da249b712380cba3b867fbe341dbe3e2fd459867
[oota-llvm.git] / lib / Target / ARM / README.txt
1 //===---------------------------------------------------------------------===//
2 // Random ideas for the ARM backend.
3 //===---------------------------------------------------------------------===//
4
5 Reimplement 'select' in terms of 'SEL'.
6
7 * We would really like to support UXTAB16, but we need to prove that the
8   add doesn't need to overflow between the two 16-bit chunks.
9
10 * Implement pre/post increment support.  (e.g. PR935)
11 * Coalesce stack slots!
12 * Implement smarter constant generation for binops with large immediates.
13
14 * Consider materializing FP constants like 0.0f and 1.0f using integer 
15   immediate instructions then copy to FPU.  Slower than load into FPU?
16
17 //===---------------------------------------------------------------------===//
18
19 Crazy idea:  Consider code that uses lots of 8-bit or 16-bit values.  By the
20 time regalloc happens, these values are now in a 32-bit register, usually with
21 the top-bits known to be sign or zero extended.  If spilled, we should be able
22 to spill these to a 8-bit or 16-bit stack slot, zero or sign extending as part
23 of the reload.
24
25 Doing this reduces the size of the stack frame (important for thumb etc), and
26 also increases the likelihood that we will be able to reload multiple values
27 from the stack with a single load.
28
29 //===---------------------------------------------------------------------===//
30
31 The constant island pass is in good shape.  Some cleanups might be desirable,
32 but there is unlikely to be much improvement in the generated code.
33
34 1.  There may be some advantage to trying to be smarter about the initial
35 placement, rather than putting everything at the end.
36
37 2.  There might be some compile-time efficiency to be had by representing
38 consecutive islands as a single block rather than multiple blocks.
39
40 3.  Use a priority queue to sort constant pool users in inverse order of
41     position so we always process the one closed to the end of functions
42     first. This may simply CreateNewWater.
43
44 //===---------------------------------------------------------------------===//
45
46 Eliminate copysign custom expansion. We are still generating crappy code with
47 default expansion + if-conversion.
48
49 //===---------------------------------------------------------------------===//
50
51 Eliminate one instruction from:
52
53 define i32 @_Z6slow4bii(i32 %x, i32 %y) {
54         %tmp = icmp sgt i32 %x, %y
55         %retval = select i1 %tmp, i32 %x, i32 %y
56         ret i32 %retval
57 }
58
59 __Z6slow4bii:
60         cmp r0, r1
61         movgt r1, r0
62         mov r0, r1
63         bx lr
64 =>
65
66 __Z6slow4bii:
67         cmp r0, r1
68         movle r0, r1
69         bx lr
70
71 //===---------------------------------------------------------------------===//
72
73 Implement long long "X-3" with instructions that fold the immediate in.  These
74 were disabled due to badness with the ARM carry flag on subtracts.
75
76 //===---------------------------------------------------------------------===//
77
78 We currently compile abs:
79 int foo(int p) { return p < 0 ? -p : p; }
80
81 into:
82
83 _foo:
84         rsb r1, r0, #0
85         cmn r0, #1
86         movgt r1, r0
87         mov r0, r1
88         bx lr
89
90 This is very, uh, literal.  This could be a 3 operation sequence:
91   t = (p sra 31); 
92   res = (p xor t)-t
93
94 Which would be better.  This occurs in png decode.
95
96 //===---------------------------------------------------------------------===//
97
98 More load / store optimizations:
99 1) Look past instructions without side-effects (not load, store, branch, etc.)
100    when forming the list of loads / stores to optimize.
101
102 2) Smarter register allocation?
103 We are probably missing some opportunities to use ldm / stm. Consider:
104
105 ldr r5, [r0]
106 ldr r4, [r0, #4]
107
108 This cannot be merged into a ldm. Perhaps we will need to do the transformation
109 before register allocation. Then teach the register allocator to allocate a
110 chunk of consecutive registers.
111
112 3) Better representation for block transfer? This is from Olden/power:
113
114         fldd d0, [r4]
115         fstd d0, [r4, #+32]
116         fldd d0, [r4, #+8]
117         fstd d0, [r4, #+40]
118         fldd d0, [r4, #+16]
119         fstd d0, [r4, #+48]
120         fldd d0, [r4, #+24]
121         fstd d0, [r4, #+56]
122
123 If we can spare the registers, it would be better to use fldm and fstm here.
124 Need major register allocator enhancement though.
125
126 4) Can we recognize the relative position of constantpool entries? i.e. Treat
127
128         ldr r0, LCPI17_3
129         ldr r1, LCPI17_4
130         ldr r2, LCPI17_5
131
132    as
133         ldr r0, LCPI17
134         ldr r1, LCPI17+4
135         ldr r2, LCPI17+8
136
137    Then the ldr's can be combined into a single ldm. See Olden/power.
138
139 Note for ARM v4 gcc uses ldmia to load a pair of 32-bit values to represent a
140 double 64-bit FP constant:
141
142         adr     r0, L6
143         ldmia   r0, {r0-r1}
144
145         .align 2
146 L6:
147         .long   -858993459
148         .long   1074318540
149
150 5) Can we make use of ldrd and strd? Instead of generating ldm / stm, use
151 ldrd/strd instead if there are only two destination registers that form an
152 odd/even pair. However, we probably would pay a penalty if the address is not
153 aligned on 8-byte boundary. This requires more information on load / store
154 nodes (and MI's?) then we currently carry.
155
156 6) struct copies appear to be done field by field 
157 instead of by words, at least sometimes:
158
159 struct foo { int x; short s; char c1; char c2; };
160 void cpy(struct foo*a, struct foo*b) { *a = *b; }
161
162 llvm code (-O2)
163         ldrb r3, [r1, #+6]
164         ldr r2, [r1]
165         ldrb r12, [r1, #+7]
166         ldrh r1, [r1, #+4]
167         str r2, [r0]
168         strh r1, [r0, #+4]
169         strb r3, [r0, #+6]
170         strb r12, [r0, #+7]
171 gcc code (-O2)
172         ldmia   r1, {r1-r2}
173         stmia   r0, {r1-r2}
174
175 In this benchmark poor handling of aggregate copies has shown up as
176 having a large effect on size, and possibly speed as well (we don't have
177 a good way to measure on ARM).
178
179 //===---------------------------------------------------------------------===//
180
181 * Consider this silly example:
182
183 double bar(double x) {  
184   double r = foo(3.1);
185   return x+r;
186 }
187
188 _bar:
189         sub sp, sp, #16
190         str r4, [sp, #+12]
191         str r5, [sp, #+8]
192         str lr, [sp, #+4]
193         mov r4, r0
194         mov r5, r1
195         ldr r0, LCPI2_0
196         bl _foo
197         fmsr f0, r0
198         fcvtsd d0, f0
199         fmdrr d1, r4, r5
200         faddd d0, d0, d1
201         fmrrd r0, r1, d0
202         ldr lr, [sp, #+4]
203         ldr r5, [sp, #+8]
204         ldr r4, [sp, #+12]
205         add sp, sp, #16
206         bx lr
207
208 Ignore the prologue and epilogue stuff for a second. Note 
209         mov r4, r0
210         mov r5, r1
211 the copys to callee-save registers and the fact they are only being used by the
212 fmdrr instruction. It would have been better had the fmdrr been scheduled
213 before the call and place the result in a callee-save DPR register. The two
214 mov ops would not have been necessary.
215
216 //===---------------------------------------------------------------------===//
217
218 Calling convention related stuff:
219
220 * gcc's parameter passing implementation is terrible and we suffer as a result:
221
222 e.g.
223 struct s {
224   double d1;
225   int s1;
226 };
227
228 void foo(struct s S) {
229   printf("%g, %d\n", S.d1, S.s1);
230 }
231
232 'S' is passed via registers r0, r1, r2. But gcc stores them to the stack, and
233 then reload them to r1, r2, and r3 before issuing the call (r0 contains the
234 address of the format string):
235
236         stmfd   sp!, {r7, lr}
237         add     r7, sp, #0
238         sub     sp, sp, #12
239         stmia   sp, {r0, r1, r2}
240         ldmia   sp, {r1-r2}
241         ldr     r0, L5
242         ldr     r3, [sp, #8]
243 L2:
244         add     r0, pc, r0
245         bl      L_printf$stub
246
247 Instead of a stmia, ldmia, and a ldr, wouldn't it be better to do three moves?
248
249 * Return an aggregate type is even worse:
250
251 e.g.
252 struct s foo(void) {
253   struct s S = {1.1, 2};
254   return S;
255 }
256
257         mov     ip, r0
258         ldr     r0, L5
259         sub     sp, sp, #12
260 L2:
261         add     r0, pc, r0
262         @ lr needed for prologue
263         ldmia   r0, {r0, r1, r2}
264         stmia   sp, {r0, r1, r2}
265         stmia   ip, {r0, r1, r2}
266         mov     r0, ip
267         add     sp, sp, #12
268         bx      lr
269
270 r0 (and later ip) is the hidden parameter from caller to store the value in. The
271 first ldmia loads the constants into r0, r1, r2. The last stmia stores r0, r1,
272 r2 into the address passed in. However, there is one additional stmia that
273 stores r0, r1, and r2 to some stack location. The store is dead.
274
275 The llvm-gcc generated code looks like this:
276
277 csretcc void %foo(%struct.s* %agg.result) {
278 entry:
279         %S = alloca %struct.s, align 4          ; <%struct.s*> [#uses=1]
280         %memtmp = alloca %struct.s              ; <%struct.s*> [#uses=1]
281         cast %struct.s* %S to sbyte*            ; <sbyte*>:0 [#uses=2]
282         call void %llvm.memcpy.i32( sbyte* %0, sbyte* cast ({ double, int }* %C.0.904 to sbyte*), uint 12, uint 4 )
283         cast %struct.s* %agg.result to sbyte*           ; <sbyte*>:1 [#uses=2]
284         call void %llvm.memcpy.i32( sbyte* %1, sbyte* %0, uint 12, uint 0 )
285         cast %struct.s* %memtmp to sbyte*               ; <sbyte*>:2 [#uses=1]
286         call void %llvm.memcpy.i32( sbyte* %2, sbyte* %1, uint 12, uint 0 )
287         ret void
288 }
289
290 llc ends up issuing two memcpy's (the first memcpy becomes 3 loads from
291 constantpool). Perhaps we should 1) fix llvm-gcc so the memcpy is translated
292 into a number of load and stores, or 2) custom lower memcpy (of small size) to
293 be ldmia / stmia. I think option 2 is better but the current register
294 allocator cannot allocate a chunk of registers at a time.
295
296 A feasible temporary solution is to use specific physical registers at the
297 lowering time for small (<= 4 words?) transfer size.
298
299 * ARM CSRet calling convention requires the hidden argument to be returned by
300 the callee.
301
302 //===---------------------------------------------------------------------===//
303
304 We can definitely do a better job on BB placements to eliminate some branches.
305 It's very common to see llvm generated assembly code that looks like this:
306
307 LBB3:
308  ...
309 LBB4:
310 ...
311   beq LBB3
312   b LBB2
313
314 If BB4 is the only predecessor of BB3, then we can emit BB3 after BB4. We can
315 then eliminate beq and and turn the unconditional branch to LBB2 to a bne.
316
317 See McCat/18-imp/ComputeBoundingBoxes for an example.
318
319 //===---------------------------------------------------------------------===//
320
321 Register scavenging is now implemented.  The example in the previous version
322 of this document produces optimal code at -O2.
323
324 //===---------------------------------------------------------------------===//
325
326 Pre-/post- indexed load / stores:
327
328 1) We should not make the pre/post- indexed load/store transform if the base ptr
329 is guaranteed to be live beyond the load/store. This can happen if the base
330 ptr is live out of the block we are performing the optimization. e.g.
331
332 mov r1, r2
333 ldr r3, [r1], #4
334 ...
335
336 vs.
337
338 ldr r3, [r2]
339 add r1, r2, #4
340 ...
341
342 In most cases, this is just a wasted optimization. However, sometimes it can
343 negatively impact the performance because two-address code is more restrictive
344 when it comes to scheduling.
345
346 Unfortunately, liveout information is currently unavailable during DAG combine
347 time.
348
349 2) Consider spliting a indexed load / store into a pair of add/sub + load/store
350    to solve #1 (in TwoAddressInstructionPass.cpp).
351
352 3) Enhance LSR to generate more opportunities for indexed ops.
353
354 4) Once we added support for multiple result patterns, write indexed loads
355    patterns instead of C++ instruction selection code.
356
357 5) Use FLDM / FSTM to emulate indexed FP load / store.
358
359 //===---------------------------------------------------------------------===//
360
361 We should add i64 support to take advantage of the 64-bit load / stores.
362 We can add a pseudo i64 register class containing pseudo registers that are
363 register pairs. All other ops (e.g. add, sub) would be expanded as usual.
364
365 We need to add pseudo instructions (i.e. gethi / getlo) to extract i32 registers
366 from the i64 register. These are single moves which can be eliminated if the
367 destination register is a sub-register of the source. We should implement proper
368 subreg support in the register allocator to coalesce these away.
369
370 There are other minor issues such as multiple instructions for a spill / restore
371 / move.
372
373 //===---------------------------------------------------------------------===//
374
375 Implement support for some more tricky ways to materialize immediates.  For
376 example, to get 0xffff8000, we can use:
377
378 mov r9, #&3f8000
379 sub r9, r9, #&400000
380
381 //===---------------------------------------------------------------------===//
382
383 We sometimes generate multiple add / sub instructions to update sp in prologue
384 and epilogue if the inc / dec value is too large to fit in a single immediate
385 operand. In some cases, perhaps it might be better to load the value from a
386 constantpool instead.
387
388 //===---------------------------------------------------------------------===//
389
390 GCC generates significantly better code for this function.
391
392 int foo(int StackPtr, unsigned char *Line, unsigned char *Stack, int LineLen) {
393     int i = 0;
394
395     if (StackPtr != 0) {
396        while (StackPtr != 0 && i < (((LineLen) < (32768))? (LineLen) : (32768)))
397           Line[i++] = Stack[--StackPtr];
398         if (LineLen > 32768)
399         {
400             while (StackPtr != 0 && i < LineLen)
401             {
402                 i++;
403                 --StackPtr;
404             }
405         }
406     }
407     return StackPtr;
408 }
409
410 //===---------------------------------------------------------------------===//
411
412 This should compile to the mlas instruction:
413 int mlas(int x, int y, int z) { return ((x * y + z) < 0) ? 7 : 13; }
414
415 //===---------------------------------------------------------------------===//
416
417 At some point, we should triage these to see if they still apply to us:
418
419 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=19598
420 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=18560
421 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=27016
422
423 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=11831
424 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=11826
425 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=11825
426 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=11824
427 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=11823
428 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=11820
429 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=10982
430
431 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=10242
432 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=9831
433 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=9760
434 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=9759
435 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=9703
436 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=9702
437 http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=9663
438
439 http://www.inf.u-szeged.hu/gcc-arm/
440 http://citeseer.ist.psu.edu/debus04linktime.html
441
442 //===---------------------------------------------------------------------===//
443
444 gcc generates smaller code for this function at -O2 or -Os:
445
446 void foo(signed char* p) {
447   if (*p == 3)
448      bar();
449    else if (*p == 4)
450     baz();
451   else if (*p == 5)
452     quux();
453 }
454
455 llvm decides it's a good idea to turn the repeated if...else into a
456 binary tree, as if it were a switch; the resulting code requires -1 
457 compare-and-branches when *p<=2 or *p==5, the same number if *p==4
458 or *p>6, and +1 if *p==3.  So it should be a speed win
459 (on balance).  However, the revised code is larger, with 4 conditional 
460 branches instead of 3.
461
462 More seriously, there is a byte->word extend before
463 each comparison, where there should be only one, and the condition codes
464 are not remembered when the same two values are compared twice.
465
466 //===---------------------------------------------------------------------===//
467
468 More register scavenging work:
469
470 1. Use the register scavenger to track frame index materialized into registers
471    (those that do not fit in addressing modes) to allow reuse in the same BB.
472 2. Finish scavenging for Thumb.
473 3. We know some spills and restores are unnecessary. The issue is once live
474    intervals are merged, they are not never split. So every def is spilled
475    and every use requires a restore if the register allocator decides the
476    resulting live interval is not assigned a physical register. It may be
477    possible (with the help of the scavenger) to turn some spill / restore
478    pairs into register copies.
479
480 //===---------------------------------------------------------------------===//
481
482 More LSR enhancements possible:
483
484 1. Teach LSR about pre- and post- indexed ops to allow iv increment be merged
485    in a load / store.
486 2. Allow iv reuse even when a type conversion is required. For example, i8
487    and i32 load / store addressing modes are identical.
488
489
490 //===---------------------------------------------------------------------===//
491
492 This:
493
494 int foo(int a, int b, int c, int d) {
495   long long acc = (long long)a * (long long)b;
496   acc += (long long)c * (long long)d;
497   return (int)(acc >> 32);
498 }
499
500 Should compile to use SMLAL (Signed Multiply Accumulate Long) which multiplies 
501 two signed 32-bit values to produce a 64-bit value, and accumulates this with 
502 a 64-bit value.
503
504 We currently get this with v6:
505
506 _foo:
507         mul r12, r1, r0
508         smmul r1, r1, r0
509         smmul r0, r3, r2
510         mul r3, r3, r2
511         adds r3, r3, r12
512         adc r0, r0, r1
513         bx lr
514
515 and this with v4:
516
517 _foo:
518         stmfd sp!, {r7, lr}
519         mov r7, sp
520         mul r12, r1, r0
521         smull r0, r1, r1, r0
522         smull lr, r0, r3, r2
523         mul r3, r3, r2
524         adds r3, r3, r12
525         adc r0, r0, r1
526         ldmfd sp!, {r7, pc}
527
528 This apparently occurs in real code.
529
530 //===---------------------------------------------------------------------===//
531
532 This:
533         #include <algorithm>
534         std::pair<unsigned, bool> full_add(unsigned a, unsigned b)
535         { return std::make_pair(a + b, a + b < a); }
536         bool no_overflow(unsigned a, unsigned b)
537         { return !full_add(a, b).second; }
538
539 Should compile to:
540
541 _Z8full_addjj:
542         adds    r2, r1, r2
543         movcc   r1, #0
544         movcs   r1, #1
545         str     r2, [r0, #0]
546         strb    r1, [r0, #4]
547         mov     pc, lr
548
549 _Z11no_overflowjj:
550         cmn     r0, r1
551         movcs   r0, #0
552         movcc   r0, #1
553         mov     pc, lr
554
555 not:
556
557 __Z8full_addjj:
558         add r3, r2, r1
559         str r3, [r0]
560         mov r2, #1
561         mov r12, #0
562         cmp r3, r1
563         movlo r12, r2
564         str r12, [r0, #+4]
565         bx lr
566 __Z11no_overflowjj:
567         add r3, r1, r0
568         mov r2, #1
569         mov r1, #0
570         cmp r3, r0
571         movhs r1, r2
572         mov r0, r1
573         bx lr
574
575 //===---------------------------------------------------------------------===//
576