWrites. By default,
294 // the selected SchedReadWrites are still associated with a single
295 // operand and assumed to execute sequentially with additive
296 // latency. However, if the parent SchedWriteVariant or
297 // SchedReadVariant is marked "Variadic", then each Selected
298 // SchedReadWrite is mapped in place to the instruction's variadic
299 // operands. In this case, latency is not additive. If the current Variant
300 // is already part of a Sequence, then that entire chain leading up to
301 // the Variant is distributed over the variadic operands.
302 class SchedVar<SchedPredicate pred, list<SchedReadWrite> selected> {
303   SchedPredicate Predicate = pred;
304   list<SchedReadWrite> Selected = selected;
305 }
306
307 // SchedModel silences warnings but is ignored.
308 class SchedVariant<list<SchedVar> variants> {
309   list<SchedVar> Variants = variants;
310   bit Variadic = 0;
311   SchedMachineModel SchedModel = ?;
312 }
313
314 // A SchedWriteVariant is a single SchedWrite type that maps to a list
315 // of SchedWrite types under the conditions defined by its predicates.
316 //
317 // A Variadic write is expanded to cover multiple "def" operands. The
318 // SchedVariant's Expansion list is then interpreted as one write
319 // per-operand instead of the usual sequential writes feeding a single
320 // operand.
321 class SchedWriteVariant<list<SchedVar> variants> : SchedWrite,
322   SchedVariant<variants> {
323 }
324
325 // A SchedReadVariant is a single SchedRead type that maps to a list
326 // of SchedRead types under the conditions defined by its predicates.
327 //
328 // A Variadic write is expanded to cover multiple "readsReg" operands as
329 // explained above.
330 class SchedReadVariant<list<SchedVar> variants> : SchedRead,
331   SchedVariant<variants> {
332 }
333
334 // Map a set of opcodes to a list of SchedReadWrite types. This allows
335 // the subtarget to easily override specific operations.
336 //
337 // SchedModel ties this opcode mapping to a processor.
338 class InstRW<list<SchedReadWrite> rw, dag instrlist> {
339   list<SchedReadWrite> OperandReadWrites = rw;
340   dag Instrs = instrlist;
341   SchedMachineModel SchedModel = ?;
342 }
343
344 // Map a set of itinerary classes to SchedReadWrite resources. This is
345 // used to bootstrap a target (e.g. ARM) when itineraries already
346 // exist and changing InstrInfo is undesirable.
347 //
348 // SchedModel ties this ItineraryClass mapping to a processor.
349 class ItinRW<list<SchedReadWrite> rw, list<InstrItinClass> iic> {
350   list<InstrItinClass> MatchedItinClasses = iic;
351   list<SchedReadWrite> OperandReadWrites = rw;
352   SchedMachineModel SchedModel = ?;
353 }
354
355 // Alias a target-defined SchedReadWrite to a processor specific
356 // SchedReadWrite. This allows a subtarget to easily map a
357 // SchedReadWrite type onto a WriteSequence, SchedWriteVariant, or
358 // SchedReadVariant.
359 //
360 // SchedModel will usually be provided by surrounding let statement
361 // and ties this SchedAlias mapping to a processor.
362 class SchedAlias<SchedReadWrite match, SchedReadWrite alias> {
363   SchedReadWrite MatchRW = match;
364   SchedReadWrite AliasRW = alias;
365   SchedMachineModel SchedModel = ?;
366 }