[AArch64] Strengthen the code for the prologue insertion.
[oota-llvm.git] / lib / Target / AArch64 / AArch64FrameLowering.cpp
1 //===- AArch64FrameLowering.cpp - AArch64 Frame Lowering -------*- C++ -*-====//
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 contains the AArch64 implementation of TargetFrameLowering class.
11 //
12 // On AArch64, stack frames are structured as follows:
13 //
14 // The stack grows downward.
15 //
16 // All of the individual frame areas on the frame below are optional, i.e. it's
17 // possible to create a function so that the particular area isn't present
18 // in the frame.
19 //
20 // At function entry, the "frame" looks as follows:
21 //
22 // |                                   | Higher address
23 // |-----------------------------------|
24 // |                                   |
25 // | arguments passed on the stack     |
26 // |                                   |
27 // |-----------------------------------| <- sp
28 // |                                   | Lower address
29 //
30 //
31 // After the prologue has run, the frame has the following general structure.
32 // Note that this doesn't depict the case where a red-zone is used. Also,
33 // technically the last frame area (VLAs) doesn't get created until in the
34 // main function body, after the prologue is run. However, it's depicted here
35 // for completeness.
36 //
37 // |                                   | Higher address
38 // |-----------------------------------|
39 // |                                   |
40 // | arguments passed on the stack     |
41 // |                                   |
42 // |-----------------------------------|
43 // |                                   |
44 // | prev_fp, prev_lr                  |
45 // | (a.k.a. "frame record")           |
46 // |-----------------------------------| <- fp(=x29)
47 // |                                   |
48 // | other callee-saved registers      |
49 // |                                   |
50 // |-----------------------------------|
51 // |.empty.space.to.make.part.below....|
52 // |.aligned.in.case.it.needs.more.than| (size of this area is unknown at
53 // |.the.standard.16-byte.alignment....|  compile time; if present)
54 // |-----------------------------------|
55 // |                                   |
56 // | local variables of fixed size     |
57 // | including spill slots             |
58 // |-----------------------------------| <- bp(not defined by ABI,
59 // |.variable-sized.local.variables....|       LLVM chooses X19)
60 // |.(VLAs)............................| (size of this area is unknown at
61 // |...................................|  compile time)
62 // |-----------------------------------| <- sp
63 // |                                   | Lower address
64 //
65 //
66 // To access the data in a frame, at-compile time, a constant offset must be
67 // computable from one of the pointers (fp, bp, sp) to access it. The size
68 // of the areas with a dotted background cannot be computed at compile-time
69 // if they are present, making it required to have all three of fp, bp and
70 // sp to be set up to be able to access all contents in the frame areas,
71 // assuming all of the frame areas are non-empty.
72 //
73 // For most functions, some of the frame areas are empty. For those functions,
74 // it may not be necessary to set up fp or bp:
75 // * A base pointer is definitly needed when there are both VLAs and local
76 //   variables with more-than-default alignment requirements.
77 // * A frame pointer is definitly needed when there are local variables with
78 //   more-than-default alignment requirements.
79 //
80 // In some cases when a base pointer is not strictly needed, it is generated
81 // anyway when offsets from the frame pointer to access local variables become
82 // so large that the offset can't be encoded in the immediate fields of loads
83 // or stores.
84 //
85 // FIXME: also explain the redzone concept.
86 // FIXME: also explain the concept of reserved call frames.
87 //
88 //===----------------------------------------------------------------------===//
89
90 #include "AArch64FrameLowering.h"
91 #include "AArch64InstrInfo.h"
92 #include "AArch64MachineFunctionInfo.h"
93 #include "AArch64Subtarget.h"
94 #include "AArch64TargetMachine.h"
95 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
96 #include "llvm/CodeGen/MachineFrameInfo.h"
97 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
98 #include "llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h"
99 #include "llvm/CodeGen/MachineModuleInfo.h"
100 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
101 #include "llvm/CodeGen/RegisterScavenging.h"
102 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
103 #include "llvm/IR/Function.h"
104 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
105 #include "llvm/Support/Debug.h"
106 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
107
108 using namespace llvm;
109
110 #define DEBUG_TYPE "frame-info"
111
112 static cl::opt<bool> EnableRedZone("aarch64-redzone",
113                                    cl::desc("enable use of redzone on AArch64"),
114                                    cl::init(false), cl::Hidden);
115
116 STATISTIC(NumRedZoneFunctions, "Number of functions using red zone");
117
118 bool AArch64FrameLowering::canUseRedZone(const MachineFunction &MF) const {
119   if (!EnableRedZone)
120     return false;
121   // Don't use the red zone if the function explicitly asks us not to.
122   // This is typically used for kernel code.
123   if (MF.getFunction()->hasFnAttribute(Attribute::NoRedZone))
124     return false;
125
126   const MachineFrameInfo *MFI = MF.getFrameInfo();
127   const AArch64FunctionInfo *AFI = MF.getInfo<AArch64FunctionInfo>();
128   unsigned NumBytes = AFI->getLocalStackSize();
129
130   // Note: currently hasFP() is always true for hasCalls(), but that's an
131   // implementation detail of the current code, not a strict requirement,
132   // so stay safe here and check both.
133   if (MFI->hasCalls() || hasFP(MF) || NumBytes > 128)
134     return false;
135   return true;
136 }
137
138 /// hasFP - Return true if the specified function should have a dedicated frame
139 /// pointer register.
140 bool AArch64FrameLowering::hasFP(const MachineFunction &MF) const {
141   const MachineFrameInfo *MFI = MF.getFrameInfo();
142   const TargetRegisterInfo *RegInfo = MF.getSubtarget().getRegisterInfo();
143   return (MFI->hasCalls() || MFI->hasVarSizedObjects() ||
144           MFI->isFrameAddressTaken() || MFI->hasStackMap() ||
145           MFI->hasPatchPoint() || RegInfo->needsStackRealignment(MF));
146 }
147
148 /// hasReservedCallFrame - Under normal circumstances, when a frame pointer is
149 /// not required, we reserve argument space for call sites in the function
150 /// immediately on entry to the current function.  This eliminates the need for
151 /// add/sub sp brackets around call sites.  Returns true if the call frame is
152 /// included as part of the stack frame.
153 bool
154 AArch64FrameLowering::hasReservedCallFrame(const MachineFunction &MF) const {
155   return !MF.getFrameInfo()->hasVarSizedObjects();
156 }
157
158 void AArch64FrameLowering::eliminateCallFramePseudoInstr(
159     MachineFunction &MF, MachineBasicBlock &MBB,
160     MachineBasicBlock::iterator I) const {
161   const AArch64InstrInfo *TII =
162       static_cast<const AArch64InstrInfo *>(MF.getSubtarget().getInstrInfo());
163   DebugLoc DL = I->getDebugLoc();
164   int Opc = I->getOpcode();
165   bool IsDestroy = Opc == TII->getCallFrameDestroyOpcode();
166   uint64_t CalleePopAmount = IsDestroy ? I->getOperand(1).getImm() : 0;
167
168   const TargetFrameLowering *TFI = MF.getSubtarget().getFrameLowering();
169   if (!TFI->hasReservedCallFrame(MF)) {
170     unsigned Align = getStackAlignment();
171
172     int64_t Amount = I->getOperand(0).getImm();
173     Amount = RoundUpToAlignment(Amount, Align);
174     if (!IsDestroy)
175       Amount = -Amount;
176
177     // N.b. if CalleePopAmount is valid but zero (i.e. callee would pop, but it
178     // doesn't have to pop anything), then the first operand will be zero too so
179     // this adjustment is a no-op.
180     if (CalleePopAmount == 0) {
181       // FIXME: in-function stack adjustment for calls is limited to 24-bits
182       // because there's no guaranteed temporary register available.
183       //
184       // ADD/SUB (immediate) has only LSL #0 and LSL #12 available.
185       // 1) For offset <= 12-bit, we use LSL #0
186       // 2) For 12-bit <= offset <= 24-bit, we use two instructions. One uses
187       // LSL #0, and the other uses LSL #12.
188       //
189       // Mostly call frames will be allocated at the start of a function so
190       // this is OK, but it is a limitation that needs dealing with.
191       assert(Amount > -0xffffff && Amount < 0xffffff && "call frame too large");
192       emitFrameOffset(MBB, I, DL, AArch64::SP, AArch64::SP, Amount, TII);
193     }
194   } else if (CalleePopAmount != 0) {
195     // If the calling convention demands that the callee pops arguments from the
196     // stack, we want to add it back if we have a reserved call frame.
197     assert(CalleePopAmount < 0xffffff && "call frame too large");
198     emitFrameOffset(MBB, I, DL, AArch64::SP, AArch64::SP, -CalleePopAmount,
199                     TII);
200   }
201   MBB.erase(I);
202 }
203
204 void AArch64FrameLowering::emitCalleeSavedFrameMoves(
205     MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator MBBI,
206     unsigned FramePtr) const {
207   MachineFunction &MF = *MBB.getParent();
208   MachineFrameInfo *MFI = MF.getFrameInfo();
209   MachineModuleInfo &MMI = MF.getMMI();
210   const MCRegisterInfo *MRI = MMI.getContext().getRegisterInfo();
211   const TargetInstrInfo *TII = MF.getSubtarget().getInstrInfo();
212   DebugLoc DL = MBB.findDebugLoc(MBBI);
213
214   // Add callee saved registers to move list.
215   const std::vector<CalleeSavedInfo> &CSI = MFI->getCalleeSavedInfo();
216   if (CSI.empty())
217     return;
218
219   const DataLayout *TD = MF.getTarget().getDataLayout();
220   bool HasFP = hasFP(MF);
221
222   // Calculate amount of bytes used for return address storing.
223   int stackGrowth = -TD->getPointerSize(0);
224
225   // Calculate offsets.
226   int64_t saveAreaOffset = (HasFP ? 2 : 1) * stackGrowth;
227   unsigned TotalSkipped = 0;
228   for (const auto &Info : CSI) {
229     unsigned Reg = Info.getReg();
230     int64_t Offset = MFI->getObjectOffset(Info.getFrameIdx()) -
231                      getOffsetOfLocalArea() + saveAreaOffset;
232
233     // Don't output a new CFI directive if we're re-saving the frame pointer or
234     // link register. This happens when the PrologEpilogInserter has inserted an
235     // extra "STP" of the frame pointer and link register -- the "emitPrologue"
236     // method automatically generates the directives when frame pointers are
237     // used. If we generate CFI directives for the extra "STP"s, the linker will
238     // lose track of the correct values for the frame pointer and link register.
239     if (HasFP && (FramePtr == Reg || Reg == AArch64::LR)) {
240       TotalSkipped += stackGrowth;
241       continue;
242     }
243
244     unsigned DwarfReg = MRI->getDwarfRegNum(Reg, true);
245     unsigned CFIIndex = MMI.addFrameInst(MCCFIInstruction::createOffset(
246         nullptr, DwarfReg, Offset - TotalSkipped));
247     BuildMI(MBB, MBBI, DL, TII->get(TargetOpcode::CFI_INSTRUCTION))
248         .addCFIIndex(CFIIndex)
249         .setMIFlags(MachineInstr::FrameSetup);
250   }
251 }
252
253 void AArch64FrameLowering::emitPrologue(MachineFunction &MF) const {
254   MachineBasicBlock &MBB = MF.front(); // Prologue goes in entry BB.
255   MachineBasicBlock::iterator MBBI = MBB.begin();
256   const MachineFrameInfo *MFI = MF.getFrameInfo();
257   const Function *Fn = MF.getFunction();
258   const AArch64RegisterInfo *RegInfo = static_cast<const AArch64RegisterInfo *>(
259       MF.getSubtarget().getRegisterInfo());
260   const TargetInstrInfo *TII = MF.getSubtarget().getInstrInfo();
261   MachineModuleInfo &MMI = MF.getMMI();
262   AArch64FunctionInfo *AFI = MF.getInfo<AArch64FunctionInfo>();
263   bool needsFrameMoves = MMI.hasDebugInfo() || Fn->needsUnwindTableEntry();
264   bool HasFP = hasFP(MF);
265   DebugLoc DL = MBB.findDebugLoc(MBBI);
266
267   // All calls are tail calls in GHC calling conv, and functions have no
268   // prologue/epilogue.
269   if (MF.getFunction()->getCallingConv() == CallingConv::GHC)
270     return;
271
272   int NumBytes = (int)MFI->getStackSize();
273   if (!AFI->hasStackFrame()) {
274     assert(!HasFP && "unexpected function without stack frame but with FP");
275
276     // All of the stack allocation is for locals.
277     AFI->setLocalStackSize(NumBytes);
278
279     // Label used to tie together the PROLOG_LABEL and the MachineMoves.
280     MCSymbol *FrameLabel = MMI.getContext().CreateTempSymbol();
281
282     // REDZONE: If the stack size is less than 128 bytes, we don't need
283     // to actually allocate.
284     if (NumBytes && !canUseRedZone(MF)) {
285       emitFrameOffset(MBB, MBBI, DL, AArch64::SP, AArch64::SP, -NumBytes, TII,
286                       MachineInstr::FrameSetup);
287
288       // Encode the stack size of the leaf function.
289       unsigned CFIIndex = MMI.addFrameInst(
290           MCCFIInstruction::createDefCfaOffset(FrameLabel, -NumBytes));
291       BuildMI(MBB, MBBI, DL, TII->get(TargetOpcode::CFI_INSTRUCTION))
292           .addCFIIndex(CFIIndex)
293           .setMIFlags(MachineInstr::FrameSetup);
294     } else if (NumBytes) {
295       ++NumRedZoneFunctions;
296     }
297
298     return;
299   }
300
301   // Only set up FP if we actually need to.
302   int FPOffset = 0;
303   if (HasFP) {
304     // First instruction must a) allocate the stack  and b) have an immediate
305     // that is a multiple of -2.
306     assert((MBBI->getOpcode() == AArch64::STPXpre ||
307             MBBI->getOpcode() == AArch64::STPDpre) &&
308            MBBI->getOperand(3).getReg() == AArch64::SP &&
309            MBBI->getOperand(4).getImm() < 0 &&
310            (MBBI->getOperand(4).getImm() & 1) == 0);
311
312     // Frame pointer is fp = sp - 16. Since the  STPXpre subtracts the space
313     // required for the callee saved register area we get the frame pointer
314     // by addding that offset - 16 = -getImm()*8 - 2*8 = -(getImm() + 2) * 8.
315     FPOffset = -(MBBI->getOperand(4).getImm() + 2) * 8;
316     assert(FPOffset >= 0 && "Bad Framepointer Offset");
317   }
318
319   // Move past the saves of the callee-saved registers.
320   while (MBBI->getOpcode() == AArch64::STPXi ||
321          MBBI->getOpcode() == AArch64::STPDi ||
322          MBBI->getOpcode() == AArch64::STPXpre ||
323          MBBI->getOpcode() == AArch64::STPDpre) {
324     ++MBBI;
325     NumBytes -= 16;
326   }
327   assert(NumBytes >= 0 && "Negative stack allocation size!?");
328   if (HasFP) {
329     // Issue    sub fp, sp, FPOffset or
330     //          mov fp,sp          when FPOffset is zero.
331     // Note: All stores of callee-saved registers are marked as "FrameSetup".
332     // This code marks the instruction(s) that set the FP also.
333     emitFrameOffset(MBB, MBBI, DL, AArch64::FP, AArch64::SP, FPOffset, TII,
334                     MachineInstr::FrameSetup);
335   }
336
337   // All of the remaining stack allocations are for locals.
338   AFI->setLocalStackSize(NumBytes);
339
340   // Allocate space for the rest of the frame.
341
342   const unsigned Alignment = MFI->getMaxAlignment();
343   const bool NeedsRealignment = (Alignment > 16);
344   unsigned scratchSPReg = AArch64::SP;
345   if (NeedsRealignment) {
346     // Use the first callee-saved register as a scratch register
347     assert(MF.getRegInfo().isPhysRegUsed(AArch64::X9) &&
348            "No scratch register to align SP!");
349     scratchSPReg = AArch64::X9;
350   }
351
352   // If we're a leaf function, try using the red zone.
353   if (NumBytes && !canUseRedZone(MF))
354     // FIXME: in the case of dynamic re-alignment, NumBytes doesn't have
355     // the correct value here, as NumBytes also includes padding bytes,
356     // which shouldn't be counted here.
357     emitFrameOffset(MBB, MBBI, DL, scratchSPReg, AArch64::SP, -NumBytes, TII,
358                     MachineInstr::FrameSetup);
359
360   assert(!(NeedsRealignment && NumBytes==0) &&
361          "NumBytes should never be 0 when realignment is needed");
362
363   if (NumBytes && NeedsRealignment) {
364     const unsigned NrBitsToZero = countTrailingZeros(Alignment);
365     assert(NrBitsToZero > 1);
366     assert(scratchSPReg != AArch64::SP);
367
368     // SUB X9, SP, NumBytes
369     //   -- X9 is temporary register, so shouldn't contain any live data here,
370     //   -- free to use. This is already produced by emitFrameOffset above.
371     // AND SP, X9, 0b11111...0000
372     // The logical immediates have a non-trivial encoding. The following
373     // formula computes the encoded immediate with all ones but
374     // NrBitsToZero zero bits as least significant bits.
375     uint32_t andMaskEncoded =
376         (1                   <<12) // = N
377       | ((64-NrBitsToZero)   << 6) // immr
378       | ((64-NrBitsToZero-1) << 0) // imms
379       ;
380     BuildMI(MBB, MBBI, DL, TII->get(AArch64::ANDXri), AArch64::SP)
381       .addReg(scratchSPReg, RegState::Kill)
382       .addImm(andMaskEncoded);
383   }
384
385   // If we need a base pointer, set it up here. It's whatever the value of the
386   // stack pointer is at this point. Any variable size objects will be allocated
387   // after this, so we can still use the base pointer to reference locals.
388   //
389   // FIXME: Clarify FrameSetup flags here.
390   // Note: Use emitFrameOffset() like above for FP if the FrameSetup flag is
391   // needed.
392   if (RegInfo->hasBasePointer(MF)) {
393     TII->copyPhysReg(MBB, MBBI, DL, RegInfo->getBaseRegister(), AArch64::SP,
394                      false);
395   }
396
397   if (needsFrameMoves) {
398     const DataLayout *TD = MF.getTarget().getDataLayout();
399     const int StackGrowth = -TD->getPointerSize(0);
400     unsigned FramePtr = RegInfo->getFrameRegister(MF);
401     // An example of the prologue:
402     //
403     //     .globl __foo
404     //     .align 2
405     //  __foo:
406     // Ltmp0:
407     //     .cfi_startproc
408     //     .cfi_personality 155, ___gxx_personality_v0
409     // Leh_func_begin:
410     //     .cfi_lsda 16, Lexception33
411     //
412     //     stp  xa,bx, [sp, -#offset]!
413     //     ...
414     //     stp  x28, x27, [sp, #offset-32]
415     //     stp  fp, lr, [sp, #offset-16]
416     //     add  fp, sp, #offset - 16
417     //     sub  sp, sp, #1360
418     //
419     // The Stack:
420     //       +-------------------------------------------+
421     // 10000 | ........ | ........ | ........ | ........ |
422     // 10004 | ........ | ........ | ........ | ........ |
423     //       +-------------------------------------------+
424     // 10008 | ........ | ........ | ........ | ........ |
425     // 1000c | ........ | ........ | ........ | ........ |
426     //       +===========================================+
427     // 10010 |                X28 Register               |
428     // 10014 |                X28 Register               |
429     //       +-------------------------------------------+
430     // 10018 |                X27 Register               |
431     // 1001c |                X27 Register               |
432     //       +===========================================+
433     // 10020 |                Frame Pointer              |
434     // 10024 |                Frame Pointer              |
435     //       +-------------------------------------------+
436     // 10028 |                Link Register              |
437     // 1002c |                Link Register              |
438     //       +===========================================+
439     // 10030 | ........ | ........ | ........ | ........ |
440     // 10034 | ........ | ........ | ........ | ........ |
441     //       +-------------------------------------------+
442     // 10038 | ........ | ........ | ........ | ........ |
443     // 1003c | ........ | ........ | ........ | ........ |
444     //       +-------------------------------------------+
445     //
446     //     [sp] = 10030        ::    >>initial value<<
447     //     sp = 10020          ::  stp fp, lr, [sp, #-16]!
448     //     fp = sp == 10020    ::  mov fp, sp
449     //     [sp] == 10020       ::  stp x28, x27, [sp, #-16]!
450     //     sp == 10010         ::    >>final value<<
451     //
452     // The frame pointer (w29) points to address 10020. If we use an offset of
453     // '16' from 'w29', we get the CFI offsets of -8 for w30, -16 for w29, -24
454     // for w27, and -32 for w28:
455     //
456     //  Ltmp1:
457     //     .cfi_def_cfa w29, 16
458     //  Ltmp2:
459     //     .cfi_offset w30, -8
460     //  Ltmp3:
461     //     .cfi_offset w29, -16
462     //  Ltmp4:
463     //     .cfi_offset w27, -24
464     //  Ltmp5:
465     //     .cfi_offset w28, -32
466
467     if (HasFP) {
468       // Define the current CFA rule to use the provided FP.
469       unsigned Reg = RegInfo->getDwarfRegNum(FramePtr, true);
470       unsigned CFIIndex = MMI.addFrameInst(
471           MCCFIInstruction::createDefCfa(nullptr, Reg, 2 * StackGrowth));
472       BuildMI(MBB, MBBI, DL, TII->get(TargetOpcode::CFI_INSTRUCTION))
473           .addCFIIndex(CFIIndex)
474           .setMIFlags(MachineInstr::FrameSetup);
475
476       // Record the location of the stored LR
477       unsigned LR = RegInfo->getDwarfRegNum(AArch64::LR, true);
478       CFIIndex = MMI.addFrameInst(
479           MCCFIInstruction::createOffset(nullptr, LR, StackGrowth));
480       BuildMI(MBB, MBBI, DL, TII->get(TargetOpcode::CFI_INSTRUCTION))
481           .addCFIIndex(CFIIndex)
482           .setMIFlags(MachineInstr::FrameSetup);
483
484       // Record the location of the stored FP
485       CFIIndex = MMI.addFrameInst(
486           MCCFIInstruction::createOffset(nullptr, Reg, 2 * StackGrowth));
487       BuildMI(MBB, MBBI, DL, TII->get(TargetOpcode::CFI_INSTRUCTION))
488           .addCFIIndex(CFIIndex)
489           .setMIFlags(MachineInstr::FrameSetup);
490     } else {
491       // Encode the stack size of the leaf function.
492       unsigned CFIIndex = MMI.addFrameInst(
493           MCCFIInstruction::createDefCfaOffset(nullptr, -MFI->getStackSize()));
494       BuildMI(MBB, MBBI, DL, TII->get(TargetOpcode::CFI_INSTRUCTION))
495           .addCFIIndex(CFIIndex)
496           .setMIFlags(MachineInstr::FrameSetup);
497     }
498
499     // Now emit the moves for whatever callee saved regs we have.
500     emitCalleeSavedFrameMoves(MBB, MBBI, FramePtr);
501   }
502 }
503
504 static bool isCalleeSavedRegister(unsigned Reg, const MCPhysReg *CSRegs) {
505   for (unsigned i = 0; CSRegs[i]; ++i)
506     if (Reg == CSRegs[i])
507       return true;
508   return false;
509 }
510
511 static bool isCSRestore(MachineInstr *MI, const MCPhysReg *CSRegs) {
512   unsigned RtIdx = 0;
513   if (MI->getOpcode() == AArch64::LDPXpost ||
514       MI->getOpcode() == AArch64::LDPDpost)
515     RtIdx = 1;
516
517   if (MI->getOpcode() == AArch64::LDPXpost ||
518       MI->getOpcode() == AArch64::LDPDpost ||
519       MI->getOpcode() == AArch64::LDPXi || MI->getOpcode() == AArch64::LDPDi) {
520     if (!isCalleeSavedRegister(MI->getOperand(RtIdx).getReg(), CSRegs) ||
521         !isCalleeSavedRegister(MI->getOperand(RtIdx + 1).getReg(), CSRegs) ||
522         MI->getOperand(RtIdx + 2).getReg() != AArch64::SP)
523       return false;
524     return true;
525   }
526
527   return false;
528 }
529
530 void AArch64FrameLowering::emitEpilogue(MachineFunction &MF,
531                                         MachineBasicBlock &MBB) const {
532   MachineBasicBlock::iterator MBBI = MBB.getLastNonDebugInstr();
533   assert(MBBI->isReturn() && "Can only insert epilog into returning blocks");
534   MachineFrameInfo *MFI = MF.getFrameInfo();
535   const AArch64InstrInfo *TII =
536       static_cast<const AArch64InstrInfo *>(MF.getSubtarget().getInstrInfo());
537   const AArch64RegisterInfo *RegInfo = static_cast<const AArch64RegisterInfo *>(
538       MF.getSubtarget().getRegisterInfo());
539   DebugLoc DL = MBBI->getDebugLoc();
540   unsigned RetOpcode = MBBI->getOpcode();
541
542   int NumBytes = MFI->getStackSize();
543   const AArch64FunctionInfo *AFI = MF.getInfo<AArch64FunctionInfo>();
544
545   // All calls are tail calls in GHC calling conv, and functions have no
546   // prologue/epilogue.
547   if (MF.getFunction()->getCallingConv() == CallingConv::GHC)
548     return;
549
550   // Initial and residual are named for consistency with the prologue. Note that
551   // in the epilogue, the residual adjustment is executed first.
552   uint64_t ArgumentPopSize = 0;
553   if (RetOpcode == AArch64::TCRETURNdi || RetOpcode == AArch64::TCRETURNri) {
554     MachineOperand &StackAdjust = MBBI->getOperand(1);
555
556     // For a tail-call in a callee-pops-arguments environment, some or all of
557     // the stack may actually be in use for the call's arguments, this is
558     // calculated during LowerCall and consumed here...
559     ArgumentPopSize = StackAdjust.getImm();
560   } else {
561     // ... otherwise the amount to pop is *all* of the argument space,
562     // conveniently stored in the MachineFunctionInfo by
563     // LowerFormalArguments. This will, of course, be zero for the C calling
564     // convention.
565     ArgumentPopSize = AFI->getArgumentStackToRestore();
566   }
567
568   // The stack frame should be like below,
569   //
570   //      ----------------------                     ---
571   //      |                    |                      |
572   //      | BytesInStackArgArea|              CalleeArgStackSize
573   //      | (NumReusableBytes) |                (of tail call)
574   //      |                    |                     ---
575   //      |                    |                      |
576   //      ---------------------|        ---           |
577   //      |                    |         |            |
578   //      |   CalleeSavedReg   |         |            |
579   //      | (NumRestores * 16) |         |            |
580   //      |                    |         |            |
581   //      ---------------------|         |         NumBytes
582   //      |                    |     StackSize  (StackAdjustUp)
583   //      |   LocalStackSize   |         |            |
584   //      | (covering callee   |         |            |
585   //      |       args)        |         |            |
586   //      |                    |         |            |
587   //      ----------------------        ---          ---
588   //
589   // So NumBytes = StackSize + BytesInStackArgArea - CalleeArgStackSize
590   //             = StackSize + ArgumentPopSize
591   //
592   // AArch64TargetLowering::LowerCall figures out ArgumentPopSize and keeps
593   // it as the 2nd argument of AArch64ISD::TC_RETURN.
594   NumBytes += ArgumentPopSize;
595
596   unsigned NumRestores = 0;
597   // Move past the restores of the callee-saved registers.
598   MachineBasicBlock::iterator LastPopI = MBBI;
599   const MCPhysReg *CSRegs = RegInfo->getCalleeSavedRegs(&MF);
600   if (LastPopI != MBB.begin()) {
601     do {
602       ++NumRestores;
603       --LastPopI;
604     } while (LastPopI != MBB.begin() && isCSRestore(LastPopI, CSRegs));
605     if (!isCSRestore(LastPopI, CSRegs)) {
606       ++LastPopI;
607       --NumRestores;
608     }
609   }
610   NumBytes -= NumRestores * 16;
611   assert(NumBytes >= 0 && "Negative stack allocation size!?");
612
613   if (!hasFP(MF)) {
614     // If this was a redzone leaf function, we don't need to restore the
615     // stack pointer.
616     if (!canUseRedZone(MF))
617       emitFrameOffset(MBB, LastPopI, DL, AArch64::SP, AArch64::SP, NumBytes,
618                       TII);
619     return;
620   }
621
622   // Restore the original stack pointer.
623   // FIXME: Rather than doing the math here, we should instead just use
624   // non-post-indexed loads for the restores if we aren't actually going to
625   // be able to save any instructions.
626   if (NumBytes || MFI->hasVarSizedObjects())
627     emitFrameOffset(MBB, LastPopI, DL, AArch64::SP, AArch64::FP,
628                     -(NumRestores - 1) * 16, TII, MachineInstr::NoFlags);
629 }
630
631 /// getFrameIndexOffset - Returns the displacement from the frame register to
632 /// the stack frame of the specified index.
633 int AArch64FrameLowering::getFrameIndexOffset(const MachineFunction &MF,
634                                               int FI) const {
635   unsigned FrameReg;
636   return getFrameIndexReference(MF, FI, FrameReg);
637 }
638
639 /// getFrameIndexReference - Provide a base+offset reference to an FI slot for
640 /// debug info.  It's the same as what we use for resolving the code-gen
641 /// references for now.  FIXME: This can go wrong when references are
642 /// SP-relative and simple call frames aren't used.
643 int AArch64FrameLowering::getFrameIndexReference(const MachineFunction &MF,
644                                                  int FI,
645                                                  unsigned &FrameReg) const {
646   return resolveFrameIndexReference(MF, FI, FrameReg);
647 }
648
649 int AArch64FrameLowering::resolveFrameIndexReference(const MachineFunction &MF,
650                                                      int FI, unsigned &FrameReg,
651                                                      bool PreferFP) const {
652   const MachineFrameInfo *MFI = MF.getFrameInfo();
653   const AArch64RegisterInfo *RegInfo = static_cast<const AArch64RegisterInfo *>(
654       MF.getSubtarget().getRegisterInfo());
655   const AArch64FunctionInfo *AFI = MF.getInfo<AArch64FunctionInfo>();
656   int FPOffset = MFI->getObjectOffset(FI) + 16;
657   int Offset = MFI->getObjectOffset(FI) + MFI->getStackSize();
658   bool isFixed = MFI->isFixedObjectIndex(FI);
659
660   // Use frame pointer to reference fixed objects. Use it for locals if
661   // there are VLAs or a dynamically realigned SP (and thus the SP isn't
662   // reliable as a base). Make sure useFPForScavengingIndex() does the
663   // right thing for the emergency spill slot.
664   bool UseFP = false;
665   if (AFI->hasStackFrame()) {
666     // Note: Keeping the following as multiple 'if' statements rather than
667     // merging to a single expression for readability.
668     //
669     // Argument access should always use the FP.
670     if (isFixed) {
671       UseFP = hasFP(MF);
672     } else if (hasFP(MF) && !RegInfo->hasBasePointer(MF) &&
673                !RegInfo->needsStackRealignment(MF)) {
674       // Use SP or FP, whichever gives us the best chance of the offset
675       // being in range for direct access. If the FPOffset is positive,
676       // that'll always be best, as the SP will be even further away.
677       // If the FPOffset is negative, we have to keep in mind that the
678       // available offset range for negative offsets is smaller than for
679       // positive ones. If we have variable sized objects, we're stuck with
680       // using the FP regardless, though, as the SP offset is unknown
681       // and we don't have a base pointer available. If an offset is
682       // available via the FP and the SP, use whichever is closest.
683       if (PreferFP || MFI->hasVarSizedObjects() || FPOffset >= 0 ||
684           (FPOffset >= -256 && Offset > -FPOffset))
685         UseFP = true;
686     }
687   }
688
689   assert((isFixed || !RegInfo->needsStackRealignment(MF) || !UseFP) &&
690          "In the presence of dynamic stack pointer realignment, "
691          "non-argument objects cannot be accessed through the frame pointer");
692
693   if (UseFP) {
694     FrameReg = RegInfo->getFrameRegister(MF);
695     return FPOffset;
696   }
697
698   // Use the base pointer if we have one.
699   if (RegInfo->hasBasePointer(MF))
700     FrameReg = RegInfo->getBaseRegister();
701   else {
702     FrameReg = AArch64::SP;
703     // If we're using the red zone for this function, the SP won't actually
704     // be adjusted, so the offsets will be negative. They're also all
705     // within range of the signed 9-bit immediate instructions.
706     if (canUseRedZone(MF))
707       Offset -= AFI->getLocalStackSize();
708   }
709
710   return Offset;
711 }
712
713 static unsigned getPrologueDeath(MachineFunction &MF, unsigned Reg) {
714   if (Reg != AArch64::LR)
715     return getKillRegState(true);
716
717   // LR maybe referred to later by an @llvm.returnaddress intrinsic.
718   bool LRLiveIn = MF.getRegInfo().isLiveIn(AArch64::LR);
719   bool LRKill = !(LRLiveIn && MF.getFrameInfo()->isReturnAddressTaken());
720   return getKillRegState(LRKill);
721 }
722
723 bool AArch64FrameLowering::spillCalleeSavedRegisters(
724     MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator MI,
725     const std::vector<CalleeSavedInfo> &CSI,
726     const TargetRegisterInfo *TRI) const {
727   MachineFunction &MF = *MBB.getParent();
728   const TargetInstrInfo &TII = *MF.getSubtarget().getInstrInfo();
729   unsigned Count = CSI.size();
730   DebugLoc DL;
731   assert((Count & 1) == 0 && "Odd number of callee-saved regs to spill!");
732
733   if (MI != MBB.end())
734     DL = MI->getDebugLoc();
735
736   for (unsigned i = 0; i < Count; i += 2) {
737     unsigned idx = Count - i - 2;
738     unsigned Reg1 = CSI[idx].getReg();
739     unsigned Reg2 = CSI[idx + 1].getReg();
740     // GPRs and FPRs are saved in pairs of 64-bit regs. We expect the CSI
741     // list to come in sorted by frame index so that we can issue the store
742     // pair instructions directly. Assert if we see anything otherwise.
743     //
744     // The order of the registers in the list is controlled by
745     // getCalleeSavedRegs(), so they will always be in-order, as well.
746     assert(CSI[idx].getFrameIdx() + 1 == CSI[idx + 1].getFrameIdx() &&
747            "Out of order callee saved regs!");
748     unsigned StrOpc;
749     assert((Count & 1) == 0 && "Odd number of callee-saved regs to spill!");
750     assert((i & 1) == 0 && "Odd index for callee-saved reg spill!");
751     // Issue sequence of non-sp increment and pi sp spills for cs regs. The
752     // first spill is a pre-increment that allocates the stack.
753     // For example:
754     //    stp     x22, x21, [sp, #-48]!   // addImm(-6)
755     //    stp     x20, x19, [sp, #16]    // addImm(+2)
756     //    stp     fp, lr, [sp, #32]      // addImm(+4)
757     // Rationale: This sequence saves uop updates compared to a sequence of
758     // pre-increment spills like stp xi,xj,[sp,#-16]!
759     // Note: Similar rational and sequence for restores in epilog.
760     if (AArch64::GPR64RegClass.contains(Reg1)) {
761       assert(AArch64::GPR64RegClass.contains(Reg2) &&
762              "Expected GPR64 callee-saved register pair!");
763       // For first spill use pre-increment store.
764       if (i == 0)
765         StrOpc = AArch64::STPXpre;
766       else
767         StrOpc = AArch64::STPXi;
768     } else if (AArch64::FPR64RegClass.contains(Reg1)) {
769       assert(AArch64::FPR64RegClass.contains(Reg2) &&
770              "Expected FPR64 callee-saved register pair!");
771       // For first spill use pre-increment store.
772       if (i == 0)
773         StrOpc = AArch64::STPDpre;
774       else
775         StrOpc = AArch64::STPDi;
776     } else
777       llvm_unreachable("Unexpected callee saved register!");
778     DEBUG(dbgs() << "CSR spill: (" << TRI->getName(Reg1) << ", "
779                  << TRI->getName(Reg2) << ") -> fi#(" << CSI[idx].getFrameIdx()
780                  << ", " << CSI[idx + 1].getFrameIdx() << ")\n");
781     // Compute offset: i = 0 => offset = -Count;
782     //                 i = 2 => offset = -(Count - 2) + Count = 2 = i; etc.
783     const int Offset = (i == 0) ? -Count : i;
784     assert((Offset >= -64 && Offset <= 63) &&
785            "Offset out of bounds for STP immediate");
786     MachineInstrBuilder MIB = BuildMI(MBB, MI, DL, TII.get(StrOpc));
787     if (StrOpc == AArch64::STPDpre || StrOpc == AArch64::STPXpre)
788       MIB.addReg(AArch64::SP, RegState::Define);
789
790     MBB.addLiveIn(Reg1);
791     MBB.addLiveIn(Reg2);
792     MIB.addReg(Reg2, getPrologueDeath(MF, Reg2))
793         .addReg(Reg1, getPrologueDeath(MF, Reg1))
794         .addReg(AArch64::SP)
795         .addImm(Offset) // [sp, #offset * 8], where factor * 8 is implicit
796         .setMIFlag(MachineInstr::FrameSetup);
797   }
798   return true;
799 }
800
801 bool AArch64FrameLowering::restoreCalleeSavedRegisters(
802     MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator MI,
803     const std::vector<CalleeSavedInfo> &CSI,
804     const TargetRegisterInfo *TRI) const {
805   MachineFunction &MF = *MBB.getParent();
806   const TargetInstrInfo &TII = *MF.getSubtarget().getInstrInfo();
807   unsigned Count = CSI.size();
808   DebugLoc DL;
809   assert((Count & 1) == 0 && "Odd number of callee-saved regs to spill!");
810
811   if (MI != MBB.end())
812     DL = MI->getDebugLoc();
813
814   for (unsigned i = 0; i < Count; i += 2) {
815     unsigned Reg1 = CSI[i].getReg();
816     unsigned Reg2 = CSI[i + 1].getReg();
817     // GPRs and FPRs are saved in pairs of 64-bit regs. We expect the CSI
818     // list to come in sorted by frame index so that we can issue the store
819     // pair instructions directly. Assert if we see anything otherwise.
820     assert(CSI[i].getFrameIdx() + 1 == CSI[i + 1].getFrameIdx() &&
821            "Out of order callee saved regs!");
822     // Issue sequence of non-sp increment and sp-pi restores for cs regs. Only
823     // the last load is sp-pi post-increment and de-allocates the stack:
824     // For example:
825     //    ldp     fp, lr, [sp, #32]       // addImm(+4)
826     //    ldp     x20, x19, [sp, #16]     // addImm(+2)
827     //    ldp     x22, x21, [sp], #48     // addImm(+6)
828     // Note: see comment in spillCalleeSavedRegisters()
829     unsigned LdrOpc;
830
831     assert((Count & 1) == 0 && "Odd number of callee-saved regs to spill!");
832     assert((i & 1) == 0 && "Odd index for callee-saved reg spill!");
833     if (AArch64::GPR64RegClass.contains(Reg1)) {
834       assert(AArch64::GPR64RegClass.contains(Reg2) &&
835              "Expected GPR64 callee-saved register pair!");
836       if (i == Count - 2)
837         LdrOpc = AArch64::LDPXpost;
838       else
839         LdrOpc = AArch64::LDPXi;
840     } else if (AArch64::FPR64RegClass.contains(Reg1)) {
841       assert(AArch64::FPR64RegClass.contains(Reg2) &&
842              "Expected FPR64 callee-saved register pair!");
843       if (i == Count - 2)
844         LdrOpc = AArch64::LDPDpost;
845       else
846         LdrOpc = AArch64::LDPDi;
847     } else
848       llvm_unreachable("Unexpected callee saved register!");
849     DEBUG(dbgs() << "CSR restore: (" << TRI->getName(Reg1) << ", "
850                  << TRI->getName(Reg2) << ") -> fi#(" << CSI[i].getFrameIdx()
851                  << ", " << CSI[i + 1].getFrameIdx() << ")\n");
852
853     // Compute offset: i = 0 => offset = Count - 2; i = 2 => offset = Count - 4;
854     // etc.
855     const int Offset = (i == Count - 2) ? Count : Count - i - 2;
856     assert((Offset >= -64 && Offset <= 63) &&
857            "Offset out of bounds for LDP immediate");
858     MachineInstrBuilder MIB = BuildMI(MBB, MI, DL, TII.get(LdrOpc));
859     if (LdrOpc == AArch64::LDPXpost || LdrOpc == AArch64::LDPDpost)
860       MIB.addReg(AArch64::SP, RegState::Define);
861
862     MIB.addReg(Reg2, getDefRegState(true))
863         .addReg(Reg1, getDefRegState(true))
864         .addReg(AArch64::SP)
865         .addImm(Offset); // [sp], #offset * 8  or [sp, #offset * 8]
866                          // where the factor * 8 is implicit
867   }
868   return true;
869 }
870
871 void AArch64FrameLowering::processFunctionBeforeCalleeSavedScan(
872     MachineFunction &MF, RegScavenger *RS) const {
873   const AArch64RegisterInfo *RegInfo = static_cast<const AArch64RegisterInfo *>(
874       MF.getSubtarget().getRegisterInfo());
875   AArch64FunctionInfo *AFI = MF.getInfo<AArch64FunctionInfo>();
876   MachineRegisterInfo *MRI = &MF.getRegInfo();
877   SmallVector<unsigned, 4> UnspilledCSGPRs;
878   SmallVector<unsigned, 4> UnspilledCSFPRs;
879
880   // The frame record needs to be created by saving the appropriate registers
881   if (hasFP(MF)) {
882     MRI->setPhysRegUsed(AArch64::FP);
883     MRI->setPhysRegUsed(AArch64::LR);
884   }
885
886   // Spill the BasePtr if it's used. Do this first thing so that the
887   // getCalleeSavedRegs() below will get the right answer.
888   if (RegInfo->hasBasePointer(MF))
889     MRI->setPhysRegUsed(RegInfo->getBaseRegister());
890
891   if (RegInfo->needsStackRealignment(MF) && !RegInfo->hasBasePointer(MF))
892     MRI->setPhysRegUsed(AArch64::X9);
893
894   // If any callee-saved registers are used, the frame cannot be eliminated.
895   unsigned NumGPRSpilled = 0;
896   unsigned NumFPRSpilled = 0;
897   bool ExtraCSSpill = false;
898   bool CanEliminateFrame = true;
899   DEBUG(dbgs() << "*** processFunctionBeforeCalleeSavedScan\nUsed CSRs:");
900   const MCPhysReg *CSRegs = RegInfo->getCalleeSavedRegs(&MF);
901
902   // Check pairs of consecutive callee-saved registers.
903   for (unsigned i = 0; CSRegs[i]; i += 2) {
904     assert(CSRegs[i + 1] && "Odd number of callee-saved registers!");
905
906     const unsigned OddReg = CSRegs[i];
907     const unsigned EvenReg = CSRegs[i + 1];
908     assert((AArch64::GPR64RegClass.contains(OddReg) &&
909             AArch64::GPR64RegClass.contains(EvenReg)) ^
910                (AArch64::FPR64RegClass.contains(OddReg) &&
911                 AArch64::FPR64RegClass.contains(EvenReg)) &&
912            "Register class mismatch!");
913
914     const bool OddRegUsed = MRI->isPhysRegUsed(OddReg);
915     const bool EvenRegUsed = MRI->isPhysRegUsed(EvenReg);
916
917     // Early exit if none of the registers in the register pair is actually
918     // used.
919     if (!OddRegUsed && !EvenRegUsed) {
920       if (AArch64::GPR64RegClass.contains(OddReg)) {
921         UnspilledCSGPRs.push_back(OddReg);
922         UnspilledCSGPRs.push_back(EvenReg);
923       } else {
924         UnspilledCSFPRs.push_back(OddReg);
925         UnspilledCSFPRs.push_back(EvenReg);
926       }
927       continue;
928     }
929
930     unsigned Reg = AArch64::NoRegister;
931     // If only one of the registers of the register pair is used, make sure to
932     // mark the other one as used as well.
933     if (OddRegUsed ^ EvenRegUsed) {
934       // Find out which register is the additional spill.
935       Reg = OddRegUsed ? EvenReg : OddReg;
936       MRI->setPhysRegUsed(Reg);
937     }
938
939     DEBUG(dbgs() << ' ' << PrintReg(OddReg, RegInfo));
940     DEBUG(dbgs() << ' ' << PrintReg(EvenReg, RegInfo));
941
942     assert(((OddReg == AArch64::LR && EvenReg == AArch64::FP) ||
943             (RegInfo->getEncodingValue(OddReg) + 1 ==
944              RegInfo->getEncodingValue(EvenReg))) &&
945            "Register pair of non-adjacent registers!");
946     if (AArch64::GPR64RegClass.contains(OddReg)) {
947       NumGPRSpilled += 2;
948       // If it's not a reserved register, we can use it in lieu of an
949       // emergency spill slot for the register scavenger.
950       // FIXME: It would be better to instead keep looking and choose another
951       // unspilled register that isn't reserved, if there is one.
952       if (Reg != AArch64::NoRegister && !RegInfo->isReservedReg(MF, Reg))
953         ExtraCSSpill = true;
954     } else
955       NumFPRSpilled += 2;
956
957     CanEliminateFrame = false;
958   }
959
960   // FIXME: Set BigStack if any stack slot references may be out of range.
961   // For now, just conservatively guestimate based on unscaled indexing
962   // range. We'll end up allocating an unnecessary spill slot a lot, but
963   // realistically that's not a big deal at this stage of the game.
964   // The CSR spill slots have not been allocated yet, so estimateStackSize
965   // won't include them.
966   MachineFrameInfo *MFI = MF.getFrameInfo();
967   unsigned CFSize =
968       MFI->estimateStackSize(MF) + 8 * (NumGPRSpilled + NumFPRSpilled);
969   DEBUG(dbgs() << "Estimated stack frame size: " << CFSize << " bytes.\n");
970   bool BigStack = (CFSize >= 256);
971   if (BigStack || !CanEliminateFrame || RegInfo->cannotEliminateFrame(MF))
972     AFI->setHasStackFrame(true);
973
974   // Estimate if we might need to scavenge a register at some point in order
975   // to materialize a stack offset. If so, either spill one additional
976   // callee-saved register or reserve a special spill slot to facilitate
977   // register scavenging. If we already spilled an extra callee-saved register
978   // above to keep the number of spills even, we don't need to do anything else
979   // here.
980   if (BigStack && !ExtraCSSpill) {
981
982     // If we're adding a register to spill here, we have to add two of them
983     // to keep the number of regs to spill even.
984     assert(((UnspilledCSGPRs.size() & 1) == 0) && "Odd number of registers!");
985     unsigned Count = 0;
986     while (!UnspilledCSGPRs.empty() && Count < 2) {
987       unsigned Reg = UnspilledCSGPRs.back();
988       UnspilledCSGPRs.pop_back();
989       DEBUG(dbgs() << "Spilling " << PrintReg(Reg, RegInfo)
990                    << " to get a scratch register.\n");
991       MRI->setPhysRegUsed(Reg);
992       ExtraCSSpill = true;
993       ++Count;
994     }
995
996     // If we didn't find an extra callee-saved register to spill, create
997     // an emergency spill slot.
998     if (!ExtraCSSpill) {
999       const TargetRegisterClass *RC = &AArch64::GPR64RegClass;
1000       int FI = MFI->CreateStackObject(RC->getSize(), RC->getAlignment(), false);
1001       RS->addScavengingFrameIndex(FI);
1002       DEBUG(dbgs() << "No available CS registers, allocated fi#" << FI
1003                    << " as the emergency spill slot.\n");
1004     }
1005   }
1006 }