[TTI] Make the cost APIs in TargetTransformInfo consistently use 'int'
[oota-llvm.git] / lib / Target / ARM / Thumb2SizeReduction.cpp
1 //===-- Thumb2SizeReduction.cpp - Thumb2 code size reduction pass -*- 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 #include "ARM.h"
11 #include "ARMBaseInstrInfo.h"
12 #include "ARMSubtarget.h"
13 #include "MCTargetDesc/ARMAddressingModes.h"
14 #include "Thumb2InstrInfo.h"
15 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
16 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
17 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
18 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
19 #include "llvm/CodeGen/MachineInstr.h"
20 #include "llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h"
21 #include "llvm/IR/Function.h"        // To access Function attributes
22 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
23 #include "llvm/Support/Debug.h"
24 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
25 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
26 using namespace llvm;
27
28 #define DEBUG_TYPE "t2-reduce-size"
29
30 STATISTIC(NumNarrows,  "Number of 32-bit instrs reduced to 16-bit ones");
31 STATISTIC(Num2Addrs,   "Number of 32-bit instrs reduced to 2addr 16-bit ones");
32 STATISTIC(NumLdSts,    "Number of 32-bit load / store reduced to 16-bit ones");
33
34 static cl::opt<int> ReduceLimit("t2-reduce-limit",
35                                 cl::init(-1), cl::Hidden);
36 static cl::opt<int> ReduceLimit2Addr("t2-reduce-limit2",
37                                      cl::init(-1), cl::Hidden);
38 static cl::opt<int> ReduceLimitLdSt("t2-reduce-limit3",
39                                      cl::init(-1), cl::Hidden);
40
41 namespace {
42   /// ReduceTable - A static table with information on mapping from wide
43   /// opcodes to narrow
44   struct ReduceEntry {
45     uint16_t WideOpc;      // Wide opcode
46     uint16_t NarrowOpc1;   // Narrow opcode to transform to
47     uint16_t NarrowOpc2;   // Narrow opcode when it's two-address
48     uint8_t  Imm1Limit;    // Limit of immediate field (bits)
49     uint8_t  Imm2Limit;    // Limit of immediate field when it's two-address
50     unsigned LowRegs1 : 1; // Only possible if low-registers are used
51     unsigned LowRegs2 : 1; // Only possible if low-registers are used (2addr)
52     unsigned PredCC1  : 2; // 0 - If predicated, cc is on and vice versa.
53                            // 1 - No cc field.
54                            // 2 - Always set CPSR.
55     unsigned PredCC2  : 2;
56     unsigned PartFlag : 1; // 16-bit instruction does partial flag update
57     unsigned Special  : 1; // Needs to be dealt with specially
58     unsigned AvoidMovs: 1; // Avoid movs with shifter operand (for Swift)
59   };
60
61   static const ReduceEntry ReduceTable[] = {
62   // Wide,        Narrow1,      Narrow2,     imm1,imm2, lo1, lo2, P/C,PF,S,AM
63   { ARM::t2ADCrr, 0,            ARM::tADC,     0,   0,   0,   1,  0,0, 0,0,0 },
64   { ARM::t2ADDri, ARM::tADDi3,  ARM::tADDi8,   3,   8,   1,   1,  0,0, 0,1,0 },
65   { ARM::t2ADDrr, ARM::tADDrr,  ARM::tADDhirr, 0,   0,   1,   0,  0,1, 0,0,0 },
66   { ARM::t2ADDSri,ARM::tADDi3,  ARM::tADDi8,   3,   8,   1,   1,  2,2, 0,1,0 },
67   { ARM::t2ADDSrr,ARM::tADDrr,  0,             0,   0,   1,   0,  2,0, 0,1,0 },
68   { ARM::t2ANDrr, 0,            ARM::tAND,     0,   0,   0,   1,  0,0, 1,0,0 },
69   { ARM::t2ASRri, ARM::tASRri,  0,             5,   0,   1,   0,  0,0, 1,0,1 },
70   { ARM::t2ASRrr, 0,            ARM::tASRrr,   0,   0,   0,   1,  0,0, 1,0,1 },
71   { ARM::t2BICrr, 0,            ARM::tBIC,     0,   0,   0,   1,  0,0, 1,0,0 },
72   //FIXME: Disable CMN, as CCodes are backwards from compare expectations
73   //{ ARM::t2CMNrr, ARM::tCMN,  0,             0,   0,   1,   0,  2,0, 0,0,0 },
74   { ARM::t2CMNzrr, ARM::tCMNz,  0,             0,   0,   1,   0,  2,0, 0,0,0 },
75   { ARM::t2CMPri, ARM::tCMPi8,  0,             8,   0,   1,   0,  2,0, 0,0,0 },
76   { ARM::t2CMPrr, ARM::tCMPhir, 0,             0,   0,   0,   0,  2,0, 0,1,0 },
77   { ARM::t2EORrr, 0,            ARM::tEOR,     0,   0,   0,   1,  0,0, 1,0,0 },
78   // FIXME: adr.n immediate offset must be multiple of 4.
79   //{ ARM::t2LEApcrelJT,ARM::tLEApcrelJT, 0,   0,   0,   1,   0,  1,0, 0,0,0 },
80   { ARM::t2LSLri, ARM::tLSLri,  0,             5,   0,   1,   0,  0,0, 1,0,1 },
81   { ARM::t2LSLrr, 0,            ARM::tLSLrr,   0,   0,   0,   1,  0,0, 1,0,1 },
82   { ARM::t2LSRri, ARM::tLSRri,  0,             5,   0,   1,   0,  0,0, 1,0,1 },
83   { ARM::t2LSRrr, 0,            ARM::tLSRrr,   0,   0,   0,   1,  0,0, 1,0,1 },
84   { ARM::t2MOVi,  ARM::tMOVi8,  0,             8,   0,   1,   0,  0,0, 1,0,0 },
85   { ARM::t2MOVi16,ARM::tMOVi8,  0,             8,   0,   1,   0,  0,0, 1,1,0 },
86   // FIXME: Do we need the 16-bit 'S' variant?
87   { ARM::t2MOVr,ARM::tMOVr,     0,             0,   0,   0,   0,  1,0, 0,0,0 },
88   { ARM::t2MUL,   0,            ARM::tMUL,     0,   0,   0,   1,  0,0, 1,0,0 },
89   { ARM::t2MVNr,  ARM::tMVN,    0,             0,   0,   1,   0,  0,0, 0,0,0 },
90   { ARM::t2ORRrr, 0,            ARM::tORR,     0,   0,   0,   1,  0,0, 1,0,0 },
91   { ARM::t2REV,   ARM::tREV,    0,             0,   0,   1,   0,  1,0, 0,0,0 },
92   { ARM::t2REV16, ARM::tREV16,  0,             0,   0,   1,   0,  1,0, 0,0,0 },
93   { ARM::t2REVSH, ARM::tREVSH,  0,             0,   0,   1,   0,  1,0, 0,0,0 },
94   { ARM::t2RORrr, 0,            ARM::tROR,     0,   0,   0,   1,  0,0, 1,0,0 },
95   { ARM::t2RSBri, ARM::tRSB,    0,             0,   0,   1,   0,  0,0, 0,1,0 },
96   { ARM::t2RSBSri,ARM::tRSB,    0,             0,   0,   1,   0,  2,0, 0,1,0 },
97   { ARM::t2SBCrr, 0,            ARM::tSBC,     0,   0,   0,   1,  0,0, 0,0,0 },
98   { ARM::t2SUBri, ARM::tSUBi3,  ARM::tSUBi8,   3,   8,   1,   1,  0,0, 0,0,0 },
99   { ARM::t2SUBrr, ARM::tSUBrr,  0,             0,   0,   1,   0,  0,0, 0,0,0 },
100   { ARM::t2SUBSri,ARM::tSUBi3,  ARM::tSUBi8,   3,   8,   1,   1,  2,2, 0,0,0 },
101   { ARM::t2SUBSrr,ARM::tSUBrr,  0,             0,   0,   1,   0,  2,0, 0,0,0 },
102   { ARM::t2SXTB,  ARM::tSXTB,   0,             0,   0,   1,   0,  1,0, 0,1,0 },
103   { ARM::t2SXTH,  ARM::tSXTH,   0,             0,   0,   1,   0,  1,0, 0,1,0 },
104   { ARM::t2TSTrr, ARM::tTST,    0,             0,   0,   1,   0,  2,0, 0,0,0 },
105   { ARM::t2UXTB,  ARM::tUXTB,   0,             0,   0,   1,   0,  1,0, 0,1,0 },
106   { ARM::t2UXTH,  ARM::tUXTH,   0,             0,   0,   1,   0,  1,0, 0,1,0 },
107
108   // FIXME: Clean this up after splitting each Thumb load / store opcode
109   // into multiple ones.
110   { ARM::t2LDRi12,ARM::tLDRi,   ARM::tLDRspi,  5,   8,   1,   0,  0,0, 0,1,0 },
111   { ARM::t2LDRs,  ARM::tLDRr,   0,             0,   0,   1,   0,  0,0, 0,1,0 },
112   { ARM::t2LDRBi12,ARM::tLDRBi, 0,             5,   0,   1,   0,  0,0, 0,1,0 },
113   { ARM::t2LDRBs, ARM::tLDRBr,  0,             0,   0,   1,   0,  0,0, 0,1,0 },
114   { ARM::t2LDRHi12,ARM::tLDRHi, 0,             5,   0,   1,   0,  0,0, 0,1,0 },
115   { ARM::t2LDRHs, ARM::tLDRHr,  0,             0,   0,   1,   0,  0,0, 0,1,0 },
116   { ARM::t2LDRSBs,ARM::tLDRSB,  0,             0,   0,   1,   0,  0,0, 0,1,0 },
117   { ARM::t2LDRSHs,ARM::tLDRSH,  0,             0,   0,   1,   0,  0,0, 0,1,0 },
118   { ARM::t2STRi12,ARM::tSTRi,   ARM::tSTRspi,  5,   8,   1,   0,  0,0, 0,1,0 },
119   { ARM::t2STRs,  ARM::tSTRr,   0,             0,   0,   1,   0,  0,0, 0,1,0 },
120   { ARM::t2STRBi12,ARM::tSTRBi, 0,             5,   0,   1,   0,  0,0, 0,1,0 },
121   { ARM::t2STRBs, ARM::tSTRBr,  0,             0,   0,   1,   0,  0,0, 0,1,0 },
122   { ARM::t2STRHi12,ARM::tSTRHi, 0,             5,   0,   1,   0,  0,0, 0,1,0 },
123   { ARM::t2STRHs, ARM::tSTRHr,  0,             0,   0,   1,   0,  0,0, 0,1,0 },
124
125   { ARM::t2LDMIA, ARM::tLDMIA,  0,             0,   0,   1,   1,  1,1, 0,1,0 },
126   { ARM::t2LDMIA_RET,0,         ARM::tPOP_RET, 0,   0,   1,   1,  1,1, 0,1,0 },
127   { ARM::t2LDMIA_UPD,ARM::tLDMIA_UPD,ARM::tPOP,0,   0,   1,   1,  1,1, 0,1,0 },
128   // ARM::t2STM (with no basereg writeback) has no Thumb1 equivalent
129   { ARM::t2STMIA_UPD,ARM::tSTMIA_UPD, 0,       0,   0,   1,   1,  1,1, 0,1,0 },
130   { ARM::t2STMDB_UPD, 0,        ARM::tPUSH,    0,   0,   1,   1,  1,1, 0,1,0 }
131   };
132
133   class Thumb2SizeReduce : public MachineFunctionPass {
134   public:
135     static char ID;
136     Thumb2SizeReduce(std::function<bool(const Function &)> Ftor);
137
138     const Thumb2InstrInfo *TII;
139     const ARMSubtarget *STI;
140
141     bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) override;
142
143     const char *getPassName() const override {
144       return "Thumb2 instruction size reduction pass";
145     }
146
147   private:
148     /// ReduceOpcodeMap - Maps wide opcode to index of entry in ReduceTable.
149     DenseMap<unsigned, unsigned> ReduceOpcodeMap;
150
151     bool canAddPseudoFlagDep(MachineInstr *Use, bool IsSelfLoop);
152
153     bool VerifyPredAndCC(MachineInstr *MI, const ReduceEntry &Entry,
154                          bool is2Addr, ARMCC::CondCodes Pred,
155                          bool LiveCPSR, bool &HasCC, bool &CCDead);
156
157     bool ReduceLoadStore(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
158                          const ReduceEntry &Entry);
159
160     bool ReduceSpecial(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
161                        const ReduceEntry &Entry, bool LiveCPSR, bool IsSelfLoop);
162
163     /// ReduceTo2Addr - Reduce a 32-bit instruction to a 16-bit two-address
164     /// instruction.
165     bool ReduceTo2Addr(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
166                        const ReduceEntry &Entry, bool LiveCPSR,
167                        bool IsSelfLoop);
168
169     /// ReduceToNarrow - Reduce a 32-bit instruction to a 16-bit
170     /// non-two-address instruction.
171     bool ReduceToNarrow(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
172                         const ReduceEntry &Entry, bool LiveCPSR,
173                         bool IsSelfLoop);
174
175     /// ReduceMI - Attempt to reduce MI, return true on success.
176     bool ReduceMI(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
177                   bool LiveCPSR, bool IsSelfLoop);
178
179     /// ReduceMBB - Reduce width of instructions in the specified basic block.
180     bool ReduceMBB(MachineBasicBlock &MBB);
181
182     bool OptimizeSize;
183     bool MinimizeSize;
184
185     // Last instruction to define CPSR in the current block.
186     MachineInstr *CPSRDef;
187     // Was CPSR last defined by a high latency instruction?
188     // When CPSRDef is null, this refers to CPSR defs in predecessors.
189     bool HighLatencyCPSR;
190
191     struct MBBInfo {
192       // The flags leaving this block have high latency.
193       bool HighLatencyCPSR;
194       // Has this block been visited yet?
195       bool Visited;
196
197       MBBInfo() : HighLatencyCPSR(false), Visited(false) {}
198     };
199
200     SmallVector<MBBInfo, 8> BlockInfo;
201
202     std::function<bool(const Function &)> PredicateFtor;
203   };
204   char Thumb2SizeReduce::ID = 0;
205 }
206
207 Thumb2SizeReduce::Thumb2SizeReduce(std::function<bool(const Function &)> Ftor)
208     : MachineFunctionPass(ID), PredicateFtor(Ftor) {
209   OptimizeSize = MinimizeSize = false;
210   for (unsigned i = 0, e = array_lengthof(ReduceTable); i != e; ++i) {
211     unsigned FromOpc = ReduceTable[i].WideOpc;
212     if (!ReduceOpcodeMap.insert(std::make_pair(FromOpc, i)).second)
213       assert(false && "Duplicated entries?");
214   }
215 }
216
217 static bool HasImplicitCPSRDef(const MCInstrDesc &MCID) {
218   for (const uint16_t *Regs = MCID.getImplicitDefs(); *Regs; ++Regs)
219     if (*Regs == ARM::CPSR)
220       return true;
221   return false;
222 }
223
224 // Check for a likely high-latency flag def.
225 static bool isHighLatencyCPSR(MachineInstr *Def) {
226   switch(Def->getOpcode()) {
227   case ARM::FMSTAT:
228   case ARM::tMUL:
229     return true;
230   }
231   return false;
232 }
233
234 /// canAddPseudoFlagDep - For A9 (and other out-of-order) implementations,
235 /// the 's' 16-bit instruction partially update CPSR. Abort the
236 /// transformation to avoid adding false dependency on last CPSR setting
237 /// instruction which hurts the ability for out-of-order execution engine
238 /// to do register renaming magic.
239 /// This function checks if there is a read-of-write dependency between the
240 /// last instruction that defines the CPSR and the current instruction. If there
241 /// is, then there is no harm done since the instruction cannot be retired
242 /// before the CPSR setting instruction anyway.
243 /// Note, we are not doing full dependency analysis here for the sake of compile
244 /// time. We're not looking for cases like:
245 /// r0 = muls ...
246 /// r1 = add.w r0, ...
247 /// ...
248 ///    = mul.w r1
249 /// In this case it would have been ok to narrow the mul.w to muls since there
250 /// are indirect RAW dependency between the muls and the mul.w
251 bool
252 Thumb2SizeReduce::canAddPseudoFlagDep(MachineInstr *Use, bool FirstInSelfLoop) {
253   // Disable the check for -Oz (aka OptimizeForSizeHarder).
254   if (MinimizeSize || !STI->avoidCPSRPartialUpdate())
255     return false;
256
257   if (!CPSRDef)
258     // If this BB loops back to itself, conservatively avoid narrowing the
259     // first instruction that does partial flag update.
260     return HighLatencyCPSR || FirstInSelfLoop;
261
262   SmallSet<unsigned, 2> Defs;
263   for (const MachineOperand &MO : CPSRDef->operands()) {
264     if (!MO.isReg() || MO.isUndef() || MO.isUse())
265       continue;
266     unsigned Reg = MO.getReg();
267     if (Reg == 0 || Reg == ARM::CPSR)
268       continue;
269     Defs.insert(Reg);
270   }
271
272   for (const MachineOperand &MO : Use->operands()) {
273     if (!MO.isReg() || MO.isUndef() || MO.isDef())
274       continue;
275     unsigned Reg = MO.getReg();
276     if (Defs.count(Reg))
277       return false;
278   }
279
280   // If the current CPSR has high latency, try to avoid the false dependency.
281   if (HighLatencyCPSR)
282     return true;
283
284   // tMOVi8 usually doesn't start long dependency chains, and there are a lot
285   // of them, so always shrink them when CPSR doesn't have high latency.
286   if (Use->getOpcode() == ARM::t2MOVi ||
287       Use->getOpcode() == ARM::t2MOVi16)
288     return false;
289
290   // No read-after-write dependency. The narrowing will add false dependency.
291   return true;
292 }
293
294 bool
295 Thumb2SizeReduce::VerifyPredAndCC(MachineInstr *MI, const ReduceEntry &Entry,
296                                   bool is2Addr, ARMCC::CondCodes Pred,
297                                   bool LiveCPSR, bool &HasCC, bool &CCDead) {
298   if ((is2Addr  && Entry.PredCC2 == 0) ||
299       (!is2Addr && Entry.PredCC1 == 0)) {
300     if (Pred == ARMCC::AL) {
301       // Not predicated, must set CPSR.
302       if (!HasCC) {
303         // Original instruction was not setting CPSR, but CPSR is not
304         // currently live anyway. It's ok to set it. The CPSR def is
305         // dead though.
306         if (!LiveCPSR) {
307           HasCC = true;
308           CCDead = true;
309           return true;
310         }
311         return false;
312       }
313     } else {
314       // Predicated, must not set CPSR.
315       if (HasCC)
316         return false;
317     }
318   } else if ((is2Addr  && Entry.PredCC2 == 2) ||
319              (!is2Addr && Entry.PredCC1 == 2)) {
320     /// Old opcode has an optional def of CPSR.
321     if (HasCC)
322       return true;
323     // If old opcode does not implicitly define CPSR, then it's not ok since
324     // these new opcodes' CPSR def is not meant to be thrown away. e.g. CMP.
325     if (!HasImplicitCPSRDef(MI->getDesc()))
326       return false;
327     HasCC = true;
328   } else {
329     // 16-bit instruction does not set CPSR.
330     if (HasCC)
331       return false;
332   }
333
334   return true;
335 }
336
337 static bool VerifyLowRegs(MachineInstr *MI) {
338   unsigned Opc = MI->getOpcode();
339   bool isPCOk = (Opc == ARM::t2LDMIA_RET || Opc == ARM::t2LDMIA_UPD);
340   bool isLROk = (Opc == ARM::t2STMDB_UPD);
341   bool isSPOk = isPCOk || isLROk;
342   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
343     const MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
344     if (!MO.isReg() || MO.isImplicit())
345       continue;
346     unsigned Reg = MO.getReg();
347     if (Reg == 0 || Reg == ARM::CPSR)
348       continue;
349     if (isPCOk && Reg == ARM::PC)
350       continue;
351     if (isLROk && Reg == ARM::LR)
352       continue;
353     if (Reg == ARM::SP) {
354       if (isSPOk)
355         continue;
356       if (i == 1 && (Opc == ARM::t2LDRi12 || Opc == ARM::t2STRi12))
357         // Special case for these ldr / str with sp as base register.
358         continue;
359     }
360     if (!isARMLowRegister(Reg))
361       return false;
362   }
363   return true;
364 }
365
366 bool
367 Thumb2SizeReduce::ReduceLoadStore(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
368                                   const ReduceEntry &Entry) {
369   if (ReduceLimitLdSt != -1 && ((int)NumLdSts >= ReduceLimitLdSt))
370     return false;
371
372   unsigned Scale = 1;
373   bool HasImmOffset = false;
374   bool HasShift = false;
375   bool HasOffReg = true;
376   bool isLdStMul = false;
377   unsigned Opc = Entry.NarrowOpc1;
378   unsigned OpNum = 3; // First 'rest' of operands.
379   uint8_t  ImmLimit = Entry.Imm1Limit;
380
381   switch (Entry.WideOpc) {
382   default:
383     llvm_unreachable("Unexpected Thumb2 load / store opcode!");
384   case ARM::t2LDRi12:
385   case ARM::t2STRi12:
386     if (MI->getOperand(1).getReg() == ARM::SP) {
387       Opc = Entry.NarrowOpc2;
388       ImmLimit = Entry.Imm2Limit;
389     }
390
391     Scale = 4;
392     HasImmOffset = true;
393     HasOffReg = false;
394     break;
395   case ARM::t2LDRBi12:
396   case ARM::t2STRBi12:
397     HasImmOffset = true;
398     HasOffReg = false;
399     break;
400   case ARM::t2LDRHi12:
401   case ARM::t2STRHi12:
402     Scale = 2;
403     HasImmOffset = true;
404     HasOffReg = false;
405     break;
406   case ARM::t2LDRs:
407   case ARM::t2LDRBs:
408   case ARM::t2LDRHs:
409   case ARM::t2LDRSBs:
410   case ARM::t2LDRSHs:
411   case ARM::t2STRs:
412   case ARM::t2STRBs:
413   case ARM::t2STRHs:
414     HasShift = true;
415     OpNum = 4;
416     break;
417   case ARM::t2LDMIA: {
418     unsigned BaseReg = MI->getOperand(0).getReg();
419     assert(isARMLowRegister(BaseReg));
420
421     // For the non-writeback version (this one), the base register must be
422     // one of the registers being loaded.
423     bool isOK = false;
424     for (unsigned i = 3; i < MI->getNumOperands(); ++i) {
425       if (MI->getOperand(i).getReg() == BaseReg) {
426         isOK = true;
427         break;
428       }
429     }
430
431     if (!isOK)
432       return false;
433
434     OpNum = 0;
435     isLdStMul = true;
436     break;
437   }
438   case ARM::t2LDMIA_RET: {
439     unsigned BaseReg = MI->getOperand(1).getReg();
440     if (BaseReg != ARM::SP)
441       return false;
442     Opc = Entry.NarrowOpc2; // tPOP_RET
443     OpNum = 2;
444     isLdStMul = true;
445     break;
446   }
447   case ARM::t2LDMIA_UPD:
448   case ARM::t2STMIA_UPD:
449   case ARM::t2STMDB_UPD: {
450     OpNum = 0;
451
452     unsigned BaseReg = MI->getOperand(1).getReg();
453     if (BaseReg == ARM::SP &&
454         (Entry.WideOpc == ARM::t2LDMIA_UPD ||
455          Entry.WideOpc == ARM::t2STMDB_UPD)) {
456       Opc = Entry.NarrowOpc2; // tPOP or tPUSH
457       OpNum = 2;
458     } else if (!isARMLowRegister(BaseReg) ||
459                (Entry.WideOpc != ARM::t2LDMIA_UPD &&
460                 Entry.WideOpc != ARM::t2STMIA_UPD)) {
461       return false;
462     }
463
464     isLdStMul = true;
465     break;
466   }
467   }
468
469   unsigned OffsetReg = 0;
470   bool OffsetKill = false;
471   bool OffsetInternal = false;
472   if (HasShift) {
473     OffsetReg  = MI->getOperand(2).getReg();
474     OffsetKill = MI->getOperand(2).isKill();
475     OffsetInternal = MI->getOperand(2).isInternalRead();
476
477     if (MI->getOperand(3).getImm())
478       // Thumb1 addressing mode doesn't support shift.
479       return false;
480   }
481
482   unsigned OffsetImm = 0;
483   if (HasImmOffset) {
484     OffsetImm = MI->getOperand(2).getImm();
485     unsigned MaxOffset = ((1 << ImmLimit) - 1) * Scale;
486
487     if ((OffsetImm & (Scale - 1)) || OffsetImm > MaxOffset)
488       // Make sure the immediate field fits.
489       return false;
490   }
491
492   // Add the 16-bit load / store instruction.
493   DebugLoc dl = MI->getDebugLoc();
494   MachineInstrBuilder MIB = BuildMI(MBB, MI, dl, TII->get(Opc));
495   if (!isLdStMul) {
496     MIB.addOperand(MI->getOperand(0));
497     MIB.addOperand(MI->getOperand(1));
498
499     if (HasImmOffset)
500       MIB.addImm(OffsetImm / Scale);
501
502     assert((!HasShift || OffsetReg) && "Invalid so_reg load / store address!");
503
504     if (HasOffReg)
505       MIB.addReg(OffsetReg, getKillRegState(OffsetKill) |
506                             getInternalReadRegState(OffsetInternal));
507   }
508
509   // Transfer the rest of operands.
510   for (unsigned e = MI->getNumOperands(); OpNum != e; ++OpNum)
511     MIB.addOperand(MI->getOperand(OpNum));
512
513   // Transfer memoperands.
514   MIB->setMemRefs(MI->memoperands_begin(), MI->memoperands_end());
515
516   // Transfer MI flags.
517   MIB.setMIFlags(MI->getFlags());
518
519   DEBUG(errs() << "Converted 32-bit: " << *MI << "       to 16-bit: " << *MIB);
520
521   MBB.erase_instr(MI);
522   ++NumLdSts;
523   return true;
524 }
525
526 bool
527 Thumb2SizeReduce::ReduceSpecial(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
528                                 const ReduceEntry &Entry,
529                                 bool LiveCPSR, bool IsSelfLoop) {
530   unsigned Opc = MI->getOpcode();
531   if (Opc == ARM::t2ADDri) {
532     // If the source register is SP, try to reduce to tADDrSPi, otherwise
533     // it's a normal reduce.
534     if (MI->getOperand(1).getReg() != ARM::SP) {
535       if (ReduceTo2Addr(MBB, MI, Entry, LiveCPSR, IsSelfLoop))
536         return true;
537       return ReduceToNarrow(MBB, MI, Entry, LiveCPSR, IsSelfLoop);
538     }
539     // Try to reduce to tADDrSPi.
540     unsigned Imm = MI->getOperand(2).getImm();
541     // The immediate must be in range, the destination register must be a low
542     // reg, the predicate must be "always" and the condition flags must not
543     // be being set.
544     if (Imm & 3 || Imm > 1020)
545       return false;
546     if (!isARMLowRegister(MI->getOperand(0).getReg()))
547       return false;
548     if (MI->getOperand(3).getImm() != ARMCC::AL)
549       return false;
550     const MCInstrDesc &MCID = MI->getDesc();
551     if (MCID.hasOptionalDef() &&
552         MI->getOperand(MCID.getNumOperands()-1).getReg() == ARM::CPSR)
553       return false;
554
555     MachineInstrBuilder MIB = BuildMI(MBB, MI, MI->getDebugLoc(),
556                                       TII->get(ARM::tADDrSPi))
557       .addOperand(MI->getOperand(0))
558       .addOperand(MI->getOperand(1))
559       .addImm(Imm / 4); // The tADDrSPi has an implied scale by four.
560     AddDefaultPred(MIB);
561
562     // Transfer MI flags.
563     MIB.setMIFlags(MI->getFlags());
564
565     DEBUG(errs() << "Converted 32-bit: " << *MI << "       to 16-bit: " <<*MIB);
566
567     MBB.erase_instr(MI);
568     ++NumNarrows;
569     return true;
570   }
571
572   if (Entry.LowRegs1 && !VerifyLowRegs(MI))
573     return false;
574
575   if (MI->mayLoadOrStore())
576     return ReduceLoadStore(MBB, MI, Entry);
577
578   switch (Opc) {
579   default: break;
580   case ARM::t2ADDSri:
581   case ARM::t2ADDSrr: {
582     unsigned PredReg = 0;
583     if (getInstrPredicate(MI, PredReg) == ARMCC::AL) {
584       switch (Opc) {
585       default: break;
586       case ARM::t2ADDSri: {
587         if (ReduceTo2Addr(MBB, MI, Entry, LiveCPSR, IsSelfLoop))
588           return true;
589         // fallthrough
590       }
591       case ARM::t2ADDSrr:
592         return ReduceToNarrow(MBB, MI, Entry, LiveCPSR, IsSelfLoop);
593       }
594     }
595     break;
596   }
597   case ARM::t2RSBri:
598   case ARM::t2RSBSri:
599   case ARM::t2SXTB:
600   case ARM::t2SXTH:
601   case ARM::t2UXTB:
602   case ARM::t2UXTH:
603     if (MI->getOperand(2).getImm() == 0)
604       return ReduceToNarrow(MBB, MI, Entry, LiveCPSR, IsSelfLoop);
605     break;
606   case ARM::t2MOVi16:
607     // Can convert only 'pure' immediate operands, not immediates obtained as
608     // globals' addresses.
609     if (MI->getOperand(1).isImm())
610       return ReduceToNarrow(MBB, MI, Entry, LiveCPSR, IsSelfLoop);
611     break;
612   case ARM::t2CMPrr: {
613     // Try to reduce to the lo-reg only version first. Why there are two
614     // versions of the instruction is a mystery.
615     // It would be nice to just have two entries in the master table that
616     // are prioritized, but the table assumes a unique entry for each
617     // source insn opcode. So for now, we hack a local entry record to use.
618     static const ReduceEntry NarrowEntry =
619       { ARM::t2CMPrr,ARM::tCMPr, 0, 0, 0, 1, 1,2, 0, 0,1,0 };
620     if (ReduceToNarrow(MBB, MI, NarrowEntry, LiveCPSR, IsSelfLoop))
621       return true;
622     return ReduceToNarrow(MBB, MI, Entry, LiveCPSR, IsSelfLoop);
623   }
624   }
625   return false;
626 }
627
628 bool
629 Thumb2SizeReduce::ReduceTo2Addr(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
630                                 const ReduceEntry &Entry,
631                                 bool LiveCPSR, bool IsSelfLoop) {
632
633   if (ReduceLimit2Addr != -1 && ((int)Num2Addrs >= ReduceLimit2Addr))
634     return false;
635
636   if (!OptimizeSize && Entry.AvoidMovs && STI->avoidMOVsShifterOperand())
637     // Don't issue movs with shifter operand for some CPUs unless we
638     // are optimizing for size.
639     return false;
640
641   unsigned Reg0 = MI->getOperand(0).getReg();
642   unsigned Reg1 = MI->getOperand(1).getReg();
643   // t2MUL is "special". The tied source operand is second, not first.
644   if (MI->getOpcode() == ARM::t2MUL) {
645     unsigned Reg2 = MI->getOperand(2).getReg();
646     // Early exit if the regs aren't all low regs.
647     if (!isARMLowRegister(Reg0) || !isARMLowRegister(Reg1)
648         || !isARMLowRegister(Reg2))
649       return false;
650     if (Reg0 != Reg2) {
651       // If the other operand also isn't the same as the destination, we
652       // can't reduce.
653       if (Reg1 != Reg0)
654         return false;
655       // Try to commute the operands to make it a 2-address instruction.
656       MachineInstr *CommutedMI = TII->commuteInstruction(MI);
657       if (!CommutedMI)
658         return false;
659     }
660   } else if (Reg0 != Reg1) {
661     // Try to commute the operands to make it a 2-address instruction.
662     unsigned CommOpIdx1, CommOpIdx2;
663     if (!TII->findCommutedOpIndices(MI, CommOpIdx1, CommOpIdx2) ||
664         CommOpIdx1 != 1 || MI->getOperand(CommOpIdx2).getReg() != Reg0)
665       return false;
666     MachineInstr *CommutedMI = TII->commuteInstruction(MI);
667     if (!CommutedMI)
668       return false;
669   }
670   if (Entry.LowRegs2 && !isARMLowRegister(Reg0))
671     return false;
672   if (Entry.Imm2Limit) {
673     unsigned Imm = MI->getOperand(2).getImm();
674     unsigned Limit = (1 << Entry.Imm2Limit) - 1;
675     if (Imm > Limit)
676       return false;
677   } else {
678     unsigned Reg2 = MI->getOperand(2).getReg();
679     if (Entry.LowRegs2 && !isARMLowRegister(Reg2))
680       return false;
681   }
682
683   // Check if it's possible / necessary to transfer the predicate.
684   const MCInstrDesc &NewMCID = TII->get(Entry.NarrowOpc2);
685   unsigned PredReg = 0;
686   ARMCC::CondCodes Pred = getInstrPredicate(MI, PredReg);
687   bool SkipPred = false;
688   if (Pred != ARMCC::AL) {
689     if (!NewMCID.isPredicable())
690       // Can't transfer predicate, fail.
691       return false;
692   } else {
693     SkipPred = !NewMCID.isPredicable();
694   }
695
696   bool HasCC = false;
697   bool CCDead = false;
698   const MCInstrDesc &MCID = MI->getDesc();
699   if (MCID.hasOptionalDef()) {
700     unsigned NumOps = MCID.getNumOperands();
701     HasCC = (MI->getOperand(NumOps-1).getReg() == ARM::CPSR);
702     if (HasCC && MI->getOperand(NumOps-1).isDead())
703       CCDead = true;
704   }
705   if (!VerifyPredAndCC(MI, Entry, true, Pred, LiveCPSR, HasCC, CCDead))
706     return false;
707
708   // Avoid adding a false dependency on partial flag update by some 16-bit
709   // instructions which has the 's' bit set.
710   if (Entry.PartFlag && NewMCID.hasOptionalDef() && HasCC &&
711       canAddPseudoFlagDep(MI, IsSelfLoop))
712     return false;
713
714   // Add the 16-bit instruction.
715   DebugLoc dl = MI->getDebugLoc();
716   MachineInstrBuilder MIB = BuildMI(MBB, MI, dl, NewMCID);
717   MIB.addOperand(MI->getOperand(0));
718   if (NewMCID.hasOptionalDef()) {
719     if (HasCC)
720       AddDefaultT1CC(MIB, CCDead);
721     else
722       AddNoT1CC(MIB);
723   }
724
725   // Transfer the rest of operands.
726   unsigned NumOps = MCID.getNumOperands();
727   for (unsigned i = 1, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
728     if (i < NumOps && MCID.OpInfo[i].isOptionalDef())
729       continue;
730     if (SkipPred && MCID.OpInfo[i].isPredicate())
731       continue;
732     MIB.addOperand(MI->getOperand(i));
733   }
734
735   // Transfer MI flags.
736   MIB.setMIFlags(MI->getFlags());
737
738   DEBUG(errs() << "Converted 32-bit: " << *MI << "       to 16-bit: " << *MIB);
739
740   MBB.erase_instr(MI);
741   ++Num2Addrs;
742   return true;
743 }
744
745 bool
746 Thumb2SizeReduce::ReduceToNarrow(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
747                                  const ReduceEntry &Entry,
748                                  bool LiveCPSR, bool IsSelfLoop) {
749   if (ReduceLimit != -1 && ((int)NumNarrows >= ReduceLimit))
750     return false;
751
752   if (!OptimizeSize && Entry.AvoidMovs && STI->avoidMOVsShifterOperand())
753     // Don't issue movs with shifter operand for some CPUs unless we
754     // are optimizing for size.
755     return false;
756
757   unsigned Limit = ~0U;
758   if (Entry.Imm1Limit)
759     Limit = (1 << Entry.Imm1Limit) - 1;
760
761   const MCInstrDesc &MCID = MI->getDesc();
762   for (unsigned i = 0, e = MCID.getNumOperands(); i != e; ++i) {
763     if (MCID.OpInfo[i].isPredicate())
764       continue;
765     const MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
766     if (MO.isReg()) {
767       unsigned Reg = MO.getReg();
768       if (!Reg || Reg == ARM::CPSR)
769         continue;
770       if (Entry.LowRegs1 && !isARMLowRegister(Reg))
771         return false;
772     } else if (MO.isImm() &&
773                !MCID.OpInfo[i].isPredicate()) {
774       if (((unsigned)MO.getImm()) > Limit)
775         return false;
776     }
777   }
778
779   // Check if it's possible / necessary to transfer the predicate.
780   const MCInstrDesc &NewMCID = TII->get(Entry.NarrowOpc1);
781   unsigned PredReg = 0;
782   ARMCC::CondCodes Pred = getInstrPredicate(MI, PredReg);
783   bool SkipPred = false;
784   if (Pred != ARMCC::AL) {
785     if (!NewMCID.isPredicable())
786       // Can't transfer predicate, fail.
787       return false;
788   } else {
789     SkipPred = !NewMCID.isPredicable();
790   }
791
792   bool HasCC = false;
793   bool CCDead = false;
794   if (MCID.hasOptionalDef()) {
795     unsigned NumOps = MCID.getNumOperands();
796     HasCC = (MI->getOperand(NumOps-1).getReg() == ARM::CPSR);
797     if (HasCC && MI->getOperand(NumOps-1).isDead())
798       CCDead = true;
799   }
800   if (!VerifyPredAndCC(MI, Entry, false, Pred, LiveCPSR, HasCC, CCDead))
801     return false;
802
803   // Avoid adding a false dependency on partial flag update by some 16-bit
804   // instructions which has the 's' bit set.
805   if (Entry.PartFlag && NewMCID.hasOptionalDef() && HasCC &&
806       canAddPseudoFlagDep(MI, IsSelfLoop))
807     return false;
808
809   // Add the 16-bit instruction.
810   DebugLoc dl = MI->getDebugLoc();
811   MachineInstrBuilder MIB = BuildMI(MBB, MI, dl, NewMCID);
812   MIB.addOperand(MI->getOperand(0));
813   if (NewMCID.hasOptionalDef()) {
814     if (HasCC)
815       AddDefaultT1CC(MIB, CCDead);
816     else
817       AddNoT1CC(MIB);
818   }
819
820   // Transfer the rest of operands.
821   unsigned NumOps = MCID.getNumOperands();
822   for (unsigned i = 1, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
823     if (i < NumOps && MCID.OpInfo[i].isOptionalDef())
824       continue;
825     if ((MCID.getOpcode() == ARM::t2RSBSri ||
826          MCID.getOpcode() == ARM::t2RSBri ||
827          MCID.getOpcode() == ARM::t2SXTB ||
828          MCID.getOpcode() == ARM::t2SXTH ||
829          MCID.getOpcode() == ARM::t2UXTB ||
830          MCID.getOpcode() == ARM::t2UXTH) && i == 2)
831       // Skip the zero immediate operand, it's now implicit.
832       continue;
833     bool isPred = (i < NumOps && MCID.OpInfo[i].isPredicate());
834     if (SkipPred && isPred)
835         continue;
836     const MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
837     if (MO.isReg() && MO.isImplicit() && MO.getReg() == ARM::CPSR)
838       // Skip implicit def of CPSR. Either it's modeled as an optional
839       // def now or it's already an implicit def on the new instruction.
840       continue;
841     MIB.addOperand(MO);
842   }
843   if (!MCID.isPredicable() && NewMCID.isPredicable())
844     AddDefaultPred(MIB);
845
846   // Transfer MI flags.
847   MIB.setMIFlags(MI->getFlags());
848
849   DEBUG(errs() << "Converted 32-bit: " << *MI << "       to 16-bit: " << *MIB);
850
851   MBB.erase_instr(MI);
852   ++NumNarrows;
853   return true;
854 }
855
856 static bool UpdateCPSRDef(MachineInstr &MI, bool LiveCPSR, bool &DefCPSR) {
857   bool HasDef = false;
858   for (const MachineOperand &MO : MI.operands()) {
859     if (!MO.isReg() || MO.isUndef() || MO.isUse())
860       continue;
861     if (MO.getReg() != ARM::CPSR)
862       continue;
863
864     DefCPSR = true;
865     if (!MO.isDead())
866       HasDef = true;
867   }
868
869   return HasDef || LiveCPSR;
870 }
871
872 static bool UpdateCPSRUse(MachineInstr &MI, bool LiveCPSR) {
873   for (const MachineOperand &MO : MI.operands()) {
874     if (!MO.isReg() || MO.isUndef() || MO.isDef())
875       continue;
876     if (MO.getReg() != ARM::CPSR)
877       continue;
878     assert(LiveCPSR && "CPSR liveness tracking is wrong!");
879     if (MO.isKill()) {
880       LiveCPSR = false;
881       break;
882     }
883   }
884
885   return LiveCPSR;
886 }
887
888 bool Thumb2SizeReduce::ReduceMI(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
889                                 bool LiveCPSR, bool IsSelfLoop) {
890   unsigned Opcode = MI->getOpcode();
891   DenseMap<unsigned, unsigned>::iterator OPI = ReduceOpcodeMap.find(Opcode);
892   if (OPI == ReduceOpcodeMap.end())
893     return false;
894   const ReduceEntry &Entry = ReduceTable[OPI->second];
895
896   // Don't attempt normal reductions on "special" cases for now.
897   if (Entry.Special)
898     return ReduceSpecial(MBB, MI, Entry, LiveCPSR, IsSelfLoop);
899
900   // Try to transform to a 16-bit two-address instruction.
901   if (Entry.NarrowOpc2 &&
902       ReduceTo2Addr(MBB, MI, Entry, LiveCPSR, IsSelfLoop))
903     return true;
904
905   // Try to transform to a 16-bit non-two-address instruction.
906   if (Entry.NarrowOpc1 &&
907       ReduceToNarrow(MBB, MI, Entry, LiveCPSR, IsSelfLoop))
908     return true;
909
910   return false;
911 }
912
913 bool Thumb2SizeReduce::ReduceMBB(MachineBasicBlock &MBB) {
914   bool Modified = false;
915
916   // Yes, CPSR could be livein.
917   bool LiveCPSR = MBB.isLiveIn(ARM::CPSR);
918   MachineInstr *BundleMI = nullptr;
919
920   CPSRDef = nullptr;
921   HighLatencyCPSR = false;
922
923   // Check predecessors for the latest CPSRDef.
924   for (auto *Pred : MBB.predecessors()) {
925     const MBBInfo &PInfo = BlockInfo[Pred->getNumber()];
926     if (!PInfo.Visited) {
927       // Since blocks are visited in RPO, this must be a back-edge.
928       continue;
929     }
930     if (PInfo.HighLatencyCPSR) {
931       HighLatencyCPSR = true;
932       break;
933     }
934   }
935
936   // If this BB loops back to itself, conservatively avoid narrowing the
937   // first instruction that does partial flag update.
938   bool IsSelfLoop = MBB.isSuccessor(&MBB);
939   MachineBasicBlock::instr_iterator MII = MBB.instr_begin(),E = MBB.instr_end();
940   MachineBasicBlock::instr_iterator NextMII;
941   for (; MII != E; MII = NextMII) {
942     NextMII = std::next(MII);
943
944     MachineInstr *MI = &*MII;
945     if (MI->isBundle()) {
946       BundleMI = MI;
947       continue;
948     }
949     if (MI->isDebugValue())
950       continue;
951
952     LiveCPSR = UpdateCPSRUse(*MI, LiveCPSR);
953
954     // Does NextMII belong to the same bundle as MI?
955     bool NextInSameBundle = NextMII != E && NextMII->isBundledWithPred();
956
957     if (ReduceMI(MBB, MI, LiveCPSR, IsSelfLoop)) {
958       Modified = true;
959       MachineBasicBlock::instr_iterator I = std::prev(NextMII);
960       MI = &*I;
961       // Removing and reinserting the first instruction in a bundle will break
962       // up the bundle. Fix the bundling if it was broken.
963       if (NextInSameBundle && !NextMII->isBundledWithPred())
964         NextMII->bundleWithPred();
965     }
966
967     if (!NextInSameBundle && MI->isInsideBundle()) {
968       // FIXME: Since post-ra scheduler operates on bundles, the CPSR kill
969       // marker is only on the BUNDLE instruction. Process the BUNDLE
970       // instruction as we finish with the bundled instruction to work around
971       // the inconsistency.
972       if (BundleMI->killsRegister(ARM::CPSR))
973         LiveCPSR = false;
974       MachineOperand *MO = BundleMI->findRegisterDefOperand(ARM::CPSR);
975       if (MO && !MO->isDead())
976         LiveCPSR = true;
977       MO = BundleMI->findRegisterUseOperand(ARM::CPSR);
978       if (MO && !MO->isKill())
979         LiveCPSR = true;
980     }
981
982     bool DefCPSR = false;
983     LiveCPSR = UpdateCPSRDef(*MI, LiveCPSR, DefCPSR);
984     if (MI->isCall()) {
985       // Calls don't really set CPSR.
986       CPSRDef = nullptr;
987       HighLatencyCPSR = false;
988       IsSelfLoop = false;
989     } else if (DefCPSR) {
990       // This is the last CPSR defining instruction.
991       CPSRDef = MI;
992       HighLatencyCPSR = isHighLatencyCPSR(CPSRDef);
993       IsSelfLoop = false;
994     }
995   }
996
997   MBBInfo &Info = BlockInfo[MBB.getNumber()];
998   Info.HighLatencyCPSR = HighLatencyCPSR;
999   Info.Visited = true;
1000   return Modified;
1001 }
1002
1003 bool Thumb2SizeReduce::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
1004   if (PredicateFtor && !PredicateFtor(*MF.getFunction()))
1005     return false;
1006
1007   STI = &static_cast<const ARMSubtarget &>(MF.getSubtarget());
1008   if (STI->isThumb1Only() || STI->prefers32BitThumb())
1009     return false;
1010
1011   TII = static_cast<const Thumb2InstrInfo *>(STI->getInstrInfo());
1012
1013   // Optimizing / minimizing size? Minimizing size implies optimizing for size.
1014   OptimizeSize = MF.getFunction()->optForSize();
1015   MinimizeSize = MF.getFunction()->optForMinSize();
1016
1017   BlockInfo.clear();
1018   BlockInfo.resize(MF.getNumBlockIDs());
1019
1020   // Visit blocks in reverse post-order so LastCPSRDef is known for all
1021   // predecessors.
1022   ReversePostOrderTraversal<MachineFunction*> RPOT(&MF);
1023   bool Modified = false;
1024   for (ReversePostOrderTraversal<MachineFunction*>::rpo_iterator
1025        I = RPOT.begin(), E = RPOT.end(); I != E; ++I)
1026     Modified |= ReduceMBB(**I);
1027   return Modified;
1028 }
1029
1030 /// createThumb2SizeReductionPass - Returns an instance of the Thumb2 size
1031 /// reduction pass.
1032 FunctionPass *llvm::createThumb2SizeReductionPass(
1033     std::function<bool(const Function &)> Ftor) {
1034   return new Thumb2SizeReduce(Ftor);
1035 }