Rename isEarlierInSameTrace to isUsefulDominator.
[oota-llvm.git] / include / llvm / CodeGen / MachineTraceMetrics.h
1 //===- lib/CodeGen/MachineTraceMetrics.h - Super-scalar metrics -*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file defines the interface for the MachineTraceMetrics analysis pass
11 // that estimates CPU resource usage and critical data dependency paths through
12 // preferred traces. This is useful for super-scalar CPUs where execution speed
13 // can be limited both by data dependencies and by limited execution resources.
14 //
15 // Out-of-order CPUs will often be executing instructions from multiple basic
16 // blocks at the same time. This makes it difficult to estimate the resource
17 // usage accurately in a single basic block. Resources can be estimated better
18 // by looking at a trace through the current basic block.
19 //
20 // For every block, the MachineTraceMetrics pass will pick a preferred trace
21 // that passes through the block. The trace is chosen based on loop structure,
22 // branch probabilities, and resource usage. The intention is to pick likely
23 // traces that would be the most affected by code transformations.
24 //
25 // It is expensive to compute a full arbitrary trace for every block, so to
26 // save some computations, traces are chosen to be convergent. This means that
27 // if the traces through basic blocks A and B ever cross when moving away from
28 // A and B, they never diverge again. This applies in both directions - If the
29 // traces meet above A and B, they won't diverge when going further back.
30 //
31 // Traces tend to align with loops. The trace through a block in an inner loop
32 // will begin at the loop entry block and end at a back edge. If there are
33 // nested loops, the trace may begin and end at those instead.
34 //
35 // For each trace, we compute the critical path length, which is the number of
36 // cycles required to execute the trace when execution is limited by data
37 // dependencies only. We also compute the resource height, which is the number
38 // of cycles required to execute all instructions in the trace when ignoring
39 // data dependencies.
40 //
41 // Every instruction in the current block has a slack - the number of cycles
42 // execution of the instruction can be delayed without extending the critical
43 // path.
44 //
45 //===----------------------------------------------------------------------===//
46
47 #ifndef LLVM_CODEGEN_MACHINE_TRACE_METRICS_H
48 #define LLVM_CODEGEN_MACHINE_TRACE_METRICS_H
49
50 #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
51 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
52 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
53 #include "llvm/CodeGen/TargetSchedule.h"
54
55 namespace llvm {
56
57 class InstrItineraryData;
58 class MachineBasicBlock;
59 class MachineInstr;
60 class MachineLoop;
61 class MachineLoopInfo;
62 class MachineRegisterInfo;
63 class TargetInstrInfo;
64 class TargetRegisterInfo;
65 class raw_ostream;
66
67 class MachineTraceMetrics : public MachineFunctionPass {
68   const MachineFunction *MF;
69   const TargetInstrInfo *TII;
70   const TargetRegisterInfo *TRI;
71   const MachineRegisterInfo *MRI;
72   const MachineLoopInfo *Loops;
73   TargetSchedModel SchedModel;
74
75 public:
76   class Ensemble;
77   class Trace;
78   static char ID;
79   MachineTraceMetrics();
80   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage&) const;
81   bool runOnMachineFunction(MachineFunction&);
82   void releaseMemory();
83   void verifyAnalysis() const;
84
85   friend class Ensemble;
86   friend class Trace;
87
88   /// Per-basic block information that doesn't depend on the trace through the
89   /// block.
90   struct FixedBlockInfo {
91     /// The number of non-trivial instructions in the block.
92     /// Doesn't count PHI and COPY instructions that are likely to be removed.
93     unsigned InstrCount;
94
95     /// True when the block contains calls.
96     bool HasCalls;
97
98     FixedBlockInfo() : InstrCount(~0u), HasCalls(false) {}
99
100     /// Returns true when resource information for this block has been computed.
101     bool hasResources() const { return InstrCount != ~0u; }
102
103     /// Invalidate resource information.
104     void invalidate() { InstrCount = ~0u; }
105   };
106
107   /// Get the fixed resource information about MBB. Compute it on demand.
108   const FixedBlockInfo *getResources(const MachineBasicBlock*);
109
110   /// A virtual register or regunit required by a basic block or its trace
111   /// successors.
112   struct LiveInReg {
113     /// The virtual register required, or a register unit.
114     unsigned Reg;
115
116     /// For virtual registers: Minimum height of the defining instruction.
117     /// For regunits: Height of the highest user in the trace.
118     unsigned Height;
119
120     LiveInReg(unsigned Reg, unsigned Height = 0) : Reg(Reg), Height(Height) {}
121   };
122
123   /// Per-basic block information that relates to a specific trace through the
124   /// block. Convergent traces means that only one of these is required per
125   /// block in a trace ensemble.
126   struct TraceBlockInfo {
127     /// Trace predecessor, or NULL for the first block in the trace.
128     /// Valid when hasValidDepth().
129     const MachineBasicBlock *Pred;
130
131     /// Trace successor, or NULL for the last block in the trace.
132     /// Valid when hasValidHeight().
133     const MachineBasicBlock *Succ;
134
135     /// The block number of the head of the trace. (When hasValidDepth()).
136     unsigned Head;
137
138     /// The block number of the tail of the trace. (When hasValidHeight()).
139     unsigned Tail;
140
141     /// Accumulated number of instructions in the trace above this block.
142     /// Does not include instructions in this block.
143     unsigned InstrDepth;
144
145     /// Accumulated number of instructions in the trace below this block.
146     /// Includes instructions in this block.
147     unsigned InstrHeight;
148
149     TraceBlockInfo() :
150       Pred(0), Succ(0),
151       InstrDepth(~0u), InstrHeight(~0u),
152       HasValidInstrDepths(false), HasValidInstrHeights(false) {}
153
154     /// Returns true if the depth resources have been computed from the trace
155     /// above this block.
156     bool hasValidDepth() const { return InstrDepth != ~0u; }
157
158     /// Returns true if the height resources have been computed from the trace
159     /// below this block.
160     bool hasValidHeight() const { return InstrHeight != ~0u; }
161
162     /// Invalidate depth resources when some block above this one has changed.
163     void invalidateDepth() { InstrDepth = ~0u; HasValidInstrDepths = false; }
164
165     /// Invalidate height resources when a block below this one has changed.
166     void invalidateHeight() { InstrHeight = ~0u; HasValidInstrHeights = false; }
167
168     /// Assuming that this is a dominator of TBI, determine if it contains
169     /// useful instruction depths. A dominating block can be above the current
170     /// trace head, and any dependencies from such a far away dominator are not
171     /// expected to affect the critical path.
172     ///
173     /// Also returns true when TBI == this.
174     bool isUsefulDominator(const TraceBlockInfo &TBI) const {
175       // The trace for TBI may not even be calculated yet.
176       if (!hasValidDepth() || !TBI.hasValidDepth())
177         return false;
178       // Instruction depths are only comparable if the traces share a head.
179       if (Head != TBI.Head)
180         return false;
181       // It is almost always the case that TBI belongs to the same trace as
182       // this block, but rare convoluted cases involving irreducible control
183       // flow, a dominator may share a trace head without actually being on the
184       // same trace as TBI. This is not a big problem as long as it doesn't
185       // increase the instruction depth.
186       return HasValidInstrDepths && InstrDepth <= TBI.InstrDepth;
187     }
188
189     // Data-dependency-related information. Per-instruction depth and height
190     // are computed from data dependencies in the current trace, using
191     // itinerary data.
192
193     /// Instruction depths have been computed. This implies hasValidDepth().
194     bool HasValidInstrDepths;
195
196     /// Instruction heights have been computed. This implies hasValidHeight().
197     bool HasValidInstrHeights;
198
199     /// Critical path length. This is the number of cycles in the longest data
200     /// dependency chain through the trace. This is only valid when both
201     /// HasValidInstrDepths and HasValidInstrHeights are set.
202     unsigned CriticalPath;
203
204     /// Live-in registers. These registers are defined above the current block
205     /// and used by this block or a block below it.
206     /// This does not include PHI uses in the current block, but it does
207     /// include PHI uses in deeper blocks.
208     SmallVector<LiveInReg, 4> LiveIns;
209
210     void print(raw_ostream&) const;
211   };
212
213   /// InstrCycles represents the cycle height and depth of an instruction in a
214   /// trace.
215   struct InstrCycles {
216     /// Earliest issue cycle as determined by data dependencies and instruction
217     /// latencies from the beginning of the trace. Data dependencies from
218     /// before the trace are not included.
219     unsigned Depth;
220
221     /// Minimum number of cycles from this instruction is issued to the of the
222     /// trace, as determined by data dependencies and instruction latencies.
223     unsigned Height;
224   };
225
226   /// A trace represents a plausible sequence of executed basic blocks that
227   /// passes through the current basic block one. The Trace class serves as a
228   /// handle to internal cached data structures.
229   class Trace {
230     Ensemble &TE;
231     TraceBlockInfo &TBI;
232
233     unsigned getBlockNum() const { return &TBI - &TE.BlockInfo[0]; }
234
235   public:
236     explicit Trace(Ensemble &te, TraceBlockInfo &tbi) : TE(te), TBI(tbi) {}
237     void print(raw_ostream&) const;
238
239     /// Compute the total number of instructions in the trace.
240     unsigned getInstrCount() const {
241       return TBI.InstrDepth + TBI.InstrHeight;
242     }
243
244     /// Return the resource depth of the top/bottom of the trace center block.
245     /// This is the number of cycles required to execute all instructions from
246     /// the trace head to the trace center block. The resource depth only
247     /// considers execution resources, it ignores data dependencies.
248     /// When Bottom is set, instructions in the trace center block are included.
249     unsigned getResourceDepth(bool Bottom) const;
250
251     /// Return the resource length of the trace. This is the number of cycles
252     /// required to execute the instructions in the trace if they were all
253     /// independent, exposing the maximum instruction-level parallelism.
254     ///
255     /// Any blocks in Extrablocks are included as if they were part of the
256     /// trace.
257     unsigned getResourceLength(ArrayRef<const MachineBasicBlock*> Extrablocks =
258                                ArrayRef<const MachineBasicBlock*>()) const;
259
260     /// Return the length of the (data dependency) critical path through the
261     /// trace.
262     unsigned getCriticalPath() const { return TBI.CriticalPath; }
263
264     /// Return the depth and height of MI. The depth is only valid for
265     /// instructions in or above the trace center block. The height is only
266     /// valid for instructions in or below the trace center block.
267     InstrCycles getInstrCycles(const MachineInstr *MI) const {
268       return TE.Cycles.lookup(MI);
269     }
270
271     /// Return the slack of MI. This is the number of cycles MI can be delayed
272     /// before the critical path becomes longer.
273     /// MI must be an instruction in the trace center block.
274     unsigned getInstrSlack(const MachineInstr *MI) const;
275
276     /// Return the Depth of a PHI instruction in a trace center block successor.
277     /// The PHI does not have to be part of the trace.
278     unsigned getPHIDepth(const MachineInstr *PHI) const;
279   };
280
281   /// A trace ensemble is a collection of traces selected using the same
282   /// strategy, for example 'minimum resource height'. There is one trace for
283   /// every block in the function.
284   class Ensemble {
285     SmallVector<TraceBlockInfo, 4> BlockInfo;
286     DenseMap<const MachineInstr*, InstrCycles> Cycles;
287     friend class Trace;
288
289     void computeTrace(const MachineBasicBlock*);
290     void computeDepthResources(const MachineBasicBlock*);
291     void computeHeightResources(const MachineBasicBlock*);
292     unsigned computeCrossBlockCriticalPath(const TraceBlockInfo&);
293     void computeInstrDepths(const MachineBasicBlock*);
294     void computeInstrHeights(const MachineBasicBlock*);
295     void addLiveIns(const MachineInstr *DefMI, unsigned DefOp,
296                     ArrayRef<const MachineBasicBlock*> Trace);
297
298   protected:
299     MachineTraceMetrics &MTM;
300     virtual const MachineBasicBlock *pickTracePred(const MachineBasicBlock*) =0;
301     virtual const MachineBasicBlock *pickTraceSucc(const MachineBasicBlock*) =0;
302     explicit Ensemble(MachineTraceMetrics*);
303     const MachineLoop *getLoopFor(const MachineBasicBlock*) const;
304     const TraceBlockInfo *getDepthResources(const MachineBasicBlock*) const;
305     const TraceBlockInfo *getHeightResources(const MachineBasicBlock*) const;
306
307   public:
308     virtual ~Ensemble();
309     virtual const char *getName() const =0;
310     void print(raw_ostream&) const;
311     void invalidate(const MachineBasicBlock *MBB);
312     void verify() const;
313
314     /// Get the trace that passes through MBB.
315     /// The trace is computed on demand.
316     Trace getTrace(const MachineBasicBlock *MBB);
317   };
318
319   /// Strategies for selecting traces.
320   enum Strategy {
321     /// Select the trace through a block that has the fewest instructions.
322     TS_MinInstrCount,
323
324     TS_NumStrategies
325   };
326
327   /// Get the trace ensemble representing the given trace selection strategy.
328   /// The returned Ensemble object is owned by the MachineTraceMetrics analysis,
329   /// and valid for the lifetime of the analysis pass.
330   Ensemble *getEnsemble(Strategy);
331
332   /// Invalidate cached information about MBB. This must be called *before* MBB
333   /// is erased, or the CFG is otherwise changed.
334   ///
335   /// This invalidates per-block information about resource usage for MBB only,
336   /// and it invalidates per-trace information for any trace that passes
337   /// through MBB.
338   ///
339   /// Call Ensemble::getTrace() again to update any trace handles.
340   void invalidate(const MachineBasicBlock *MBB);
341
342 private:
343   // One entry per basic block, indexed by block number.
344   SmallVector<FixedBlockInfo, 4> BlockInfo;
345
346   // One ensemble per strategy.
347   Ensemble* Ensembles[TS_NumStrategies];
348 };
349
350 inline raw_ostream &operator<<(raw_ostream &OS,
351                                const MachineTraceMetrics::Trace &Tr) {
352   Tr.print(OS);
353   return OS;
354 }
355
356 inline raw_ostream &operator<<(raw_ostream &OS,
357                                const MachineTraceMetrics::Ensemble &En) {
358   En.print(OS);
359   return OS;
360 }
361 } // end namespace llvm
362
363 #endif