Machine model comments. Explain a ProcessorUnit's BufferSize.
[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 //
76 // See MCSchedule.h for detailed comments.
77 class SchedMachineModel {
78   int IssueWidth = -1; // Max micro-ops that may be scheduled per cycle.
79   int MinLatency = -1; // Determines which instructions are allowed in a group.
80                        // (-1) inorder (0) ooo, (1): inorder +var latencies.
81   int MicroOpBufferSize = -1; // Max micro-ops that can be buffered.
82   int LoadLatency = -1; // Cycles for loads to access the cache.
83   int HighLatency = -1; // Approximation of cycles for "high latency" ops.
84   int MispredictPenalty = -1; // Extra cycles for a mispredicted branch.
85
86   // Per-cycle resources tables.
87   ProcessorItineraries Itineraries = NoItineraries;
88
89   // Subtargets that define a model for only a subset of instructions
90   // that have a scheduling class (itinerary class or SchedRW list)
91   // and may actually be generated for that subtarget must clear this
92   // bit. Otherwise, the scheduler considers an unmodelled opcode to
93   // be an error. This should only be set during initial bringup,
94   // or there will be no way to catch simple errors in the model
95   // resulting from changes to the instruction definitions.
96   bit CompleteModel = 1;
97
98   bit NoModel = 0; // Special tag to indicate missing machine model.
99 }
100
101 def NoSchedModel : SchedMachineModel {
102   let NoModel = 1;
103 }
104
105 // Define a kind of processor resource that may be common across
106 // similar subtargets.
107 class ProcResourceKind;
108
109 // Define a number of interchangeable processor resources. NumUnits
110 // determines the throughput of instructions that require the resource.
111 //
112 // An optional Super resource may be given to model these resources as
113 // a subset of the more general super resources. Using one of these
114 // resources implies using one of the super resoruces.
115 //
116 // ProcResourceUnits normally model a few buffered resources within an
117 // out-of-order engine. Buffered resources may be held for multiple
118 // clock cycles, but the scheduler does not pin them to a particular
119 // clock cycle relative to instruction dispatch. Setting BufferSize=0
120 // changes this to an in-order issue/dispatch resource. In this case,
121 // the scheduler counts down from the cycle that the instruction
122 // issues in-order, forcing a stall whenever a subsequent instruction
123 // requires the same resource until the number of ResourceCyles
124 // specified in WriteRes expire. Setting BufferSize=1 changes this to
125 // an in-order latency resource. In this case, the scheduler models
126 // producer/consumer stalls between instructions that use the
127 // resource.
128 //
129 // Examples (all assume an out-of-order engine):
130 //
131 // Use BufferSize = -1 for "issue ports" fed by a unified reservation
132 // station. Here the size of the reservation station is modeled by
133 // MicroOpBufferSize, which should be the minimum size of either the
134 // register rename pool, unified reservation station, or reorder
135 // buffer.
136 //
137 // Use BufferSize = 0 for resources that force "dispatch/issue
138 // groups". (Different processors define dispath/issue
139 // differently. Here we refer to stage between decoding into micro-ops
140 // and moving them into a reservation station.) Normally NumMicroOps
141 // is sufficient to limit dispatch/issue groups. However, some
142 // processors can form groups of with only certain combinitions of
143 // instruction types. e.g. POWER7.
144 //
145 // Use BufferSize = 1 for in-order execution units. This is used for
146 // an in-order pipeline within an out-of-order core where scheduling
147 // dependent operations back-to-back is guaranteed to cause a
148 // bubble. e.g. Cortex-a9 floating-point.
149 //
150 // Use BufferSize > 1 for out-of-order executions units with a
151 // separate reservation station. This simply models the size of the
152 // reservation station.
153 //
154 // To model both dispatch/issue groups and in-order execution units,
155 // create two types of units, one with BufferSize=0 and one with
156 // BufferSize=1.
157 //
158 // SchedModel ties these units to a processor for any stand-alone defs
159 // of this class. Instances of subclass ProcResource will be automatically
160 // attached to a processor, so SchedModel is not needed.
161 class ProcResourceUnits<ProcResourceKind kind, int num> {
162   ProcResourceKind Kind = kind;
163   int NumUnits = num;
164   ProcResourceKind Super = ?;
165   int BufferSize = -1;
166   SchedMachineModel SchedModel = ?;
167 }
168
169 // EponymousProcResourceKind helps implement ProcResourceUnits by
170 // allowing a ProcResourceUnits definition to reference itself. It
171 // should not be referenced anywhere else.
172 def EponymousProcResourceKind : ProcResourceKind;
173
174 // Subtargets typically define processor resource kind and number of
175 // units in one place.
176 class ProcResource<int num> : ProcResourceKind,
177   ProcResourceUnits<EponymousProcResourceKind, num>;
178
179 class ProcResGroup<list<ProcResource> resources> : ProcResourceKind {
180   list<ProcResource> Resources = resources;
181   SchedMachineModel SchedModel = ?;
182   int BufferSize = -1;
183 }
184
185 // A target architecture may define SchedReadWrite types and associate
186 // them with instruction operands.
187 class SchedReadWrite;
188
189 // List the per-operand types that map to the machine model of an
190 // instruction. One SchedWrite type must be listed for each explicit
191 // def operand in order. Additional SchedWrite types may optionally be
192 // listed for implicit def operands.  SchedRead types may optionally
193 // be listed for use operands in order. The order of defs relative to
194 // uses is insignificant. This way, the same SchedReadWrite list may
195 // be used for multiple forms of an operation. For example, a
196 // two-address instruction could have two tied operands or single
197 // operand that both reads and writes a reg. In both cases we have a
198 // single SchedWrite and single SchedRead in any order.
199 class Sched<list<SchedReadWrite> schedrw> {
200   list<SchedReadWrite> SchedRW = schedrw;
201 }
202
203 // Define a scheduler resource associated with a def operand.
204 class SchedWrite : SchedReadWrite;
205 def NoWrite : SchedWrite;
206
207 // Define a scheduler resource associated with a use operand.
208 class SchedRead  : SchedReadWrite;
209
210 // Define a SchedWrite that is modeled as a sequence of other
211 // SchedWrites with additive latency. This allows a single operand to
212 // be mapped the resources composed from a set of previously defined
213 // SchedWrites.
214 //
215 // If the final write in this sequence is a SchedWriteVariant marked
216 // Variadic, then the list of prior writes are distributed across all
217 // operands after resolving the predicate for the final write.
218 //
219 // SchedModel silences warnings but is ignored.
220 class WriteSequence<list<SchedWrite> writes, int rep = 1> : SchedWrite {
221   list<SchedWrite> Writes = writes;
222   int Repeat = rep;
223   SchedMachineModel SchedModel = ?;
224 }
225
226 // Define values common to WriteRes and SchedWriteRes.
227 //
228 // SchedModel ties these resources to a processor.
229 class ProcWriteResources<list<ProcResourceKind> resources> {
230   list<ProcResourceKind> ProcResources = resources;
231   list<int> ResourceCycles = [];
232   int Latency = 1;
233   int NumMicroOps = 1;
234   bit BeginGroup = 0;
235   bit EndGroup = 0;
236   // Allow a processor to mark some scheduling classes as unsupported
237   // for stronger verification.
238   bit Unsupported = 0;
239   SchedMachineModel SchedModel = ?;
240 }
241
242 // Define the resources and latency of a SchedWrite. This will be used
243 // directly by targets that have no itinerary classes. In this case,
244 // SchedWrite is defined by the target, while WriteResources is
245 // defined by the subtarget, and maps the SchedWrite to processor
246 // resources.
247 //
248 // If a target already has itinerary classes, SchedWriteResources can
249 // be used instead to define subtarget specific SchedWrites and map
250 // them to processor resources in one place. Then ItinRW can map
251 // itinerary classes to the subtarget's SchedWrites.
252 //
253 // ProcResources indicates the set of resources consumed by the write.
254 // Optionally, ResourceCycles indicates the number of cycles the
255 // resource is consumed. Each ResourceCycles item is paired with the
256 // ProcResource item at the same position in its list. Since
257 // ResourceCycles are rarely specialized, the list may be
258 // incomplete. By default, resources are consumed for a single cycle,
259 // regardless of latency, which models a fully pipelined processing
260 // unit. A value of 0 for ResourceCycles means that the resource must
261 // be available but is not consumed, which is only relevant for
262 // unbuffered resources.
263 //
264 // By default, each SchedWrite takes one micro-op, which is counted
265 // against the processor's IssueWidth limit. If an instruction can
266 // write multiple registers with a single micro-op, the subtarget
267 // should define one of the writes to be zero micro-ops. If a
268 // subtarget requires multiple micro-ops to write a single result, it
269 // should either override the write's NumMicroOps to be greater than 1
270 // or require additional writes. Extra writes can be required either
271 // by defining a WriteSequence, or simply listing extra writes in the
272 // instruction's list of writers beyond the number of "def"
273 // operands. The scheduler assumes that all micro-ops must be
274 // dispatched in the same cycle. These micro-ops may be required to
275 // begin or end the current dispatch group.
276 class WriteRes<SchedWrite write, list<ProcResourceKind> resources>
277   : ProcWriteResources<resources> {
278   SchedWrite WriteType = write;
279 }
280
281 // Directly name a set of WriteResources defining a new SchedWrite
282 // type at the same time. This class is unaware of its SchedModel so
283 // must be referenced by InstRW or ItinRW.
284 class SchedWriteRes<list<ProcResourceKind> resources> : SchedWrite,
285   ProcWriteResources<resources>;
286
287 // Define values common to ReadAdvance and SchedReadAdvance.
288 //
289 // SchedModel ties these resources to a processor.
290 class ProcReadAdvance<int cycles, list<SchedWrite> writes = []> {
291   int Cycles = cycles;
292   list<SchedWrite> ValidWrites = writes;
293   // Allow a processor to mark some scheduling classes as unsupported
294   // for stronger verification.
295   bit Unsupported = 0;
296   SchedMachineModel SchedModel = ?;
297 }
298
299 // A processor may define a ReadAdvance associated with a SchedRead
300 // to reduce latency of a prior write by N cycles. A negative advance
301 // effectively increases latency, which may be used for cross-domain
302 // stalls.
303 //
304 // A ReadAdvance may be associated with a list of SchedWrites
305 // to implement pipeline bypass. The Writes list may be empty to
306 // indicate operands that are always read this number of Cycles later
307 // than a normal register read, allowing the read's parent instruction
308 // to issue earlier relative to the writer.
309 class ReadAdvance<SchedRead read, int cycles, list<SchedWrite> writes = []>
310   : ProcReadAdvance<cycles, writes> {
311   SchedRead ReadType = read;
312 }
313
314 // Directly associate a new SchedRead type with a delay and optional
315 // pipeline bypess. For use with InstRW or ItinRW.
316 class SchedReadAdvance<int cycles, list<SchedWrite> writes = []> : SchedRead,
317   ProcReadAdvance<cycles, writes>;
318
319 // Define SchedRead defaults. Reads seldom need special treatment.
320 def ReadDefault : SchedRead;
321 def NoReadAdvance : SchedReadAdvance<0>;
322
323 // Define shared code that will be in the same scope as all
324 // SchedPredicates. Available variables are:
325 // (const MachineInstr *MI, const TargetSchedModel *SchedModel)
326 class PredicateProlog<code c> {
327   code Code = c;
328 }
329
330 // Define a predicate to determine which SchedVariant applies to a
331 // particular MachineInstr. The code snippet is used as an
332 // if-statement's expression. Available variables are MI, SchedModel,
333 // and anything defined in a PredicateProlog.
334 //
335 // SchedModel silences warnings but is ignored.
336 class SchedPredicate<code pred> {
337   SchedMachineModel SchedModel = ?;
338   code Predicate = pred;
339 }
340 def NoSchedPred : SchedPredicate<[{true}]>;
341
342 // Associate a predicate with a list of SchedReadWrites. By default,
343 // the selected SchedReadWrites are still associated with a single
344 // operand and assumed to execute sequentially with additive
345 // latency. However, if the parent SchedWriteVariant or
346 // SchedReadVariant is marked "Variadic", then each Selected
347 // SchedReadWrite is mapped in place to the instruction's variadic
348 // operands. In this case, latency is not additive. If the current Variant
349 // is already part of a Sequence, then that entire chain leading up to
350 // the Variant is distributed over the variadic operands.
351 class SchedVar<SchedPredicate pred, list<SchedReadWrite> selected> {
352   SchedPredicate Predicate = pred;
353   list<SchedReadWrite> Selected = selected;
354 }
355
356 // SchedModel silences warnings but is ignored.
357 class SchedVariant<list<SchedVar> variants> {
358   list<SchedVar> Variants = variants;
359   bit Variadic = 0;
360   SchedMachineModel SchedModel = ?;
361 }
362
363 // A SchedWriteVariant is a single SchedWrite type that maps to a list
364 // of SchedWrite types under the conditions defined by its predicates.
365 //
366 // A Variadic write is expanded to cover multiple "def" operands. The
367 // SchedVariant's Expansion list is then interpreted as one write
368 // per-operand instead of the usual sequential writes feeding a single
369 // operand.
370 class SchedWriteVariant<list<SchedVar> variants> : SchedWrite,
371   SchedVariant<variants> {
372 }
373
374 // A SchedReadVariant is a single SchedRead type that maps to a list
375 // of SchedRead types under the conditions defined by its predicates.
376 //
377 // A Variadic write is expanded to cover multiple "readsReg" operands as
378 // explained above.
379 class SchedReadVariant<list<SchedVar> variants> : SchedRead,
380   SchedVariant<variants> {
381 }
382
383 // Map a set of opcodes to a list of SchedReadWrite types. This allows
384 // the subtarget to easily override specific operations.
385 //
386 // SchedModel ties this opcode mapping to a processor.
387 class InstRW<list<SchedReadWrite> rw, dag instrlist> {
388   list<SchedReadWrite> OperandReadWrites = rw;
389   dag Instrs = instrlist;
390   SchedMachineModel SchedModel = ?;
391 }
392
393 // Map a set of itinerary classes to SchedReadWrite resources. This is
394 // used to bootstrap a target (e.g. ARM) when itineraries already
395 // exist and changing InstrInfo is undesirable.
396 //
397 // SchedModel ties this ItineraryClass mapping to a processor.
398 class ItinRW<list<SchedReadWrite> rw, list<InstrItinClass> iic> {
399   list<InstrItinClass> MatchedItinClasses = iic;
400   list<SchedReadWrite> OperandReadWrites = rw;
401   SchedMachineModel SchedModel = ?;
402 }
403
404 // Alias a target-defined SchedReadWrite to a processor specific
405 // SchedReadWrite. This allows a subtarget to easily map a
406 // SchedReadWrite type onto a WriteSequence, SchedWriteVariant, or
407 // SchedReadVariant.
408 //
409 // SchedModel will usually be provided by surrounding let statement
410 // and ties this SchedAlias mapping to a processor.
411 class SchedAlias<SchedReadWrite match, SchedReadWrite alias> {
412   SchedReadWrite MatchRW = match;
413   SchedReadWrite AliasRW = alias;
414   SchedMachineModel SchedModel = ?;
415 }