[AArch64]Enable the narrow ld promotion only on profitable microarchitectures
[oota-llvm.git] / lib / Target / AArch64 / AArch64LoadStoreOptimizer.cpp
index 9b83cc8534b8dac6b55b961cd8925683582abc60..6ef4c269d8fe9d4f18dad04b714da518d90160c3 100644 (file)
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
 #include "AArch64InstrInfo.h"
+#include "AArch64Subtarget.h"
 #include "MCTargetDesc/AArch64AddressingModes.h"
 #include "llvm/ADT/BitVector.h"
+#include "llvm/ADT/SmallVector.h"
+#include "llvm/ADT/Statistic.h"
 #include "llvm/CodeGen/MachineBasicBlock.h"
 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
 #include "llvm/CodeGen/MachineInstr.h"
 #include "llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h"
-#include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
-#include "llvm/Target/TargetMachine.h"
-#include "llvm/Target/TargetRegisterInfo.h"
 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
 #include "llvm/Support/Debug.h"
 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
-#include "llvm/ADT/Statistic.h"
+#include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
+#include "llvm/Target/TargetMachine.h"
+#include "llvm/Target/TargetRegisterInfo.h"
 using namespace llvm;
 
 #define DEBUG_TYPE "aarch64-ldst-opt"
@@ -39,20 +41,46 @@ STATISTIC(NumPostFolded, "Number of post-index updates folded");
 STATISTIC(NumPreFolded, "Number of pre-index updates folded");
 STATISTIC(NumUnscaledPairCreated,
           "Number of load/store from unscaled generated");
+STATISTIC(NumSmallTypeMerged, "Number of small type loads merged");
 
-static cl::opt<unsigned> ScanLimit("aarch64-load-store-scan-limit", cl::init(20),
-                                   cl::Hidden);
+static cl::opt<unsigned> ScanLimit("aarch64-load-store-scan-limit",
+                                   cl::init(20), cl::Hidden);
 
-// Place holder while testing unscaled load/store combining
-static cl::opt<bool>
-EnableAArch64UnscaledMemOp("aarch64-unscaled-mem-op", cl::Hidden,
-                         cl::desc("Allow AArch64 unscaled load/store combining"),
-                         cl::init(true));
+namespace llvm {
+void initializeAArch64LoadStoreOptPass(PassRegistry &);
+}
+
+#define AARCH64_LOAD_STORE_OPT_NAME "AArch64 load / store optimization pass"
 
 namespace {
+
+typedef struct LdStPairFlags {
+  // If a matching instruction is found, MergeForward is set to true if the
+  // merge is to remove the first instruction and replace the second with
+  // a pair-wise insn, and false if the reverse is true.
+  bool MergeForward;
+
+  // SExtIdx gives the index of the result of the load pair that must be
+  // extended. The value of SExtIdx assumes that the paired load produces the
+  // value in this order: (I, returned iterator), i.e., -1 means no value has
+  // to be extended, 0 means I, and 1 means the returned iterator.
+  int SExtIdx;
+
+  LdStPairFlags() : MergeForward(false), SExtIdx(-1) {}
+
+  void setMergeForward(bool V = true) { MergeForward = V; }
+  bool getMergeForward() const { return MergeForward; }
+
+  void setSExtIdx(int V) { SExtIdx = V; }
+  int getSExtIdx() const { return SExtIdx; }
+
+} LdStPairFlags;
+
 struct AArch64LoadStoreOpt : public MachineFunctionPass {
   static char ID;
-  AArch64LoadStoreOpt() : MachineFunctionPass(ID) {}
+  AArch64LoadStoreOpt() : MachineFunctionPass(ID) {
+    initializeAArch64LoadStoreOptPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
+  }
 
   const AArch64InstrInfo *TII;
   const TargetRegisterInfo *TRI;
@@ -60,26 +88,24 @@ struct AArch64LoadStoreOpt : public MachineFunctionPass {
   // Scan the instructions looking for a load/store that can be combined
   // with the current instruction into a load/store pair.
   // Return the matching instruction if one is found, else MBB->end().
-  // If a matching instruction is found, mergeForward is set to true if the
-  // merge is to remove the first instruction and replace the second with
-  // a pair-wise insn, and false if the reverse is true.
   MachineBasicBlock::iterator findMatchingInsn(MachineBasicBlock::iterator I,
-                                               bool &mergeForward,
+                                               LdStPairFlags &Flags,
                                                unsigned Limit);
   // Merge the two instructions indicated into a single pair-wise instruction.
-  // If mergeForward is true, erase the first instruction and fold its
+  // If MergeForward is true, erase the first instruction and fold its
   // operation into the second. If false, the reverse. Return the instruction
   // following the first instruction (which may change during processing).
   MachineBasicBlock::iterator
   mergePairedInsns(MachineBasicBlock::iterator I,
-                   MachineBasicBlock::iterator Paired, bool mergeForward);
+                   MachineBasicBlock::iterator Paired,
+                   const LdStPairFlags &Flags);
 
   // Scan the instruction list to find a base register update that can
   // be combined with the current instruction (a load or store) using
   // pre or post indexed addressing with writeback. Scan forwards.
   MachineBasicBlock::iterator
   findMatchingUpdateInsnForward(MachineBasicBlock::iterator I, unsigned Limit,
-                                int Value);
+                                int UnscaledOffset);
 
   // Scan the instruction list to find a base register update that can
   // be combined with the current instruction (a load or store) using
@@ -87,92 +113,162 @@ struct AArch64LoadStoreOpt : public MachineFunctionPass {
   MachineBasicBlock::iterator
   findMatchingUpdateInsnBackward(MachineBasicBlock::iterator I, unsigned Limit);
 
-  // Merge a pre-index base register update into a ld/st instruction.
-  MachineBasicBlock::iterator
-  mergePreIdxUpdateInsn(MachineBasicBlock::iterator I,
-                        MachineBasicBlock::iterator Update);
+  // Find an instruction that updates the base register of the ld/st
+  // instruction.
+  bool isMatchingUpdateInsn(MachineInstr *MemMI, MachineInstr *MI,
+                            unsigned BaseReg, int Offset);
 
-  // Merge a post-index base register update into a ld/st instruction.
+  // Merge a pre- or post-index base register update into a ld/st instruction.
   MachineBasicBlock::iterator
-  mergePostIdxUpdateInsn(MachineBasicBlock::iterator I,
-                         MachineBasicBlock::iterator Update);
+  mergeUpdateInsn(MachineBasicBlock::iterator I,
+                  MachineBasicBlock::iterator Update, bool IsPreIdx);
+
+  // Find and merge foldable ldr/str instructions.
+  bool tryToMergeLdStInst(MachineBasicBlock::iterator &MBBI);
 
-  bool optimizeBlock(MachineBasicBlock &MBB);
+  // Check if converting two narrow loads into a single wider load with
+  // bitfield extracts could be enabled.
+  bool enableNarrowLdMerge(MachineFunction &Fn);
+
+  bool optimizeBlock(MachineBasicBlock &MBB, bool enableNarrowLdOpt);
 
   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn) override;
 
   const char *getPassName() const override {
-    return "AArch64 load / store optimization pass";
+    return AARCH64_LOAD_STORE_OPT_NAME;
   }
-
-private:
-  int getMemSize(MachineInstr *MemMI);
 };
 char AArch64LoadStoreOpt::ID = 0;
-}
+} // namespace
+
+INITIALIZE_PASS(AArch64LoadStoreOpt, "aarch64-ldst-opt",
+                AARCH64_LOAD_STORE_OPT_NAME, false, false)
 
-static bool isUnscaledLdst(unsigned Opc) {
+static bool isUnscaledLdSt(unsigned Opc) {
   switch (Opc) {
   default:
     return false;
   case AArch64::STURSi:
-    return true;
   case AArch64::STURDi:
-    return true;
   case AArch64::STURQi:
-    return true;
   case AArch64::STURWi:
-    return true;
   case AArch64::STURXi:
-    return true;
   case AArch64::LDURSi:
-    return true;
   case AArch64::LDURDi:
-    return true;
   case AArch64::LDURQi:
-    return true;
   case AArch64::LDURWi:
-    return true;
   case AArch64::LDURXi:
+  case AArch64::LDURSWi:
+  case AArch64::LDURHHi:
     return true;
   }
 }
 
-// Size in bytes of the data moved by an unscaled load or store
-int AArch64LoadStoreOpt::getMemSize(MachineInstr *MemMI) {
-  switch (MemMI->getOpcode()) {
+static bool isUnscaledLdSt(MachineInstr *MI) {
+  return isUnscaledLdSt(MI->getOpcode());
+}
+
+static bool isSmallTypeLdMerge(unsigned Opc) {
+  switch (Opc) {
   default:
-    llvm_unreachable("Opcode has unknown size!");
+    return false;
+  case AArch64::LDRHHui:
+  case AArch64::LDURHHi:
+    return true;
+    // FIXME: Add other instructions (e.g, LDRBBui, LDURSHWi, LDRSHWui, etc.).
+  }
+}
+static bool isSmallTypeLdMerge(MachineInstr *MI) {
+  return isSmallTypeLdMerge(MI->getOpcode());
+}
+
+// Scaling factor for unscaled load or store.
+static int getMemScale(MachineInstr *MI) {
+  switch (MI->getOpcode()) {
+  default:
+    llvm_unreachable("Opcode has unknown scale!");
+  case AArch64::LDRBBui:
+  case AArch64::STRBBui:
+    return 1;
+  case AArch64::LDRHHui:
+  case AArch64::LDURHHi:
+  case AArch64::STRHHui:
+    return 2;
+  case AArch64::LDRSui:
+  case AArch64::LDURSi:
+  case AArch64::LDRSWui:
+  case AArch64::LDURSWi:
+  case AArch64::LDRWui:
+  case AArch64::LDURWi:
   case AArch64::STRSui:
   case AArch64::STURSi:
+  case AArch64::STRWui:
+  case AArch64::STURWi:
+  case AArch64::LDPSi:
+  case AArch64::LDPSWi:
+  case AArch64::LDPWi:
+  case AArch64::STPSi:
+  case AArch64::STPWi:
     return 4;
+  case AArch64::LDRDui:
+  case AArch64::LDURDi:
+  case AArch64::LDRXui:
+  case AArch64::LDURXi:
   case AArch64::STRDui:
   case AArch64::STURDi:
+  case AArch64::STRXui:
+  case AArch64::STURXi:
+  case AArch64::LDPDi:
+  case AArch64::LDPXi:
+  case AArch64::STPDi:
+  case AArch64::STPXi:
     return 8;
+  case AArch64::LDRQui:
+  case AArch64::LDURQi:
   case AArch64::STRQui:
   case AArch64::STURQi:
+  case AArch64::LDPQi:
+  case AArch64::STPQi:
     return 16;
+  }
+}
+
+static unsigned getMatchingNonSExtOpcode(unsigned Opc,
+                                         bool *IsValidLdStrOpc = nullptr) {
+  if (IsValidLdStrOpc)
+    *IsValidLdStrOpc = true;
+  switch (Opc) {
+  default:
+    if (IsValidLdStrOpc)
+      *IsValidLdStrOpc = false;
+    return UINT_MAX;
+  case AArch64::STRDui:
+  case AArch64::STURDi:
+  case AArch64::STRQui:
+  case AArch64::STURQi:
   case AArch64::STRWui:
   case AArch64::STURWi:
-    return 4;
   case AArch64::STRXui:
   case AArch64::STURXi:
-    return 8;
-  case AArch64::LDRSui:
-  case AArch64::LDURSi:
-    return 4;
   case AArch64::LDRDui:
   case AArch64::LDURDi:
-    return 8;
   case AArch64::LDRQui:
   case AArch64::LDURQi:
-    return 16;
   case AArch64::LDRWui:
   case AArch64::LDURWi:
-    return 4;
   case AArch64::LDRXui:
   case AArch64::LDURXi:
-    return 8;
+  case AArch64::STRSui:
+  case AArch64::STURSi:
+  case AArch64::LDRSui:
+  case AArch64::LDURSi:
+  case AArch64::LDRHHui:
+  case AArch64::LDURHHi:
+    return Opc;
+  case AArch64::LDRSWui:
+    return AArch64::LDRWui;
+  case AArch64::LDURSWi:
+    return AArch64::LDURWi;
   }
 }
 
@@ -210,6 +306,13 @@ static unsigned getMatchingPairOpcode(unsigned Opc) {
   case AArch64::LDRXui:
   case AArch64::LDURXi:
     return AArch64::LDPXi;
+  case AArch64::LDRSWui:
+  case AArch64::LDURSWi:
+    return AArch64::LDPSWi;
+  case AArch64::LDRHHui:
+    return AArch64::LDRWui;
+  case AArch64::LDURHHi:
+    return AArch64::LDURWi;
   }
 }
 
@@ -217,16 +320,58 @@ static unsigned getPreIndexedOpcode(unsigned Opc) {
   switch (Opc) {
   default:
     llvm_unreachable("Opcode has no pre-indexed equivalent!");
-  case AArch64::STRSui:    return AArch64::STRSpre;
-  case AArch64::STRDui:    return AArch64::STRDpre;
-  case AArch64::STRQui:    return AArch64::STRQpre;
-  case AArch64::STRWui:    return AArch64::STRWpre;
-  case AArch64::STRXui:    return AArch64::STRXpre;
-  case AArch64::LDRSui:    return AArch64::LDRSpre;
-  case AArch64::LDRDui:    return AArch64::LDRDpre;
-  case AArch64::LDRQui:    return AArch64::LDRQpre;
-  case AArch64::LDRWui:    return AArch64::LDRWpre;
-  case AArch64::LDRXui:    return AArch64::LDRXpre;
+  case AArch64::STRSui:
+    return AArch64::STRSpre;
+  case AArch64::STRDui:
+    return AArch64::STRDpre;
+  case AArch64::STRQui:
+    return AArch64::STRQpre;
+  case AArch64::STRBBui:
+    return AArch64::STRBBpre;
+  case AArch64::STRHHui:
+    return AArch64::STRHHpre;
+  case AArch64::STRWui:
+    return AArch64::STRWpre;
+  case AArch64::STRXui:
+    return AArch64::STRXpre;
+  case AArch64::LDRSui:
+    return AArch64::LDRSpre;
+  case AArch64::LDRDui:
+    return AArch64::LDRDpre;
+  case AArch64::LDRQui:
+    return AArch64::LDRQpre;
+  case AArch64::LDRBBui:
+    return AArch64::LDRBBpre;
+  case AArch64::LDRHHui:
+    return AArch64::LDRHHpre;
+  case AArch64::LDRWui:
+    return AArch64::LDRWpre;
+  case AArch64::LDRXui:
+    return AArch64::LDRXpre;
+  case AArch64::LDRSWui:
+    return AArch64::LDRSWpre;
+  case AArch64::LDPSi:
+    return AArch64::LDPSpre;
+  case AArch64::LDPSWi:
+    return AArch64::LDPSWpre;
+  case AArch64::LDPDi:
+    return AArch64::LDPDpre;
+  case AArch64::LDPQi:
+    return AArch64::LDPQpre;
+  case AArch64::LDPWi:
+    return AArch64::LDPWpre;
+  case AArch64::LDPXi:
+    return AArch64::LDPXpre;
+  case AArch64::STPSi:
+    return AArch64::STPSpre;
+  case AArch64::STPDi:
+    return AArch64::STPDpre;
+  case AArch64::STPQi:
+    return AArch64::STPQpre;
+  case AArch64::STPWi:
+    return AArch64::STPWpre;
+  case AArch64::STPXi:
+    return AArch64::STPXpre;
   }
 }
 
@@ -240,6 +385,10 @@ static unsigned getPostIndexedOpcode(unsigned Opc) {
     return AArch64::STRDpost;
   case AArch64::STRQui:
     return AArch64::STRQpost;
+  case AArch64::STRBBui:
+    return AArch64::STRBBpost;
+  case AArch64::STRHHui:
+    return AArch64::STRHHpost;
   case AArch64::STRWui:
     return AArch64::STRWpost;
   case AArch64::STRXui:
@@ -250,17 +399,96 @@ static unsigned getPostIndexedOpcode(unsigned Opc) {
     return AArch64::LDRDpost;
   case AArch64::LDRQui:
     return AArch64::LDRQpost;
+  case AArch64::LDRBBui:
+    return AArch64::LDRBBpost;
+  case AArch64::LDRHHui:
+    return AArch64::LDRHHpost;
   case AArch64::LDRWui:
     return AArch64::LDRWpost;
   case AArch64::LDRXui:
     return AArch64::LDRXpost;
+  case AArch64::LDRSWui:
+    return AArch64::LDRSWpost;
+  case AArch64::LDPSi:
+    return AArch64::LDPSpost;
+  case AArch64::LDPSWi:
+    return AArch64::LDPSWpost;
+  case AArch64::LDPDi:
+    return AArch64::LDPDpost;
+  case AArch64::LDPQi:
+    return AArch64::LDPQpost;
+  case AArch64::LDPWi:
+    return AArch64::LDPWpost;
+  case AArch64::LDPXi:
+    return AArch64::LDPXpost;
+  case AArch64::STPSi:
+    return AArch64::STPSpost;
+  case AArch64::STPDi:
+    return AArch64::STPDpost;
+  case AArch64::STPQi:
+    return AArch64::STPQpost;
+  case AArch64::STPWi:
+    return AArch64::STPWpost;
+  case AArch64::STPXi:
+    return AArch64::STPXpost;
+  }
+}
+
+static bool isPairedLdSt(const MachineInstr *MI) {
+  switch (MI->getOpcode()) {
+  default:
+    return false;
+  case AArch64::LDPSi:
+  case AArch64::LDPSWi:
+  case AArch64::LDPDi:
+  case AArch64::LDPQi:
+  case AArch64::LDPWi:
+  case AArch64::LDPXi:
+  case AArch64::STPSi:
+  case AArch64::STPDi:
+  case AArch64::STPQi:
+  case AArch64::STPWi:
+  case AArch64::STPXi:
+    return true;
   }
 }
 
+static const MachineOperand &getLdStRegOp(const MachineInstr *MI,
+                                          unsigned PairedRegOp = 0) {
+  assert(PairedRegOp < 2 && "Unexpected register operand idx.");
+  unsigned Idx = isPairedLdSt(MI) ? PairedRegOp : 0;
+  return MI->getOperand(Idx);
+}
+
+static const MachineOperand &getLdStBaseOp(const MachineInstr *MI) {
+  unsigned Idx = isPairedLdSt(MI) ? 2 : 1;
+  return MI->getOperand(Idx);
+}
+
+static const MachineOperand &getLdStOffsetOp(const MachineInstr *MI) {
+  unsigned Idx = isPairedLdSt(MI) ? 3 : 2;
+  return MI->getOperand(Idx);
+}
+
+// Copy MachineMemOperands from Op0 and Op1 to a new array assigned to MI.
+static void concatenateMemOperands(MachineInstr *MI, MachineInstr *Op0,
+                                   MachineInstr *Op1) {
+  assert(MI->memoperands_empty() && "expected a new machineinstr");
+  size_t numMemRefs = (Op0->memoperands_end() - Op0->memoperands_begin()) +
+                      (Op1->memoperands_end() - Op1->memoperands_begin());
+
+  MachineFunction *MF = MI->getParent()->getParent();
+  MachineSDNode::mmo_iterator MemBegin = MF->allocateMemRefsArray(numMemRefs);
+  MachineSDNode::mmo_iterator MemEnd =
+      std::copy(Op0->memoperands_begin(), Op0->memoperands_end(), MemBegin);
+  MemEnd = std::copy(Op1->memoperands_begin(), Op1->memoperands_end(), MemEnd);
+  MI->setMemRefs(MemBegin, MemEnd);
+}
+
 MachineBasicBlock::iterator
 AArch64LoadStoreOpt::mergePairedInsns(MachineBasicBlock::iterator I,
                                       MachineBasicBlock::iterator Paired,
-                                      bool mergeForward) {
+                                      const LdStPairFlags &Flags) {
   MachineBasicBlock::iterator NextI = I;
   ++NextI;
   // If NextI is the second of the two instructions to be merged, we need
@@ -270,39 +498,118 @@ AArch64LoadStoreOpt::mergePairedInsns(MachineBasicBlock::iterator I,
   if (NextI == Paired)
     ++NextI;
 
-  bool IsUnscaled = isUnscaledLdst(I->getOpcode());
-  int OffsetStride =
-      IsUnscaled && EnableAArch64UnscaledMemOp ? getMemSize(I) : 1;
+  int SExtIdx = Flags.getSExtIdx();
+  unsigned Opc =
+      SExtIdx == -1 ? I->getOpcode() : getMatchingNonSExtOpcode(I->getOpcode());
+  bool IsUnscaled = isUnscaledLdSt(Opc);
+  int OffsetStride = IsUnscaled ? getMemScale(I) : 1;
 
-  unsigned NewOpc = getMatchingPairOpcode(I->getOpcode());
+  bool MergeForward = Flags.getMergeForward();
+  unsigned NewOpc = getMatchingPairOpcode(Opc);
   // Insert our new paired instruction after whichever of the paired
-  // instructions mergeForward indicates.
-  MachineBasicBlock::iterator InsertionPoint = mergeForward ? Paired : I;
-  // Also based on mergeForward is from where we copy the base register operand
+  // instructions MergeForward indicates.
+  MachineBasicBlock::iterator InsertionPoint = MergeForward ? Paired : I;
+  // Also based on MergeForward is from where we copy the base register operand
   // so we get the flags compatible with the input code.
-  MachineOperand &BaseRegOp =
-      mergeForward ? Paired->getOperand(1) : I->getOperand(1);
+  const MachineOperand &BaseRegOp =
+      MergeForward ? getLdStBaseOp(Paired) : getLdStBaseOp(I);
 
   // Which register is Rt and which is Rt2 depends on the offset order.
   MachineInstr *RtMI, *Rt2MI;
-  if (I->getOperand(2).getImm() ==
-      Paired->getOperand(2).getImm() + OffsetStride) {
+  if (getLdStOffsetOp(I).getImm() ==
+      getLdStOffsetOp(Paired).getImm() + OffsetStride) {
     RtMI = Paired;
     Rt2MI = I;
+    // Here we swapped the assumption made for SExtIdx.
+    // I.e., we turn ldp I, Paired into ldp Paired, I.
+    // Update the index accordingly.
+    if (SExtIdx != -1)
+      SExtIdx = (SExtIdx + 1) % 2;
   } else {
     RtMI = I;
     Rt2MI = Paired;
   }
+
+  int OffsetImm = getLdStOffsetOp(RtMI).getImm();
+
+  if (isSmallTypeLdMerge(Opc)) {
+    // Change the scaled offset from small to large type.
+    if (!IsUnscaled)
+      OffsetImm /= 2;
+    MachineInstr *RtNewDest = MergeForward ? I : Paired;
+    // Construct the new load instruction.
+    // FIXME: currently we support only halfword unsigned load. We need to
+    // handle byte type, signed, and store instructions as well.
+    MachineInstr *NewMemMI, *BitExtMI1, *BitExtMI2;
+    NewMemMI = BuildMI(*I->getParent(), InsertionPoint, I->getDebugLoc(),
+                       TII->get(NewOpc))
+                   .addOperand(getLdStRegOp(RtNewDest))
+                   .addOperand(BaseRegOp)
+                   .addImm(OffsetImm);
+
+    // Copy MachineMemOperands from the original loads.
+    concatenateMemOperands(NewMemMI, I, Paired);
+
+    DEBUG(
+        dbgs()
+        << "Creating the new load and extract. Replacing instructions:\n    ");
+    DEBUG(I->print(dbgs()));
+    DEBUG(dbgs() << "    ");
+    DEBUG(Paired->print(dbgs()));
+    DEBUG(dbgs() << "  with instructions:\n    ");
+    DEBUG((NewMemMI)->print(dbgs()));
+
+    MachineInstr *ExtDestMI = MergeForward ? Paired : I;
+    if (ExtDestMI == Rt2MI) {
+      // Create the bitfield extract for high half.
+      BitExtMI1 = BuildMI(*I->getParent(), InsertionPoint, I->getDebugLoc(),
+                          TII->get(AArch64::UBFMWri))
+                      .addOperand(getLdStRegOp(Rt2MI))
+                      .addReg(getLdStRegOp(RtNewDest).getReg())
+                      .addImm(16)
+                      .addImm(31);
+      // Create the bitfield extract for low half.
+      BitExtMI2 = BuildMI(*I->getParent(), InsertionPoint, I->getDebugLoc(),
+                          TII->get(AArch64::ANDWri))
+                      .addOperand(getLdStRegOp(RtMI))
+                      .addReg(getLdStRegOp(RtNewDest).getReg())
+                      .addImm(15);
+    } else {
+      // Create the bitfield extract for low half.
+      BitExtMI1 = BuildMI(*I->getParent(), InsertionPoint, I->getDebugLoc(),
+                          TII->get(AArch64::ANDWri))
+                      .addOperand(getLdStRegOp(RtMI))
+                      .addReg(getLdStRegOp(RtNewDest).getReg())
+                      .addImm(15);
+      // Create the bitfield extract for high half.
+      BitExtMI2 = BuildMI(*I->getParent(), InsertionPoint, I->getDebugLoc(),
+                          TII->get(AArch64::UBFMWri))
+                      .addOperand(getLdStRegOp(Rt2MI))
+                      .addReg(getLdStRegOp(RtNewDest).getReg())
+                      .addImm(16)
+                      .addImm(31);
+    }
+    DEBUG(dbgs() << "    ");
+    DEBUG((BitExtMI1)->print(dbgs()));
+    DEBUG(dbgs() << "    ");
+    DEBUG((BitExtMI2)->print(dbgs()));
+    DEBUG(dbgs() << "\n");
+
+    // Erase the old instructions.
+    I->eraseFromParent();
+    Paired->eraseFromParent();
+    return NextI;
+  }
+
   // Handle Unscaled
-  int OffsetImm = RtMI->getOperand(2).getImm();
-  if (IsUnscaled && EnableAArch64UnscaledMemOp)
+  if (IsUnscaled)
     OffsetImm /= OffsetStride;
 
   // Construct the new instruction.
   MachineInstrBuilder MIB = BuildMI(*I->getParent(), InsertionPoint,
                                     I->getDebugLoc(), TII->get(NewOpc))
-                                .addOperand(RtMI->getOperand(0))
-                                .addOperand(Rt2MI->getOperand(0))
+                                .addOperand(getLdStRegOp(RtMI))
+                                .addOperand(getLdStRegOp(Rt2MI))
                                 .addOperand(BaseRegOp)
                                 .addImm(OffsetImm);
   (void)MIB;
@@ -315,8 +622,47 @@ AArch64LoadStoreOpt::mergePairedInsns(MachineBasicBlock::iterator I,
   DEBUG(dbgs() << "    ");
   DEBUG(Paired->print(dbgs()));
   DEBUG(dbgs() << "  with instruction:\n    ");
-  DEBUG(((MachineInstr *)MIB)->print(dbgs()));
-  DEBUG(dbgs() << "\n");
+
+  if (SExtIdx != -1) {
+    // Generate the sign extension for the proper result of the ldp.
+    // I.e., with X1, that would be:
+    // %W1<def> = KILL %W1, %X1<imp-def>
+    // %X1<def> = SBFMXri %X1<kill>, 0, 31
+    MachineOperand &DstMO = MIB->getOperand(SExtIdx);
+    // Right now, DstMO has the extended register, since it comes from an
+    // extended opcode.
+    unsigned DstRegX = DstMO.getReg();
+    // Get the W variant of that register.
+    unsigned DstRegW = TRI->getSubReg(DstRegX, AArch64::sub_32);
+    // Update the result of LDP to use the W instead of the X variant.
+    DstMO.setReg(DstRegW);
+    DEBUG(((MachineInstr *)MIB)->print(dbgs()));
+    DEBUG(dbgs() << "\n");
+    // Make the machine verifier happy by providing a definition for
+    // the X register.
+    // Insert this definition right after the generated LDP, i.e., before
+    // InsertionPoint.
+    MachineInstrBuilder MIBKill =
+        BuildMI(*I->getParent(), InsertionPoint, I->getDebugLoc(),
+                TII->get(TargetOpcode::KILL), DstRegW)
+            .addReg(DstRegW)
+            .addReg(DstRegX, RegState::Define);
+    MIBKill->getOperand(2).setImplicit();
+    // Create the sign extension.
+    MachineInstrBuilder MIBSXTW =
+        BuildMI(*I->getParent(), InsertionPoint, I->getDebugLoc(),
+                TII->get(AArch64::SBFMXri), DstRegX)
+            .addReg(DstRegX)
+            .addImm(0)
+            .addImm(31);
+    (void)MIBSXTW;
+    DEBUG(dbgs() << "  Extend operand:\n    ");
+    DEBUG(((MachineInstr *)MIBSXTW)->print(dbgs()));
+    DEBUG(dbgs() << "\n");
+  } else {
+    DEBUG(((MachineInstr *)MIB)->print(dbgs()));
+    DEBUG(dbgs() << "\n");
+  }
 
   // Erase the old instructions.
   I->eraseFromParent();
@@ -327,11 +673,10 @@ AArch64LoadStoreOpt::mergePairedInsns(MachineBasicBlock::iterator I,
 
 /// trackRegDefsUses - Remember what registers the specified instruction uses
 /// and modifies.
-static void trackRegDefsUses(MachineInstr *MI, BitVector &ModifiedRegs,
+static void trackRegDefsUses(const MachineInstr *MI, BitVector &ModifiedRegs,
                              BitVector &UsedRegs,
                              const TargetRegisterInfo *TRI) {
-  for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
-    MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
+  for (const MachineOperand &MO : MI->operands()) {
     if (MO.isRegMask())
       ModifiedRegs.setBitsNotInMask(MO.getRegMask());
 
@@ -350,16 +695,12 @@ static void trackRegDefsUses(MachineInstr *MI, BitVector &ModifiedRegs,
 }
 
 static bool inBoundsForPair(bool IsUnscaled, int Offset, int OffsetStride) {
-  if (!IsUnscaled && (Offset > 63 || Offset < -64))
-    return false;
-  if (IsUnscaled) {
-    // Convert the byte-offset used by unscaled into an "element" offset used
-    // by the scaled pair load/store instructions.
-    int elemOffset = Offset / OffsetStride;
-    if (elemOffset > 63 || elemOffset < -64)
-      return false;
-  }
-  return true;
+  // Convert the byte-offset used by unscaled into an "element" offset used
+  // by the scaled pair load/store instructions.
+  if (IsUnscaled)
+    Offset /= OffsetStride;
+
+  return Offset <= 63 && Offset >= -64;
 }
 
 // Do alignment, specialized to power of 2 and for signed ints,
@@ -370,33 +711,57 @@ static int alignTo(int Num, int PowOf2) {
   return (Num + PowOf2 - 1) & ~(PowOf2 - 1);
 }
 
+static bool mayAlias(MachineInstr *MIa, MachineInstr *MIb,
+                     const AArch64InstrInfo *TII) {
+  // One of the instructions must modify memory.
+  if (!MIa->mayStore() && !MIb->mayStore())
+    return false;
+
+  // Both instructions must be memory operations.
+  if (!MIa->mayLoadOrStore() && !MIb->mayLoadOrStore())
+    return false;
+
+  return !TII->areMemAccessesTriviallyDisjoint(MIa, MIb);
+}
+
+static bool mayAlias(MachineInstr *MIa,
+                     SmallVectorImpl<MachineInstr *> &MemInsns,
+                     const AArch64InstrInfo *TII) {
+  for (auto &MIb : MemInsns)
+    if (mayAlias(MIa, MIb, TII))
+      return true;
+
+  return false;
+}
+
 /// findMatchingInsn - Scan the instructions looking for a load/store that can
 /// be combined with the current instruction into a load/store pair.
 MachineBasicBlock::iterator
 AArch64LoadStoreOpt::findMatchingInsn(MachineBasicBlock::iterator I,
-                                      bool &mergeForward, unsigned Limit) {
+                                      LdStPairFlags &Flags, unsigned Limit) {
   MachineBasicBlock::iterator E = I->getParent()->end();
   MachineBasicBlock::iterator MBBI = I;
   MachineInstr *FirstMI = I;
   ++MBBI;
 
-  int Opc = FirstMI->getOpcode();
-  bool mayLoad = FirstMI->mayLoad();
-  bool IsUnscaled = isUnscaledLdst(Opc);
-  unsigned Reg = FirstMI->getOperand(0).getReg();
-  unsigned BaseReg = FirstMI->getOperand(1).getReg();
-  int Offset = FirstMI->getOperand(2).getImm();
+  unsigned Opc = FirstMI->getOpcode();
+  bool MayLoad = FirstMI->mayLoad();
+  bool IsUnscaled = isUnscaledLdSt(FirstMI);
+  unsigned Reg = getLdStRegOp(FirstMI).getReg();
+  unsigned BaseReg = getLdStBaseOp(FirstMI).getReg();
+  int Offset = getLdStOffsetOp(FirstMI).getImm();
 
   // Early exit if the first instruction modifies the base register.
   // e.g., ldr x0, [x0]
-  // Early exit if the offset if not possible to match. (6 bits of positive
-  // range, plus allow an extra one in case we find a later insn that matches
-  // with Offset-1
   if (FirstMI->modifiesRegister(BaseReg, TRI))
     return E;
-  int OffsetStride =
-      IsUnscaled && EnableAArch64UnscaledMemOp ? getMemSize(FirstMI) : 1;
-  if (!inBoundsForPair(IsUnscaled, Offset, OffsetStride))
+
+  // Early exit if the offset if not possible to match. (6 bits of positive
+  // range, plus allow an extra one in case we find a later insn that matches
+  // with Offset-1)
+  int OffsetStride = IsUnscaled ? getMemScale(FirstMI) : 1;
+  if (!isSmallTypeLdMerge(Opc) &&
+      !inBoundsForPair(IsUnscaled, Offset, OffsetStride))
     return E;
 
   // Track which registers have been modified and used between the first insn
@@ -404,6 +769,10 @@ AArch64LoadStoreOpt::findMatchingInsn(MachineBasicBlock::iterator I,
   BitVector ModifiedRegs, UsedRegs;
   ModifiedRegs.resize(TRI->getNumRegs());
   UsedRegs.resize(TRI->getNumRegs());
+
+  // Remember any instructions that read/write memory between FirstMI and MI.
+  SmallVector<MachineInstr *, 4> MemInsns;
+
   for (unsigned Count = 0; MBBI != E && Count < Limit; ++MBBI) {
     MachineInstr *MI = MBBI;
     // Skip DBG_VALUE instructions. Otherwise debug info can affect the
@@ -414,7 +783,20 @@ AArch64LoadStoreOpt::findMatchingInsn(MachineBasicBlock::iterator I,
     // Now that we know this is a real instruction, count it.
     ++Count;
 
-    if (Opc == MI->getOpcode() && MI->getOperand(2).isImm()) {
+    bool CanMergeOpc = Opc == MI->getOpcode();
+    Flags.setSExtIdx(-1);
+    if (!CanMergeOpc) {
+      bool IsValidLdStrOpc;
+      unsigned NonSExtOpc = getMatchingNonSExtOpcode(Opc, &IsValidLdStrOpc);
+      assert(IsValidLdStrOpc &&
+             "Given Opc should be a Load or Store with an immediate");
+      // Opc will be the first instruction in the pair.
+      Flags.setSExtIdx(NonSExtOpc == (unsigned)Opc ? 1 : 0);
+      CanMergeOpc = NonSExtOpc == getMatchingNonSExtOpcode(MI->getOpcode());
+    }
+
+    if (CanMergeOpc && getLdStOffsetOp(MI).isImm()) {
+      assert(MI->mayLoadOrStore() && "Expected memory operation.");
       // If we've found another instruction with the same opcode, check to see
       // if the base and offset are compatible with our starting instruction.
       // These instructions all have scaled immediate operands, so we just
@@ -425,8 +807,8 @@ AArch64LoadStoreOpt::findMatchingInsn(MachineBasicBlock::iterator I,
       // Pairwise instructions have a 7-bit signed offset field. Single insns
       // have a 12-bit unsigned offset field. To be a valid combine, the
       // final offset must be in range.
-      unsigned MIBaseReg = MI->getOperand(1).getReg();
-      int MIOffset = MI->getOperand(2).getImm();
+      unsigned MIBaseReg = getLdStBaseOp(MI).getReg();
+      int MIOffset = getLdStOffsetOp(MI).getImm();
       if (BaseReg == MIBaseReg && ((Offset == MIOffset + OffsetStride) ||
                                    (Offset + OffsetStride == MIOffset))) {
         int MinOffset = Offset < MIOffset ? Offset : MIOffset;
@@ -437,41 +819,62 @@ AArch64LoadStoreOpt::findMatchingInsn(MachineBasicBlock::iterator I,
           return E;
         // If the resultant immediate offset of merging these instructions
         // is out of range for a pairwise instruction, bail and keep looking.
-        bool MIIsUnscaled = isUnscaledLdst(MI->getOpcode());
-        if (!inBoundsForPair(MIIsUnscaled, MinOffset, OffsetStride)) {
+        bool MIIsUnscaled = isUnscaledLdSt(MI);
+        bool IsSmallTypeLd = isSmallTypeLdMerge(MI->getOpcode());
+        if (!IsSmallTypeLd &&
+            !inBoundsForPair(MIIsUnscaled, MinOffset, OffsetStride)) {
           trackRegDefsUses(MI, ModifiedRegs, UsedRegs, TRI);
+          MemInsns.push_back(MI);
           continue;
         }
-        // If the alignment requirements of the paired (scaled) instruction
-        // can't express the offset of the unscaled input, bail and keep
-        // looking.
-        if (IsUnscaled && EnableAArch64UnscaledMemOp &&
-            (alignTo(MinOffset, OffsetStride) != MinOffset)) {
-          trackRegDefsUses(MI, ModifiedRegs, UsedRegs, TRI);
-          continue;
+
+        if (IsSmallTypeLd) {
+          // If the alignment requirements of the larger type scaled load
+          // instruction can't express the scaled offset of the smaller type
+          // input, bail and keep looking.
+          if (!IsUnscaled && alignTo(MinOffset, 2) != MinOffset) {
+            trackRegDefsUses(MI, ModifiedRegs, UsedRegs, TRI);
+            MemInsns.push_back(MI);
+            continue;
+          }
+        } else {
+          // If the alignment requirements of the paired (scaled) instruction
+          // can't express the offset of the unscaled input, bail and keep
+          // looking.
+          if (IsUnscaled && (alignTo(MinOffset, OffsetStride) != MinOffset)) {
+            trackRegDefsUses(MI, ModifiedRegs, UsedRegs, TRI);
+            MemInsns.push_back(MI);
+            continue;
+          }
         }
         // If the destination register of the loads is the same register, bail
         // and keep looking. A load-pair instruction with both destination
         // registers the same is UNPREDICTABLE and will result in an exception.
-        if (mayLoad && Reg == MI->getOperand(0).getReg()) {
+        if (MayLoad && Reg == getLdStRegOp(MI).getReg()) {
           trackRegDefsUses(MI, ModifiedRegs, UsedRegs, TRI);
+          MemInsns.push_back(MI);
           continue;
         }
 
         // If the Rt of the second instruction was not modified or used between
-        // the two instructions, we can combine the second into the first.
-        if (!ModifiedRegs[MI->getOperand(0).getReg()] &&
-            !UsedRegs[MI->getOperand(0).getReg()]) {
-          mergeForward = false;
+        // the two instructions and none of the instructions between the second
+        // and first alias with the second, we can combine the second into the
+        // first.
+        if (!ModifiedRegs[getLdStRegOp(MI).getReg()] &&
+            !(MI->mayLoad() && UsedRegs[getLdStRegOp(MI).getReg()]) &&
+            !mayAlias(MI, MemInsns, TII)) {
+          Flags.setMergeForward(false);
           return MBBI;
         }
 
         // Likewise, if the Rt of the first instruction is not modified or used
-        // between the two instructions, we can combine the first into the
-        // second.
-        if (!ModifiedRegs[FirstMI->getOperand(0).getReg()] &&
-            !UsedRegs[FirstMI->getOperand(0).getReg()]) {
-          mergeForward = true;
+        // between the two instructions and none of the instructions between the
+        // first and the second alias with the first, we can combine the first
+        // into the second.
+        if (!ModifiedRegs[getLdStRegOp(FirstMI).getReg()] &&
+            !(MayLoad && UsedRegs[getLdStRegOp(FirstMI).getReg()]) &&
+            !mayAlias(FirstMI, MemInsns, TII)) {
+          Flags.setMergeForward(true);
           return MBBI;
         }
         // Unable to combine these instructions due to interference in between.
@@ -479,21 +882,9 @@ AArch64LoadStoreOpt::findMatchingInsn(MachineBasicBlock::iterator I,
       }
     }
 
-    // If the instruction wasn't a matching load or store, but does (or can)
-    // modify memory, stop searching, as we don't have alias analysis or
-    // anything like that to tell us whether the access is tromping on the
-    // locations we care about. The big one we want to catch is calls.
-    //
-    // FIXME: Theoretically, we can do better than that for SP and FP based
-    // references since we can effectively know where those are touching. It's
-    // unclear if it's worth the extra code, though. Most paired instructions
-    // will be sequential, perhaps with a few intervening non-memory related
-    // instructions.
-    if (MI->mayStore() || MI->isCall())
-      return E;
-    // Likewise, if we're matching a store instruction, we don't want to
-    // move across a load, as it may be reading the same location.
-    if (FirstMI->mayStore() && MI->mayLoad())
+    // If the instruction wasn't a matching load or store.  Stop searching if we
+    // encounter a call instruction that might modify memory.
+    if (MI->isCall())
       return E;
 
     // Update modified / uses register lists.
@@ -503,56 +894,18 @@ AArch64LoadStoreOpt::findMatchingInsn(MachineBasicBlock::iterator I,
     // return early.
     if (ModifiedRegs[BaseReg])
       return E;
+
+    // Update list of instructions that read/write memory.
+    if (MI->mayLoadOrStore())
+      MemInsns.push_back(MI);
   }
   return E;
 }
 
 MachineBasicBlock::iterator
-AArch64LoadStoreOpt::mergePreIdxUpdateInsn(MachineBasicBlock::iterator I,
-                                           MachineBasicBlock::iterator Update) {
-  assert((Update->getOpcode() == AArch64::ADDXri ||
-          Update->getOpcode() == AArch64::SUBXri) &&
-         "Unexpected base register update instruction to merge!");
-  MachineBasicBlock::iterator NextI = I;
-  // Return the instruction following the merged instruction, which is
-  // the instruction following our unmerged load. Unless that's the add/sub
-  // instruction we're merging, in which case it's the one after that.
-  if (++NextI == Update)
-    ++NextI;
-
-  int Value = Update->getOperand(2).getImm();
-  assert(AArch64_AM::getShiftValue(Update->getOperand(3).getImm()) == 0 &&
-         "Can't merge 1 << 12 offset into pre-indexed load / store");
-  if (Update->getOpcode() == AArch64::SUBXri)
-    Value = -Value;
-
-  unsigned NewOpc = getPreIndexedOpcode(I->getOpcode());
-  MachineInstrBuilder MIB =
-      BuildMI(*I->getParent(), I, I->getDebugLoc(), TII->get(NewOpc))
-          .addOperand(Update->getOperand(0))
-          .addOperand(I->getOperand(0))
-          .addOperand(I->getOperand(1))
-          .addImm(Value);
-  (void)MIB;
-
-  DEBUG(dbgs() << "Creating pre-indexed load/store.");
-  DEBUG(dbgs() << "    Replacing instructions:\n    ");
-  DEBUG(I->print(dbgs()));
-  DEBUG(dbgs() << "    ");
-  DEBUG(Update->print(dbgs()));
-  DEBUG(dbgs() << "  with instruction:\n    ");
-  DEBUG(((MachineInstr *)MIB)->print(dbgs()));
-  DEBUG(dbgs() << "\n");
-
-  // Erase the old instructions for the block.
-  I->eraseFromParent();
-  Update->eraseFromParent();
-
-  return NextI;
-}
-
-MachineBasicBlock::iterator AArch64LoadStoreOpt::mergePostIdxUpdateInsn(
-    MachineBasicBlock::iterator I, MachineBasicBlock::iterator Update) {
+AArch64LoadStoreOpt::mergeUpdateInsn(MachineBasicBlock::iterator I,
+                                     MachineBasicBlock::iterator Update,
+                                     bool IsPreIdx) {
   assert((Update->getOpcode() == AArch64::ADDXri ||
           Update->getOpcode() == AArch64::SUBXri) &&
          "Unexpected base register update instruction to merge!");
@@ -565,20 +918,36 @@ MachineBasicBlock::iterator AArch64LoadStoreOpt::mergePostIdxUpdateInsn(
 
   int Value = Update->getOperand(2).getImm();
   assert(AArch64_AM::getShiftValue(Update->getOperand(3).getImm()) == 0 &&
-         "Can't merge 1 << 12 offset into post-indexed load / store");
+         "Can't merge 1 << 12 offset into pre-/post-indexed load / store");
   if (Update->getOpcode() == AArch64::SUBXri)
     Value = -Value;
 
-  unsigned NewOpc = getPostIndexedOpcode(I->getOpcode());
-  MachineInstrBuilder MIB =
-      BuildMI(*I->getParent(), I, I->getDebugLoc(), TII->get(NewOpc))
-          .addOperand(Update->getOperand(0))
-          .addOperand(I->getOperand(0))
-          .addOperand(I->getOperand(1))
-          .addImm(Value);
+  unsigned NewOpc = IsPreIdx ? getPreIndexedOpcode(I->getOpcode())
+                             : getPostIndexedOpcode(I->getOpcode());
+  MachineInstrBuilder MIB;
+  if (!isPairedLdSt(I)) {
+    // Non-paired instruction.
+    MIB = BuildMI(*I->getParent(), I, I->getDebugLoc(), TII->get(NewOpc))
+              .addOperand(getLdStRegOp(Update))
+              .addOperand(getLdStRegOp(I))
+              .addOperand(getLdStBaseOp(I))
+              .addImm(Value);
+  } else {
+    // Paired instruction.
+    int Scale = getMemScale(I);
+    MIB = BuildMI(*I->getParent(), I, I->getDebugLoc(), TII->get(NewOpc))
+              .addOperand(getLdStRegOp(Update))
+              .addOperand(getLdStRegOp(I, 0))
+              .addOperand(getLdStRegOp(I, 1))
+              .addOperand(getLdStBaseOp(I))
+              .addImm(Value / Scale);
+  }
   (void)MIB;
 
-  DEBUG(dbgs() << "Creating post-indexed load/store.");
+  if (IsPreIdx)
+    DEBUG(dbgs() << "Creating pre-indexed load/store.");
+  else
+    DEBUG(dbgs() << "Creating post-indexed load/store.");
   DEBUG(dbgs() << "    Replacing instructions:\n    ");
   DEBUG(I->print(dbgs()));
   DEBUG(dbgs() << "    ");
@@ -594,8 +963,9 @@ MachineBasicBlock::iterator AArch64LoadStoreOpt::mergePostIdxUpdateInsn(
   return NextI;
 }
 
-static bool isMatchingUpdateInsn(MachineInstr *MI, unsigned BaseReg,
-                                 int Offset) {
+bool AArch64LoadStoreOpt::isMatchingUpdateInsn(MachineInstr *MemMI,
+                                               MachineInstr *MI,
+                                               unsigned BaseReg, int Offset) {
   switch (MI->getOpcode()) {
   default:
     break;
@@ -611,44 +981,65 @@ static bool isMatchingUpdateInsn(MachineInstr *MI, unsigned BaseReg,
     // Watch out for 1 << 12 shifted value.
     if (AArch64_AM::getShiftValue(MI->getOperand(3).getImm()))
       break;
-    // If the instruction has the base register as source and dest and the
-    // immediate will fit in a signed 9-bit integer, then we have a match.
-    if (MI->getOperand(0).getReg() == BaseReg &&
-        MI->getOperand(1).getReg() == BaseReg &&
-        MI->getOperand(2).getImm() <= 255 &&
-        MI->getOperand(2).getImm() >= -256) {
-      // If we have a non-zero Offset, we check that it matches the amount
-      // we're adding to the register.
-      if (!Offset || Offset == MI->getOperand(2).getImm())
-        return true;
+
+    // The update instruction source and destination register must be the
+    // same as the load/store base register.
+    if (MI->getOperand(0).getReg() != BaseReg ||
+        MI->getOperand(1).getReg() != BaseReg)
+      break;
+
+    bool IsPairedInsn = isPairedLdSt(MemMI);
+    int UpdateOffset = MI->getOperand(2).getImm();
+    // For non-paired load/store instructions, the immediate must fit in a
+    // signed 9-bit integer.
+    if (!IsPairedInsn && (UpdateOffset > 255 || UpdateOffset < -256))
+      break;
+
+    // For paired load/store instructions, the immediate must be a multiple of
+    // the scaling factor.  The scaled offset must also fit into a signed 7-bit
+    // integer.
+    if (IsPairedInsn) {
+      int Scale = getMemScale(MemMI);
+      if (UpdateOffset % Scale != 0)
+        break;
+
+      int ScaledOffset = UpdateOffset / Scale;
+      if (ScaledOffset > 64 || ScaledOffset < -64)
+        break;
     }
+
+    // If we have a non-zero Offset, we check that it matches the amount
+    // we're adding to the register.
+    if (!Offset || Offset == MI->getOperand(2).getImm())
+      return true;
     break;
   }
   return false;
 }
 
 MachineBasicBlock::iterator AArch64LoadStoreOpt::findMatchingUpdateInsnForward(
-    MachineBasicBlock::iterator I, unsigned Limit, int Value) {
+    MachineBasicBlock::iterator I, unsigned Limit, int UnscaledOffset) {
   MachineBasicBlock::iterator E = I->getParent()->end();
   MachineInstr *MemMI = I;
   MachineBasicBlock::iterator MBBI = I;
-  const MachineFunction &MF = *MemMI->getParent()->getParent();
 
-  unsigned DestReg = MemMI->getOperand(0).getReg();
-  unsigned BaseReg = MemMI->getOperand(1).getReg();
-  int Offset = MemMI->getOperand(2).getImm() *
-               TII->getRegClass(MemMI->getDesc(), 0, TRI, MF)->getSize();
+  unsigned BaseReg = getLdStBaseOp(MemMI).getReg();
+  int MIUnscaledOffset = getLdStOffsetOp(MemMI).getImm() * getMemScale(MemMI);
 
-  // If the base register overlaps the destination register, we can't
-  // merge the update.
-  if (DestReg == BaseReg || TRI->isSubRegister(BaseReg, DestReg))
+  // Scan forward looking for post-index opportunities.  Updating instructions
+  // can't be formed if the memory instruction doesn't have the offset we're
+  // looking for.
+  if (MIUnscaledOffset != UnscaledOffset)
     return E;
 
-  // Scan forward looking for post-index opportunities.
-  // Updating instructions can't be formed if the memory insn already
-  // has an offset other than the value we're looking for.
-  if (Offset != Value)
-    return E;
+  // If the base register overlaps a destination register, we can't
+  // merge the update.
+  bool IsPairedInsn = isPairedLdSt(MemMI);
+  for (unsigned i = 0, e = IsPairedInsn ? 2 : 1; i != e; ++i) {
+    unsigned DestReg = getLdStRegOp(MemMI, i).getReg();
+    if (DestReg == BaseReg || TRI->isSubRegister(BaseReg, DestReg))
+      return E;
+  }
 
   // Track which registers have been modified and used between the first insn
   // (inclusive) and the second insn.
@@ -667,7 +1058,7 @@ MachineBasicBlock::iterator AArch64LoadStoreOpt::findMatchingUpdateInsnForward(
     ++Count;
 
     // If we found a match, return it.
-    if (isMatchingUpdateInsn(MI, BaseReg, Value))
+    if (isMatchingUpdateInsn(I, MI, BaseReg, UnscaledOffset))
       return MBBI;
 
     // Update the status of what the instruction clobbered and used.
@@ -687,21 +1078,22 @@ MachineBasicBlock::iterator AArch64LoadStoreOpt::findMatchingUpdateInsnBackward(
   MachineBasicBlock::iterator E = I->getParent()->end();
   MachineInstr *MemMI = I;
   MachineBasicBlock::iterator MBBI = I;
-  const MachineFunction &MF = *MemMI->getParent()->getParent();
 
-  unsigned DestReg = MemMI->getOperand(0).getReg();
-  unsigned BaseReg = MemMI->getOperand(1).getReg();
-  int Offset = MemMI->getOperand(2).getImm();
-  unsigned RegSize = TII->getRegClass(MemMI->getDesc(), 0, TRI, MF)->getSize();
+  unsigned BaseReg = getLdStBaseOp(MemMI).getReg();
+  int Offset = getLdStOffsetOp(MemMI).getImm();
 
   // If the load/store is the first instruction in the block, there's obviously
   // not any matching update. Ditto if the memory offset isn't zero.
   if (MBBI == B || Offset != 0)
     return E;
-  // If the base register overlaps the destination register, we can't
+  // If the base register overlaps a destination register, we can't
   // merge the update.
-  if (DestReg == BaseReg || TRI->isSubRegister(BaseReg, DestReg))
-    return E;
+  bool IsPairedInsn = isPairedLdSt(MemMI);
+  for (unsigned i = 0, e = IsPairedInsn ? 2 : 1; i != e; ++i) {
+    unsigned DestReg = getLdStRegOp(MemMI, i).getReg();
+    if (DestReg == BaseReg || TRI->isSubRegister(BaseReg, DestReg))
+      return E;
+  }
 
   // Track which registers have been modified and used between the first insn
   // (inclusive) and the second insn.
@@ -720,7 +1112,7 @@ MachineBasicBlock::iterator AArch64LoadStoreOpt::findMatchingUpdateInsnBackward(
     ++Count;
 
     // If we found a match, return it.
-    if (isMatchingUpdateInsn(MI, BaseReg, RegSize))
+    if (isMatchingUpdateInsn(I, MI, BaseReg, Offset))
       return MBBI;
 
     // Update the status of what the instruction clobbered and used.
@@ -734,17 +1126,65 @@ MachineBasicBlock::iterator AArch64LoadStoreOpt::findMatchingUpdateInsnBackward(
   return E;
 }
 
-bool AArch64LoadStoreOpt::optimizeBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
+bool AArch64LoadStoreOpt::tryToMergeLdStInst(
+    MachineBasicBlock::iterator &MBBI) {
+  MachineInstr *MI = MBBI;
+  MachineBasicBlock::iterator E = MI->getParent()->end();
+  // If this is a volatile load/store, don't mess with it.
+  if (MI->hasOrderedMemoryRef())
+    return false;
+
+  // Make sure this is a reg+imm (as opposed to an address reloc).
+  if (!getLdStOffsetOp(MI).isImm())
+    return false;
+
+  // Check if this load/store has a hint to avoid pair formation.
+  // MachineMemOperands hints are set by the AArch64StorePairSuppress pass.
+  if (TII->isLdStPairSuppressed(MI))
+    return false;
+
+  // Look ahead up to ScanLimit instructions for a pairable instruction.
+  LdStPairFlags Flags;
+  MachineBasicBlock::iterator Paired = findMatchingInsn(MBBI, Flags, ScanLimit);
+  if (Paired != E) {
+    if (isSmallTypeLdMerge(MI)) {
+      ++NumSmallTypeMerged;
+    } else {
+      ++NumPairCreated;
+      if (isUnscaledLdSt(MI))
+        ++NumUnscaledPairCreated;
+    }
+
+    // Merge the loads into a pair. Keeping the iterator straight is a
+    // pain, so we let the merge routine tell us what the next instruction
+    // is after it's done mucking about.
+    MBBI = mergePairedInsns(MBBI, Paired, Flags);
+    return true;
+  }
+  return false;
+}
+
+bool AArch64LoadStoreOpt::optimizeBlock(MachineBasicBlock &MBB,
+                                        bool enableNarrowLdOpt) {
   bool Modified = false;
-  // Two tranformations to do here:
-  // 1) Find loads and stores that can be merged into a single load or store
+  // Three tranformations to do here:
+  // 1) Find halfword loads that can be merged into a single 32-bit word load
+  //    with bitfield extract instructions.
+  //      e.g.,
+  //        ldrh w0, [x2]
+  //        ldrh w1, [x2, #2]
+  //        ; becomes
+  //        ldr w0, [x2]
+  //        ubfx w1, w0, #16, #16
+  //        and w0, w0, #ffff
+  // 2) Find loads and stores that can be merged into a single load or store
   //    pair instruction.
   //      e.g.,
   //        ldr x0, [x2]
   //        ldr x1, [x2, #8]
   //        ; becomes
   //        ldp x0, x1, [x2]
-  // 2) Find base register updates that can be merged into the load or store
+  // 3) Find base register updates that can be merged into the load or store
   //    as a base-reg writeback.
   //      e.g.,
   //        ldr x0, [x2]
@@ -752,6 +1192,29 @@ bool AArch64LoadStoreOpt::optimizeBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
   //        ; becomes
   //        ldr x0, [x2], #4
 
+  for (MachineBasicBlock::iterator MBBI = MBB.begin(), E = MBB.end();
+       enableNarrowLdOpt && MBBI != E;) {
+    MachineInstr *MI = MBBI;
+    switch (MI->getOpcode()) {
+    default:
+      // Just move on to the next instruction.
+      ++MBBI;
+      break;
+    // Scaled instructions.
+    case AArch64::LDRHHui:
+    // Unscaled instructions.
+    case AArch64::LDURHHi: {
+      if (tryToMergeLdStInst(MBBI)) {
+        Modified = true;
+        break;
+      }
+      ++MBBI;
+      break;
+    }
+      // FIXME: Do the other instructions.
+    }
+  }
+
   for (MachineBasicBlock::iterator MBBI = MBB.begin(), E = MBB.end();
        MBBI != E;) {
     MachineInstr *MI = MBBI;
@@ -760,6 +1223,7 @@ bool AArch64LoadStoreOpt::optimizeBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
       // Just move on to the next instruction.
       ++MBBI;
       break;
+    // Scaled instructions.
     case AArch64::STRSui:
     case AArch64::STRDui:
     case AArch64::STRQui:
@@ -770,7 +1234,8 @@ bool AArch64LoadStoreOpt::optimizeBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
     case AArch64::LDRQui:
     case AArch64::LDRXui:
     case AArch64::LDRWui:
-    // do the unscaled versions as well
+    case AArch64::LDRSWui:
+    // Unscaled instructions.
     case AArch64::STURSi:
     case AArch64::STURDi:
     case AArch64::STURQi:
@@ -780,37 +1245,10 @@ bool AArch64LoadStoreOpt::optimizeBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
     case AArch64::LDURDi:
     case AArch64::LDURQi:
     case AArch64::LDURWi:
-    case AArch64::LDURXi: {
-      // If this is a volatile load/store, don't mess with it.
-      if (MI->hasOrderedMemoryRef()) {
-        ++MBBI;
-        break;
-      }
-      // Make sure this is a reg+imm (as opposed to an address reloc).
-      if (!MI->getOperand(2).isImm()) {
-        ++MBBI;
-        break;
-      }
-      // Check if this load/store has a hint to avoid pair formation.
-      // MachineMemOperands hints are set by the AArch64StorePairSuppress pass.
-      if (TII->isLdStPairSuppressed(MI)) {
-        ++MBBI;
-        break;
-      }
-      // Look ahead up to ScanLimit instructions for a pairable instruction.
-      bool mergeForward = false;
-      MachineBasicBlock::iterator Paired =
-          findMatchingInsn(MBBI, mergeForward, ScanLimit);
-      if (Paired != E) {
-        // Merge the loads into a pair. Keeping the iterator straight is a
-        // pain, so we let the merge routine tell us what the next instruction
-        // is after it's done mucking about.
-        MBBI = mergePairedInsns(MBBI, Paired, mergeForward);
-
+    case AArch64::LDURXi:
+    case AArch64::LDURSWi: {
+      if (tryToMergeLdStInst(MBBI)) {
         Modified = true;
-        ++NumPairCreated;
-        if (isUnscaledLdst(MI->getOpcode()))
-          ++NumUnscaledPairCreated;
         break;
       }
       ++MBBI;
@@ -825,23 +1263,28 @@ bool AArch64LoadStoreOpt::optimizeBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
     MachineInstr *MI = MBBI;
     // Do update merging. It's simpler to keep this separate from the above
     // switch, though not strictly necessary.
-    int Opc = MI->getOpcode();
+    unsigned Opc = MI->getOpcode();
     switch (Opc) {
     default:
       // Just move on to the next instruction.
       ++MBBI;
       break;
+    // Scaled instructions.
     case AArch64::STRSui:
     case AArch64::STRDui:
     case AArch64::STRQui:
     case AArch64::STRXui:
     case AArch64::STRWui:
+    case AArch64::STRHHui:
+    case AArch64::STRBBui:
     case AArch64::LDRSui:
     case AArch64::LDRDui:
     case AArch64::LDRQui:
     case AArch64::LDRXui:
     case AArch64::LDRWui:
-    // do the unscaled versions as well
+    case AArch64::LDRHHui:
+    case AArch64::LDRBBui:
+    // Unscaled instructions.
     case AArch64::STURSi:
     case AArch64::STURDi:
     case AArch64::STURQi:
@@ -851,25 +1294,41 @@ bool AArch64LoadStoreOpt::optimizeBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
     case AArch64::LDURDi:
     case AArch64::LDURQi:
     case AArch64::LDURWi:
-    case AArch64::LDURXi: {
+    case AArch64::LDURXi:
+    // Paired instructions.
+    case AArch64::LDPSi:
+    case AArch64::LDPSWi:
+    case AArch64::LDPDi:
+    case AArch64::LDPQi:
+    case AArch64::LDPWi:
+    case AArch64::LDPXi:
+    case AArch64::STPSi:
+    case AArch64::STPDi:
+    case AArch64::STPQi:
+    case AArch64::STPWi:
+    case AArch64::STPXi: {
       // Make sure this is a reg+imm (as opposed to an address reloc).
-      if (!MI->getOperand(2).isImm()) {
+      if (!getLdStOffsetOp(MI).isImm()) {
         ++MBBI;
         break;
       }
-      // Look ahead up to ScanLimit instructions for a mergable instruction.
+      // Look forward to try to form a post-index instruction. For example,
+      // ldr x0, [x20]
+      // add x20, x20, #32
+      //   merged into:
+      // ldr x0, [x20], #32
       MachineBasicBlock::iterator Update =
           findMatchingUpdateInsnForward(MBBI, ScanLimit, 0);
       if (Update != E) {
         // Merge the update into the ld/st.
-        MBBI = mergePostIdxUpdateInsn(MBBI, Update);
+        MBBI = mergeUpdateInsn(MBBI, Update, /*IsPreIdx=*/false);
         Modified = true;
         ++NumPostFolded;
         break;
       }
       // Don't know how to handle pre/post-index versions, so move to the next
       // instruction.
-      if (isUnscaledLdst(Opc)) {
+      if (isUnscaledLdSt(Opc)) {
         ++MBBI;
         break;
       }
@@ -882,28 +1341,25 @@ bool AArch64LoadStoreOpt::optimizeBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
       Update = findMatchingUpdateInsnBackward(MBBI, ScanLimit);
       if (Update != E) {
         // Merge the update into the ld/st.
-        MBBI = mergePreIdxUpdateInsn(MBBI, Update);
+        MBBI = mergeUpdateInsn(MBBI, Update, /*IsPreIdx=*/true);
         Modified = true;
         ++NumPreFolded;
         break;
       }
+      // The immediate in the load/store is scaled by the size of the memory
+      // operation. The immediate in the add we're looking for,
+      // however, is not, so adjust here.
+      int UnscaledOffset = getLdStOffsetOp(MI).getImm() * getMemScale(MI);
 
       // Look forward to try to find a post-index instruction. For example,
       // ldr x1, [x0, #64]
       // add x0, x0, #64
       //   merged into:
       // ldr x1, [x0, #64]!
-
-      // The immediate in the load/store is scaled by the size of the register
-      // being loaded. The immediate in the add we're looking for,
-      // however, is not, so adjust here.
-      int Value = MI->getOperand(2).getImm() *
-                  TII->getRegClass(MI->getDesc(), 0, TRI, *(MBB.getParent()))
-                      ->getSize();
-      Update = findMatchingUpdateInsnForward(MBBI, ScanLimit, Value);
+      Update = findMatchingUpdateInsnForward(MBBI, ScanLimit, UnscaledOffset);
       if (Update != E) {
         // Merge the update into the ld/st.
-        MBBI = mergePreIdxUpdateInsn(MBBI, Update);
+        MBBI = mergeUpdateInsn(MBBI, Update, /*IsPreIdx=*/true);
         Modified = true;
         ++NumPreFolded;
         break;
@@ -920,14 +1376,25 @@ bool AArch64LoadStoreOpt::optimizeBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
   return Modified;
 }
 
+bool AArch64LoadStoreOpt::enableNarrowLdMerge(MachineFunction &Fn) {
+  const AArch64Subtarget *SubTarget =
+      &static_cast<const AArch64Subtarget &>(Fn.getSubtarget());
+  bool ProfitableArch = SubTarget->isCortexA57();
+  // FIXME: The benefit from converting narrow loads into a wider load could be
+  // microarchitectural as it assumes that a single load with two bitfield
+  // extracts is cheaper than two narrow loads. Currently, this conversion is
+  // enabled only in cortex-a57 on which performance benefits were verified.
+  return ProfitableArch & (!SubTarget->requiresStrictAlign());
+}
+
 bool AArch64LoadStoreOpt::runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn) {
-  const TargetMachine &TM = Fn.getTarget();
-  TII = static_cast<const AArch64InstrInfo *>(TM.getInstrInfo());
-  TRI = TM.getRegisterInfo();
+  TII = static_cast<const AArch64InstrInfo *>(Fn.getSubtarget().getInstrInfo());
+  TRI = Fn.getSubtarget().getRegisterInfo();
 
   bool Modified = false;
+  bool enableNarrowLdOpt = enableNarrowLdMerge(Fn);
   for (auto &MBB : Fn)
-    Modified |= optimizeBlock(MBB);
+    Modified |= optimizeBlock(MBB, enableNarrowLdOpt);
 
   return Modified;
 }
@@ -935,8 +1402,8 @@ bool AArch64LoadStoreOpt::runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn) {
 // FIXME: Do we need/want a pre-alloc pass like ARM has to try to keep
 // loads and stores near one another?
 
-/// createARMLoadStoreOptimizationPass - returns an instance of the load / store
-/// optimization pass.
+/// createAArch64LoadStoreOptimizationPass - returns an instance of the
+/// load / store optimization pass.
 FunctionPass *llvm::createAArch64LoadStoreOptimizationPass() {
   return new AArch64LoadStoreOpt();
 }