utils/PerfectShuffle/PerfectShuffle.cpp

   1 //===-- PerfectShuffle.cpp - Perfect Shuffle Generator --------------------===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file was developed by Chris Lattner and is distributed under
   6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // This file computes an optimal sequence of instructions for doing all shuffles
  11 // of two 4-element vectors.  With a release build and when configured to emit
  12 // an altivec instruction table, this takes about 30s to run on a 2.7Ghz
  13 // PowerPC G5.
  14 //
  15 //===----------------------------------------------------------------------===//
  16
  17 #include <iostream>
  18 #include <vector>
  19 #include <cassert>
  20
  21 struct Operator;
  22
  23 // Masks are 4-nibble hex numbers.  Values 0-7 in any nibble means that it takes
  24 // an element from that value of the input vectors.  A value of 8 means the
  25 // entry is undefined.
  26
  27 // Mask manipulation functions.
  28 static inline unsigned short MakeMask(unsigned V0, unsigned V1,
  29                                       unsigned V2, unsigned V3) {
  30   return (V0 << (3*4)) | (V1 << (2*4)) | (V2 << (1*4)) | (V3 << (0*4));
  31 }
  32
  33 /// getMaskElt - Return element N of the specified mask.
  34 static unsigned getMaskElt(unsigned Mask, unsigned Elt) {
  35   return (Mask >> ((3-Elt)*4)) & 0xF;
  36 }
  37
  38 static unsigned setMaskElt(unsigned Mask, unsigned Elt, unsigned NewVal) {
  39   unsigned FieldShift = ((3-Elt)*4);
  40   return (Mask & ~(0xF << FieldShift)) | (NewVal << FieldShift);
  41 }
  42
  43 // Reject elements where the values are 9-15.
  44 static bool isValidMask(unsigned short Mask) {
  45   unsigned short UndefBits = Mask & 0x8888;
  46   return (Mask & ((UndefBits >> 1)|(UndefBits>>2)|(UndefBits>>3))) == 0;
  47 }
  48
  49 /// hasUndefElements - Return true if any of the elements in the mask are undefs
  50 ///
  51 static bool hasUndefElements(unsigned short Mask) {
  52   return (Mask & 0x8888) != 0;
  53 }
  54
  55 /// isOnlyLHSMask - Return true if this mask only refers to its LHS, not
  56 /// including undef values..
  57 static bool isOnlyLHSMask(unsigned short Mask) {
  58   return (Mask & 0x4444) == 0;
  59 }
  60
  61 /// getLHSOnlyMask - Given a mask that refers to its LHS and RHS, modify it to
  62 /// refer to the LHS only (for when one argument value is passed into the same
  63 /// function twice).
  64 static unsigned short getLHSOnlyMask(unsigned short Mask) {
  65   return Mask & 0xBBBB;  // Keep only LHS and Undefs.
  66 }
  67
  68 /// getCompressedMask - Turn a 16-bit uncompressed mask (where each elt uses 4
  69 /// bits) into a compressed 13-bit mask, where each elt is multiplied by 9.
  70 static unsigned getCompressedMask(unsigned short Mask) {
  71   return getMaskElt(Mask, 0)*9*9*9 + getMaskElt(Mask, 1)*9*9 +
  72          getMaskElt(Mask, 2)*9     + getMaskElt(Mask, 3);
  73 }
  74
  75 static void PrintMask(unsigned i, std::ostream &OS) {
  76   OS << "<" << (char)(getMaskElt(i, 0) == 8 ? 'u' : ('0'+getMaskElt(i, 0)))
  77      << "," << (char)(getMaskElt(i, 1) == 8 ? 'u' : ('0'+getMaskElt(i, 1)))
  78      << "," << (char)(getMaskElt(i, 2) == 8 ? 'u' : ('0'+getMaskElt(i, 2)))
  79      << "," << (char)(getMaskElt(i, 3) == 8 ? 'u' : ('0'+getMaskElt(i, 3)))
  80      << ">";
  81 }
  82
  83 /// ShuffleVal - This represents a shufflevector operation.
  84 struct ShuffleVal {
  85   unsigned Cost;  // Number of instrs used to generate this value.
  86   Operator *Op;   // The Operation used to generate this value.
  87   unsigned short Arg0, Arg1;  // Input operands for this value.
  88
  89   ShuffleVal() : Cost(1000000) {}
  90 };
  91
  92
  93 /// ShufTab - This is the actual shuffle table that we are trying to generate.
  94 ///
  95 static ShuffleVal ShufTab[65536];
  96
  97 /// TheOperators - All of the operators that this target supports.
  98 static std::vector<Operator*> TheOperators;
  99
 100 /// Operator - This is a vector operation that is available for use.
 101 struct Operator {
 102   unsigned short ShuffleMask;
 103   unsigned short OpNum;
 104   const char *Name;
 105
 106   Operator(unsigned short shufflemask, const char *name, unsigned opnum)
 107     : ShuffleMask(shufflemask), OpNum(opnum), Name(name) {
 108     TheOperators.push_back(this);
 109   }
 110   ~Operator() {
 111     assert(TheOperators.back() == this);
 112     TheOperators.pop_back();
 113   }
 114
 115   bool isOnlyLHSOperator() const {
 116     return isOnlyLHSMask(ShuffleMask);
 117   }
 118
 119   const char *getName() const { return Name; }
 120
 121   unsigned short getTransformedMask(unsigned short LHSMask, unsigned RHSMask) {
 122     // Extract the elements from LHSMask and RHSMask, as appropriate.
 123     unsigned Result = 0;
 124     for (unsigned i = 0; i != 4; ++i) {
 125       unsigned SrcElt = (ShuffleMask >> (4*i)) & 0xF;
 126       unsigned ResElt;
 127       if (SrcElt < 4)
 128         ResElt = getMaskElt(LHSMask, SrcElt);
 129       else if (SrcElt < 8)
 130         ResElt = getMaskElt(RHSMask, SrcElt-4);
 131       else {
 132         assert(SrcElt == 8 && "Bad src elt!");
 133         ResElt = 8;
 134       }
 135       Result |= ResElt << (4*i);
 136     }
 137     return Result;
 138   }
 139 };
 140
 141 static const char *getZeroCostOpName(unsigned short Op) {
 142   if (ShufTab[Op].Arg0 == 0x0123)
 143     return "LHS";
 144   else if (ShufTab[Op].Arg0 == 0x4567)
 145     return "RHS";
 146   else {
 147     assert(0 && "bad zero cost operation");
 148     abort();
 149   }
 150 }
 151
 152 static void PrintOperation(unsigned ValNo, unsigned short Vals[]) {
 153   unsigned short ThisOp = Vals[ValNo];
 154   std::cerr << "t" << ValNo;
 155   PrintMask(ThisOp, std::cerr);
 156   std::cerr << " = " << ShufTab[ThisOp].Op->getName() << "(";
 157
 158   if (ShufTab[ShufTab[ThisOp].Arg0].Cost == 0) {
 159     std::cerr << getZeroCostOpName(ShufTab[ThisOp].Arg0);
 160     PrintMask(ShufTab[ThisOp].Arg0, std::cerr);
 161   } else {
 162     // Figure out what tmp # it is.
 163     for (unsigned i = 0; ; ++i)
 164       if (Vals[i] == ShufTab[ThisOp].Arg0) {
 165         std::cerr << "t" << i;
 166         break;
 167       }
 168   }
 169
 170   if (!ShufTab[Vals[ValNo]].Op->isOnlyLHSOperator()) {
 171     std::cerr << ", ";
 172     if (ShufTab[ShufTab[ThisOp].Arg1].Cost == 0) {
 173       std::cerr << getZeroCostOpName(ShufTab[ThisOp].Arg1);
 174       PrintMask(ShufTab[ThisOp].Arg1, std::cerr);
 175     } else {
 176       // Figure out what tmp # it is.
 177       for (unsigned i = 0; ; ++i)
 178         if (Vals[i] == ShufTab[ThisOp].Arg1) {
 179           std::cerr << "t" << i;
 180           break;
 181         }
 182     }
 183   }
 184   std::cerr << ")  ";
 185 }
 186
 187 static unsigned getNumEntered() {
 188   unsigned Count = 0;
 189   for (unsigned i = 0; i != 65536; ++i)
 190     Count += ShufTab[i].Cost < 100;
 191   return Count;
 192 }
 193
 194 static void EvaluateOps(unsigned short Elt, unsigned short Vals[],
 195                         unsigned &NumVals) {
 196   if (ShufTab[Elt].Cost == 0) return;
 197
 198   // If this value has already been evaluated, it is free.  FIXME: match undefs.
 199   for (unsigned i = 0, e = NumVals; i != e; ++i)
 200     if (Vals[i] == Elt) return;
 201
 202   // Otherwise, get the operands of the value, then add it.
 203   unsigned Arg0 = ShufTab[Elt].Arg0, Arg1 = ShufTab[Elt].Arg1;
 204   if (ShufTab[Arg0].Cost)
 205     EvaluateOps(Arg0, Vals, NumVals);
 206   if (Arg0 != Arg1 && ShufTab[Arg1].Cost)
 207     EvaluateOps(Arg1, Vals, NumVals);
 208
 209   Vals[NumVals++] = Elt;
 210 }
 211
 212
 213 int main() {
 214   // Seed the table with accesses to the LHS and RHS.
 215   ShufTab[0x0123].Cost = 0;
 216   ShufTab[0x0123].Op = 0;
 217   ShufTab[0x0123].Arg0 = 0x0123;
 218   ShufTab[0x4567].Cost = 0;
 219   ShufTab[0x4567].Op = 0;
 220   ShufTab[0x4567].Arg0 = 0x4567;
 221
 222   // Seed the first-level of shuffles, shuffles whose inputs are the input to
 223   // the vectorshuffle operation.
 224   bool MadeChange = true;
 225   unsigned OpCount = 0;
 226   while (MadeChange) {
 227     MadeChange = false;
 228     ++OpCount;
 229     std::cerr << "Starting iteration #" << OpCount << " with "
 230               << getNumEntered() << " entries established.\n";
 231
 232     // Scan the table for two reasons: First, compute the maximum cost of any
 233     // operation left in the table.  Second, make sure that values with undefs
 234     // have the cheapest alternative that they match.
 235     unsigned MaxCost = ShufTab[0].Cost;
 236     for (unsigned i = 1; i != 0x8889; ++i) {
 237       if (!isValidMask(i)) continue;
 238       if (ShufTab[i].Cost > MaxCost)
 239         MaxCost = ShufTab[i].Cost;
 240
 241       // If this value has an undef, make it be computed the cheapest possible
 242       // way of any of the things that it matches.
 243       if (hasUndefElements(i)) {
 244         // This code is a little bit tricky, so here's the idea: consider some
 245         // permutation, like 7u4u.  To compute the lowest cost for 7u4u, we
 246         // need to take the minimum cost of all of 7[0-8]4[0-8], 81 entries.  If
 247         // there are 3 undefs, the number rises to 729 entries we have to scan,
 248         // and for the 4 undef case, we have to scan the whole table.
 249         //
 250         // Instead of doing this huge amount of scanning, we process the table
 251         // entries *in order*, and use the fact that 'u' is 8, larger than any
 252         // valid index.  Given an entry like 7u4u then, we only need to scan
 253         // 7[0-7]4u - 8 entries.  We can get away with this, because we already
 254         // know that each of 704u, 714u, 724u, etc contain the minimum value of
 255         // all of the 704[0-8], 714[0-8] and 724[0-8] entries respectively.
 256         unsigned UndefIdx;
 257         if (i & 0x8000)
 258           UndefIdx = 0;
 259         else if (i & 0x0800)
 260           UndefIdx = 1;
 261         else if (i & 0x0080)
 262           UndefIdx = 2;
 263         else if (i & 0x0008)
 264           UndefIdx = 3;
 265         else
 266           abort();
 267
 268         unsigned MinVal  = i;
 269         unsigned MinCost = ShufTab[i].Cost;
 270
 271         // Scan the 8 entries.
 272         for (unsigned j = 0; j != 8; ++j) {
 273           unsigned NewElt = setMaskElt(i, UndefIdx, j);
 274           if (ShufTab[NewElt].Cost < MinCost) {
 275             MinCost = ShufTab[NewElt].Cost;
 276             MinVal = NewElt;
 277           }
 278         }
 279
 280         // If we found something cheaper than what was here before, use it.
 281         if (i != MinVal) {
 282           MadeChange = true;
 283           ShufTab[i] = ShufTab[MinVal];
 284         }
 285       }
 286     }
 287
 288     for (unsigned LHS = 0; LHS != 0x8889; ++LHS) {
 289       if (!isValidMask(LHS)) continue;
 290       if (ShufTab[LHS].Cost > 1000) continue;
 291
 292       // If nothing involving this operand could possibly be cheaper than what
 293       // we already have, don't consider it.
 294       if (ShufTab[LHS].Cost + 1 >= MaxCost)
 295         continue;
 296
 297       for (unsigned opnum = 0, e = TheOperators.size(); opnum != e; ++opnum) {
 298         Operator *Op = TheOperators[opnum];
 299
 300         // Evaluate op(LHS,LHS)
 301         unsigned ResultMask = Op->getTransformedMask(LHS, LHS);
 302
 303         unsigned Cost = ShufTab[LHS].Cost + 1;
 304         if (Cost < ShufTab[ResultMask].Cost) {
 305           ShufTab[ResultMask].Cost = Cost;
 306           ShufTab[ResultMask].Op = Op;
 307           ShufTab[ResultMask].Arg0 = LHS;
 308           ShufTab[ResultMask].Arg1 = LHS;
 309           MadeChange = true;
 310         }
 311
 312         // If this is a two input instruction, include the op(x,y) cases.  If
 313         // this is a one input instruction, skip this.
 314         if (Op->isOnlyLHSOperator()) continue;
 315
 316         for (unsigned RHS = 0; RHS != 0x8889; ++RHS) {
 317           if (!isValidMask(RHS)) continue;
 318           if (ShufTab[RHS].Cost > 1000) continue;
 319
 320           // If nothing involving this operand could possibly be cheaper than
 321           // what we already have, don't consider it.
 322           if (ShufTab[RHS].Cost + 1 >= MaxCost)
 323             continue;
 324
 325
 326           // Evaluate op(LHS,RHS)
 327           unsigned ResultMask = Op->getTransformedMask(LHS, RHS);
 328
 329           if (ShufTab[ResultMask].Cost <= OpCount ||
 330               ShufTab[ResultMask].Cost <= ShufTab[LHS].Cost ||
 331               ShufTab[ResultMask].Cost <= ShufTab[RHS].Cost)
 332             continue;
 333
 334           // Figure out the cost to evaluate this, knowing that CSE's only need
 335           // to be evaluated once.
 336           unsigned short Vals[30];
 337           unsigned NumVals = 0;
 338           EvaluateOps(LHS, Vals, NumVals);
 339           EvaluateOps(RHS, Vals, NumVals);
 340
 341           unsigned Cost = NumVals + 1;
 342           if (Cost < ShufTab[ResultMask].Cost) {
 343             ShufTab[ResultMask].Cost = Cost;
 344             ShufTab[ResultMask].Op = Op;
 345             ShufTab[ResultMask].Arg0 = LHS;
 346             ShufTab[ResultMask].Arg1 = RHS;
 347             MadeChange = true;
 348           }
 349         }
 350       }
 351     }
 352   }
 353
 354   std::cerr << "Finished Table has " << getNumEntered()
 355             << " entries established.\n";
 356
 357   unsigned CostArray[10] = { 0 };
 358
 359   // Compute a cost histogram.
 360   for (unsigned i = 0; i != 65536; ++i) {
 361     if (!isValidMask(i)) continue;
 362     if (ShufTab[i].Cost > 9)
 363       ++CostArray[9];
 364     else
 365       ++CostArray[ShufTab[i].Cost];
 366   }
 367
 368   for (unsigned i = 0; i != 9; ++i)
 369     if (CostArray[i])
 370       std::cout << "// " << CostArray[i] << " entries have cost " << i << "\n";
 371   if (CostArray[9])
 372     std::cout << "// " << CostArray[9] << " entries have higher cost!\n";
 373
 374
 375   // Build up the table to emit.
 376   std::cout << "\n// This table is 6561*4 = 26244 bytes in size.\n";
 377   std::cout << "static const unsigned PerfectShuffleTable[6561+1] = {\n";
 378
 379   for (unsigned i = 0; i != 0x8889; ++i) {
 380     if (!isValidMask(i)) continue;
 381
 382     // CostSat - The cost of this operation saturated to two bits.
 383     unsigned CostSat = ShufTab[i].Cost;
 384     if (CostSat > 4) CostSat = 4;
 385     if (CostSat == 0) CostSat = 1;
 386     --CostSat;  // Cost is now between 0-3.
 387
 388     unsigned OpNum = ShufTab[i].Op ? ShufTab[i].Op->OpNum : 0;
 389     assert(OpNum < 16 && "Too few bits to encode operation!");
 390
 391     unsigned LHS = getCompressedMask(ShufTab[i].Arg0);
 392     unsigned RHS = getCompressedMask(ShufTab[i].Arg1);
 393
 394     // Encode this as 2 bits of saturated cost, 4 bits of opcodes, 13 bits of
 395     // LHS, and 13 bits of RHS = 32 bits.
 396     unsigned Val = (CostSat << 30) | (OpNum << 26) | (LHS << 13) | RHS;
 397
 398     std::cout << "  " << Val << "U,\t// ";
 399     PrintMask(i, std::cout);
 400     std::cout << ": Cost " << ShufTab[i].Cost;
 401     std::cout << " " << (ShufTab[i].Op ? ShufTab[i].Op->getName() : "copy");
 402     std::cout << " ";
 403     if (ShufTab[ShufTab[i].Arg0].Cost == 0) {
 404       std::cout << getZeroCostOpName(ShufTab[i].Arg0);
 405     } else {
 406       PrintMask(ShufTab[i].Arg0, std::cout);
 407     }
 408
 409     if (ShufTab[i].Op && !ShufTab[i].Op->isOnlyLHSOperator()) {
 410       std::cout << ", ";
 411       if (ShufTab[ShufTab[i].Arg1].Cost == 0) {
 412         std::cout << getZeroCostOpName(ShufTab[i].Arg1);
 413       } else {
 414         PrintMask(ShufTab[i].Arg1, std::cout);
 415       }
 416     }
 417     std::cout << "\n";
 418   }
 419   std::cout << "  0\n};\n";
 420
 421   if (0) {
 422     // Print out the table.
 423     for (unsigned i = 0; i != 0x8889; ++i) {
 424       if (!isValidMask(i)) continue;
 425       if (ShufTab[i].Cost < 1000) {
 426         PrintMask(i, std::cerr);
 427         std::cerr << " - Cost " << ShufTab[i].Cost << " - ";
 428
 429         unsigned short Vals[30];
 430         unsigned NumVals = 0;
 431         EvaluateOps(i, Vals, NumVals);
 432
 433         for (unsigned j = 0, e = NumVals; j != e; ++j)
 434           PrintOperation(j, Vals);
 435         std::cerr << "\n";
 436       }
 437     }
 438   }
 439 }
 440
 441
 442 #define GENERATE_ALTIVEC
 443
 444 #ifdef GENERATE_ALTIVEC
 445
 446 ///===---------------------------------------------------------------------===//
 447 /// The altivec instruction definitions.  This is the altivec-specific part of
 448 /// this file.
 449 ///===---------------------------------------------------------------------===//
 450
 451 // Note that the opcode numbers here must match those in the PPC backend.
 452 enum {
 453   OP_COPY = 0,   // Copy, used for things like <u,u,u,3> to say it is <0,1,2,3>
 454   OP_VMRGHW,
 455   OP_VMRGLW,
 456   OP_VSPLTISW0,
 457   OP_VSPLTISW1,
 458   OP_VSPLTISW2,
 459   OP_VSPLTISW3,
 460   OP_VSLDOI4,
 461   OP_VSLDOI8,
 462   OP_VSLDOI12
 463 };
 464
 465 struct vmrghw : public Operator {
 466   vmrghw() : Operator(0x0415, "vmrghw", OP_VMRGHW) {}
 467 } the_vmrghw;
 468
 469 struct vmrglw : public Operator {
 470   vmrglw() : Operator(0x2637, "vmrglw", OP_VMRGLW) {}
 471 } the_vmrglw;
 472
 473 template<unsigned Elt>
 474 struct vspltisw : public Operator {
 475   vspltisw(const char *N, unsigned Opc)
 476     : Operator(MakeMask(Elt, Elt, Elt, Elt), N, Opc) {}
 477 };
 478
 479 vspltisw<0> the_vspltisw0("vspltisw0", OP_VSPLTISW0);
 480 vspltisw<1> the_vspltisw1("vspltisw1", OP_VSPLTISW1);
 481 vspltisw<2> the_vspltisw2("vspltisw2", OP_VSPLTISW2);
 482 vspltisw<3> the_vspltisw3("vspltisw3", OP_VSPLTISW3);
 483
 484 template<unsigned N>
 485 struct vsldoi : public Operator {
 486   vsldoi(const char *Name, unsigned Opc)
 487     : Operator(MakeMask(N&7, (N+1)&7, (N+2)&7, (N+3)&7), Name, Opc) {
 488   }
 489 };
 490
 491 vsldoi<1> the_vsldoi1("vsldoi4" , OP_VSLDOI4);
 492 vsldoi<2> the_vsldoi2("vsldoi8" , OP_VSLDOI8);
 493 vsldoi<3> the_vsldoi3("vsldoi12", OP_VSLDOI12);
 494
 495 #endif