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[oota-llvm.git] / lib / CodeGen / PrologEpilogInserter.cpp
1 //===-- PrologEpilogInserter.cpp - Insert Prolog/Epilog code in function --===//
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 pass is responsible for finalizing the functions frame layout, saving
11 // callee saved registers, and for emitting prolog & epilog code for the
12 // function.
13 //
14 // This pass must be run after register allocation.  After this pass is
15 // executed, it is illegal to construct MO_FrameIndex operands.
16 //
17 //===----------------------------------------------------------------------===//
18
19 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
20 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
21 #include "llvm/CodeGen/MachineInstr.h"
22 #include "llvm/CodeGen/MachineFrameInfo.h"
23 #include "llvm/CodeGen/MachineModuleInfo.h"
24 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
25 #include "llvm/CodeGen/RegisterScavenging.h"
26 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
27 #include "llvm/Target/MRegisterInfo.h"
28 #include "llvm/Target/TargetFrameInfo.h"
29 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
30 #include "llvm/Support/Compiler.h"
31 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
32 #include <climits>
33 using namespace llvm;
34
35 namespace {
36   struct VISIBILITY_HIDDEN PEI : public MachineFunctionPass {
37     static char ID;
38     PEI() : MachineFunctionPass((intptr_t)&ID) {}
39
40     const char *getPassName() const {
41       return "Prolog/Epilog Insertion & Frame Finalization";
42     }
43
44     /// runOnMachineFunction - Insert prolog/epilog code and replace abstract
45     /// frame indexes with appropriate references.
46     ///
47     bool runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn) {
48       const MRegisterInfo *MRI = Fn.getTarget().getRegisterInfo();
49       RS = MRI->requiresRegisterScavenging(Fn) ? new RegScavenger() : NULL;
50
51       // Get MachineModuleInfo so that we can track the construction of the
52       // frame.
53       if (MachineModuleInfo *MMI = getAnalysisToUpdate<MachineModuleInfo>())
54         Fn.getFrameInfo()->setMachineModuleInfo(MMI);
55
56       // Allow the target machine to make some adjustments to the function
57       // e.g. UsedPhysRegs before calculateCalleeSavedRegisters.
58       MRI->processFunctionBeforeCalleeSavedScan(Fn, RS);
59
60       // Scan the function for modified callee saved registers and insert spill
61       // code for any callee saved registers that are modified.  Also calculate
62       // the MaxCallFrameSize and HasCalls variables for the function's frame
63       // information and eliminates call frame pseudo instructions.
64       calculateCalleeSavedRegisters(Fn);
65
66       // Add the code to save and restore the callee saved registers
67       saveCalleeSavedRegisters(Fn);
68
69       // Allow the target machine to make final modifications to the function
70       // before the frame layout is finalized.
71       Fn.getTarget().getRegisterInfo()->processFunctionBeforeFrameFinalized(Fn);
72
73       // Calculate actual frame offsets for all of the abstract stack objects...
74       calculateFrameObjectOffsets(Fn);
75
76       // Add prolog and epilog code to the function.  This function is required
77       // to align the stack frame as necessary for any stack variables or
78       // called functions.  Because of this, calculateCalleeSavedRegisters
79       // must be called before this function in order to set the HasCalls
80       // and MaxCallFrameSize variables.
81       insertPrologEpilogCode(Fn);
82
83       // Replace all MO_FrameIndex operands with physical register references
84       // and actual offsets.
85       //
86       replaceFrameIndices(Fn);
87
88       delete RS;
89       return true;
90     }
91   
92   private:
93     RegScavenger *RS;
94
95     // MinCSFrameIndex, MaxCSFrameIndex - Keeps the range of callee saved
96     // stack frame indexes.
97     unsigned MinCSFrameIndex, MaxCSFrameIndex;
98
99     void calculateCalleeSavedRegisters(MachineFunction &Fn);
100     void saveCalleeSavedRegisters(MachineFunction &Fn);
101     void calculateFrameObjectOffsets(MachineFunction &Fn);
102     void replaceFrameIndices(MachineFunction &Fn);
103     void insertPrologEpilogCode(MachineFunction &Fn);
104   };
105   char PEI::ID = 0;
106 }
107
108
109 /// createPrologEpilogCodeInserter - This function returns a pass that inserts
110 /// prolog and epilog code, and eliminates abstract frame references.
111 ///
112 FunctionPass *llvm::createPrologEpilogCodeInserter() { return new PEI(); }
113
114
115 /// calculateCalleeSavedRegisters - Scan the function for modified callee saved
116 /// registers.  Also calculate the MaxCallFrameSize and HasCalls variables for
117 /// the function's frame information and eliminates call frame pseudo
118 /// instructions.
119 ///
120 void PEI::calculateCalleeSavedRegisters(MachineFunction &Fn) {
121   const MRegisterInfo *RegInfo = Fn.getTarget().getRegisterInfo();
122   const TargetFrameInfo *TFI = Fn.getTarget().getFrameInfo();
123
124   // Get the callee saved register list...
125   const unsigned *CSRegs = RegInfo->getCalleeSavedRegs(&Fn);
126
127   // Get the function call frame set-up and tear-down instruction opcode
128   int FrameSetupOpcode   = RegInfo->getCallFrameSetupOpcode();
129   int FrameDestroyOpcode = RegInfo->getCallFrameDestroyOpcode();
130
131   // These are used to keep track the callee-save area. Initialize them.
132   MinCSFrameIndex = INT_MAX;
133   MaxCSFrameIndex = 0;
134
135   // Early exit for targets which have no callee saved registers and no call
136   // frame setup/destroy pseudo instructions.
137   if ((CSRegs == 0 || CSRegs[0] == 0) &&
138       FrameSetupOpcode == -1 && FrameDestroyOpcode == -1)
139     return;
140
141   unsigned MaxCallFrameSize = 0;
142   bool HasCalls = false;
143
144   std::vector<MachineBasicBlock::iterator> FrameSDOps;
145   for (MachineFunction::iterator BB = Fn.begin(), E = Fn.end(); BB != E; ++BB)
146     for (MachineBasicBlock::iterator I = BB->begin(); I != BB->end(); ++I)
147       if (I->getOpcode() == FrameSetupOpcode ||
148           I->getOpcode() == FrameDestroyOpcode) {
149         assert(I->getNumOperands() >= 1 && "Call Frame Setup/Destroy Pseudo"
150                " instructions should have a single immediate argument!");
151         unsigned Size = I->getOperand(0).getImm();
152         if (Size > MaxCallFrameSize) MaxCallFrameSize = Size;
153         HasCalls = true;
154         FrameSDOps.push_back(I);
155       }
156
157   MachineFrameInfo *FFI = Fn.getFrameInfo();
158   FFI->setHasCalls(HasCalls);
159   FFI->setMaxCallFrameSize(MaxCallFrameSize);
160
161   for (unsigned i = 0, e = FrameSDOps.size(); i != e; ++i) {
162     MachineBasicBlock::iterator I = FrameSDOps[i];
163     // If call frames are not being included as part of the stack frame,
164     // and there is no dynamic allocation (therefore referencing frame slots
165     // off sp), leave the pseudo ops alone. We'll eliminate them later.
166     if (RegInfo->hasReservedCallFrame(Fn) || RegInfo->hasFP(Fn))
167       RegInfo->eliminateCallFramePseudoInstr(Fn, *I->getParent(), I);
168   }
169
170   // Now figure out which *callee saved* registers are modified by the current
171   // function, thus needing to be saved and restored in the prolog/epilog.
172   //
173   const TargetRegisterClass* const *CSRegClasses =
174     RegInfo->getCalleeSavedRegClasses(&Fn);
175   std::vector<CalleeSavedInfo> CSI;
176   for (unsigned i = 0; CSRegs[i]; ++i) {
177     unsigned Reg = CSRegs[i];
178     if (Fn.getRegInfo().isPhysRegUsed(Reg)) {
179         // If the reg is modified, save it!
180       CSI.push_back(CalleeSavedInfo(Reg, CSRegClasses[i]));
181     } else {
182       for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getAliasSet(Reg);
183            *AliasSet; ++AliasSet) {  // Check alias registers too.
184         if (Fn.getRegInfo().isPhysRegUsed(*AliasSet)) {
185           CSI.push_back(CalleeSavedInfo(Reg, CSRegClasses[i]));
186           break;
187         }
188       }
189     }
190   }
191
192   if (CSI.empty())
193     return;   // Early exit if no callee saved registers are modified!
194
195   unsigned NumFixedSpillSlots;
196   const std::pair<unsigned,int> *FixedSpillSlots =
197     TFI->getCalleeSavedSpillSlots(NumFixedSpillSlots);
198
199   // Now that we know which registers need to be saved and restored, allocate
200   // stack slots for them.
201   for (unsigned i = 0, e = CSI.size(); i != e; ++i) {
202     unsigned Reg = CSI[i].getReg();
203     const TargetRegisterClass *RC = CSI[i].getRegClass();
204
205     // Check to see if this physreg must be spilled to a particular stack slot
206     // on this target.
207     const std::pair<unsigned,int> *FixedSlot = FixedSpillSlots;
208     while (FixedSlot != FixedSpillSlots+NumFixedSpillSlots &&
209            FixedSlot->first != Reg)
210       ++FixedSlot;
211
212     int FrameIdx;
213     if (FixedSlot == FixedSpillSlots+NumFixedSpillSlots) {
214       // Nope, just spill it anywhere convenient.
215       unsigned Align = RC->getAlignment();
216       unsigned StackAlign = TFI->getStackAlignment();
217       // We may not be able to sastify the desired alignment specification of
218       // the TargetRegisterClass if the stack alignment is smaller. Use the min.
219       Align = std::min(Align, StackAlign);
220       FrameIdx = FFI->CreateStackObject(RC->getSize(), Align);
221       if ((unsigned)FrameIdx < MinCSFrameIndex) MinCSFrameIndex = FrameIdx;
222       if ((unsigned)FrameIdx > MaxCSFrameIndex) MaxCSFrameIndex = FrameIdx;
223     } else {
224       // Spill it to the stack where we must.
225       FrameIdx = FFI->CreateFixedObject(RC->getSize(), FixedSlot->second);
226     }
227     CSI[i].setFrameIdx(FrameIdx);
228   }
229
230   FFI->setCalleeSavedInfo(CSI);
231 }
232
233 /// saveCalleeSavedRegisters -  Insert spill code for any callee saved registers
234 /// that are modified in the function.
235 ///
236 void PEI::saveCalleeSavedRegisters(MachineFunction &Fn) {
237   // Get callee saved register information.
238   MachineFrameInfo *FFI = Fn.getFrameInfo();
239   const std::vector<CalleeSavedInfo> &CSI = FFI->getCalleeSavedInfo();
240   
241   // Early exit if no callee saved registers are modified!
242   if (CSI.empty())
243     return;
244
245   const MRegisterInfo *RegInfo = Fn.getTarget().getRegisterInfo();
246   const TargetInstrInfo &TII = *Fn.getTarget().getInstrInfo();
247   
248   // Now that we have a stack slot for each register to be saved, insert spill
249   // code into the entry block.
250   MachineBasicBlock *MBB = Fn.begin();
251   MachineBasicBlock::iterator I = MBB->begin();
252   if (!TII.spillCalleeSavedRegisters(*MBB, I, CSI)) {
253     for (unsigned i = 0, e = CSI.size(); i != e; ++i) {
254       // Add the callee-saved register as live-in. It's killed at the spill.
255       MBB->addLiveIn(CSI[i].getReg());
256
257       // Insert the spill to the stack frame.
258       TII.storeRegToStackSlot(*MBB, I, CSI[i].getReg(), true,
259                                    CSI[i].getFrameIdx(), CSI[i].getRegClass());
260     }
261   }
262
263   // Add code to restore the callee-save registers in each exiting block.
264   for (MachineFunction::iterator FI = Fn.begin(), E = Fn.end(); FI != E; ++FI)
265     // If last instruction is a return instruction, add an epilogue.
266     if (!FI->empty() && TII.isReturn(FI->back().getOpcode())) {
267       MBB = FI;
268       I = MBB->end(); --I;
269
270       // Skip over all terminator instructions, which are part of the return
271       // sequence.
272       MachineBasicBlock::iterator I2 = I;
273       while (I2 != MBB->begin() && TII.isTerminatorInstr((--I2)->getOpcode()))
274         I = I2;
275
276       bool AtStart = I == MBB->begin();
277       MachineBasicBlock::iterator BeforeI = I;
278       if (!AtStart)
279         --BeforeI;
280       
281       // Restore all registers immediately before the return and any terminators
282       // that preceed it.
283       if (!TII.restoreCalleeSavedRegisters(*MBB, I, CSI)) {
284         for (unsigned i = 0, e = CSI.size(); i != e; ++i) {
285           TII.loadRegFromStackSlot(*MBB, I, CSI[i].getReg(),
286                                         CSI[i].getFrameIdx(),
287                                         CSI[i].getRegClass());
288           assert(I != MBB->begin() &&
289                  "loadRegFromStackSlot didn't insert any code!");
290           // Insert in reverse order.  loadRegFromStackSlot can insert multiple
291           // instructions.
292           if (AtStart)
293             I = MBB->begin();
294           else {
295             I = BeforeI;
296             ++I;
297           }
298         }
299       }
300     }
301 }
302
303
304 /// calculateFrameObjectOffsets - Calculate actual frame offsets for all of the
305 /// abstract stack objects.
306 ///
307 void PEI::calculateFrameObjectOffsets(MachineFunction &Fn) {
308   const TargetFrameInfo &TFI = *Fn.getTarget().getFrameInfo();
309
310   bool StackGrowsDown =
311     TFI.getStackGrowthDirection() == TargetFrameInfo::StackGrowsDown;
312
313   // Loop over all of the stack objects, assigning sequential addresses...
314   MachineFrameInfo *FFI = Fn.getFrameInfo();
315
316   unsigned MaxAlign = 0;
317
318   // Start at the beginning of the local area.
319   // The Offset is the distance from the stack top in the direction
320   // of stack growth -- so it's always positive.
321   int64_t Offset = TFI.getOffsetOfLocalArea();
322   if (StackGrowsDown)
323     Offset = -Offset;
324   assert(Offset >= 0
325          && "Local area offset should be in direction of stack growth");
326
327   // If there are fixed sized objects that are preallocated in the local area,
328   // non-fixed objects can't be allocated right at the start of local area.
329   // We currently don't support filling in holes in between fixed sized objects,
330   // so we adjust 'Offset' to point to the end of last fixed sized
331   // preallocated object.
332   for (int i = FFI->getObjectIndexBegin(); i != 0; ++i) {
333     int64_t FixedOff;
334     if (StackGrowsDown) {
335       // The maximum distance from the stack pointer is at lower address of
336       // the object -- which is given by offset. For down growing stack
337       // the offset is negative, so we negate the offset to get the distance.
338       FixedOff = -FFI->getObjectOffset(i);
339     } else {
340       // The maximum distance from the start pointer is at the upper
341       // address of the object.
342       FixedOff = FFI->getObjectOffset(i) + FFI->getObjectSize(i);
343     }
344     if (FixedOff > Offset) Offset = FixedOff;
345   }
346
347   // First assign frame offsets to stack objects that are used to spill
348   // callee saved registers.
349   if (StackGrowsDown) {
350     for (unsigned i = MinCSFrameIndex; i <= MaxCSFrameIndex; ++i) {
351       // If stack grows down, we need to add size of find the lowest
352       // address of the object.
353       Offset += FFI->getObjectSize(i);
354
355       unsigned Align = FFI->getObjectAlignment(i);
356       // If the alignment of this object is greater than that of the stack, then
357       // increase the stack alignment to match.
358       MaxAlign = std::max(MaxAlign, Align);
359       // Adjust to alignment boundary
360       Offset = (Offset+Align-1)/Align*Align;
361
362       FFI->setObjectOffset(i, -Offset);        // Set the computed offset
363     }
364   } else {
365     for (unsigned i = MaxCSFrameIndex; i >= MinCSFrameIndex; --i) {
366       unsigned Align = FFI->getObjectAlignment(i);
367       // If the alignment of this object is greater than that of the stack, then
368       // increase the stack alignment to match.
369       MaxAlign = std::max(MaxAlign, Align);
370       // Adjust to alignment boundary
371       Offset = (Offset+Align-1)/Align*Align;
372
373       FFI->setObjectOffset(i, Offset);
374       Offset += FFI->getObjectSize(i);
375     }
376   }
377
378   // Make sure the special register scavenging spill slot is closest to the
379   // frame pointer if a frame pointer is required.
380   const MRegisterInfo *RegInfo = Fn.getTarget().getRegisterInfo();
381   if (RS && RegInfo->hasFP(Fn)) {
382     int SFI = RS->getScavengingFrameIndex();
383     if (SFI >= 0) {
384       // If stack grows down, we need to add size of the lowest
385       // address of the object.
386       if (StackGrowsDown)
387         Offset += FFI->getObjectSize(SFI);
388
389       unsigned Align = FFI->getObjectAlignment(SFI);
390       // Adjust to alignment boundary
391       Offset = (Offset+Align-1)/Align*Align;
392
393       if (StackGrowsDown) {
394         FFI->setObjectOffset(SFI, -Offset);        // Set the computed offset
395       } else {
396         FFI->setObjectOffset(SFI, Offset);
397         Offset += FFI->getObjectSize(SFI);
398       }
399     }
400   }
401
402   // Then assign frame offsets to stack objects that are not used to spill
403   // callee saved registers.
404   for (unsigned i = 0, e = FFI->getObjectIndexEnd(); i != e; ++i) {
405     if (i >= MinCSFrameIndex && i <= MaxCSFrameIndex)
406       continue;
407     if (RS && (int)i == RS->getScavengingFrameIndex())
408       continue;
409
410     // If stack grows down, we need to add size of find the lowest
411     // address of the object.
412     if (StackGrowsDown)
413       Offset += FFI->getObjectSize(i);
414
415     unsigned Align = FFI->getObjectAlignment(i);
416     // If the alignment of this object is greater than that of the stack, then
417     // increase the stack alignment to match.
418     MaxAlign = std::max(MaxAlign, Align);
419     // Adjust to alignment boundary
420     Offset = (Offset+Align-1)/Align*Align;
421
422     if (StackGrowsDown) {
423       FFI->setObjectOffset(i, -Offset);        // Set the computed offset
424     } else {
425       FFI->setObjectOffset(i, Offset);
426       Offset += FFI->getObjectSize(i);
427     }
428   }
429
430   // Make sure the special register scavenging spill slot is closest to the
431   // stack pointer.
432   if (RS && !RegInfo->hasFP(Fn)) {
433     int SFI = RS->getScavengingFrameIndex();
434     if (SFI >= 0) {
435       // If stack grows down, we need to add size of find the lowest
436       // address of the object.
437       if (StackGrowsDown)
438         Offset += FFI->getObjectSize(SFI);
439
440       unsigned Align = FFI->getObjectAlignment(SFI);
441       // Adjust to alignment boundary
442       Offset = (Offset+Align-1)/Align*Align;
443
444       if (StackGrowsDown) {
445         FFI->setObjectOffset(SFI, -Offset);        // Set the computed offset
446       } else {
447         FFI->setObjectOffset(SFI, Offset);
448         Offset += FFI->getObjectSize(SFI);
449       }
450     }
451   }
452
453   // Round up the size to a multiple of the alignment, but only if there are
454   // calls or alloca's in the function.  This ensures that any calls to
455   // subroutines have their stack frames suitable aligned.
456   if (!RegInfo->targetHandlesStackFrameRounding() &&
457       (FFI->hasCalls() || FFI->hasVarSizedObjects())) {
458     // If we have reserved argument space for call sites in the function
459     // immediately on entry to the current function, count it as part of the
460     // overall stack size.
461     if (RegInfo->hasReservedCallFrame(Fn))
462       Offset += FFI->getMaxCallFrameSize();
463
464     unsigned AlignMask = TFI.getStackAlignment() - 1;
465     Offset = (Offset + AlignMask) & ~uint64_t(AlignMask);
466   }
467
468   // Update frame info to pretend that this is part of the stack...
469   FFI->setStackSize(Offset+TFI.getOffsetOfLocalArea());
470
471   // Remember the required stack alignment in case targets need it to perform
472   // dynamic stack alignment.
473   assert(FFI->getMaxAlignment() == MaxAlign &&
474          "Stack alignment calculation broken!");
475 }
476
477
478 /// insertPrologEpilogCode - Scan the function for modified callee saved
479 /// registers, insert spill code for these callee saved registers, then add
480 /// prolog and epilog code to the function.
481 ///
482 void PEI::insertPrologEpilogCode(MachineFunction &Fn) {
483   // Add prologue to the function...
484   Fn.getTarget().getRegisterInfo()->emitPrologue(Fn);
485
486   // Add epilogue to restore the callee-save registers in each exiting block
487   const TargetInstrInfo &TII = *Fn.getTarget().getInstrInfo();
488   for (MachineFunction::iterator I = Fn.begin(), E = Fn.end(); I != E; ++I) {
489     // If last instruction is a return instruction, add an epilogue
490     if (!I->empty() && TII.isReturn(I->back().getOpcode()))
491       Fn.getTarget().getRegisterInfo()->emitEpilogue(Fn, *I);
492   }
493 }
494
495
496 /// replaceFrameIndices - Replace all MO_FrameIndex operands with physical
497 /// register references and actual offsets.
498 ///
499 void PEI::replaceFrameIndices(MachineFunction &Fn) {
500   if (!Fn.getFrameInfo()->hasStackObjects()) return; // Nothing to do?
501
502   const TargetMachine &TM = Fn.getTarget();
503   assert(TM.getRegisterInfo() && "TM::getRegisterInfo() must be implemented!");
504   const MRegisterInfo &MRI = *TM.getRegisterInfo();
505   const TargetFrameInfo *TFI = TM.getFrameInfo();
506   bool StackGrowsDown =
507     TFI->getStackGrowthDirection() == TargetFrameInfo::StackGrowsDown;
508   int FrameSetupOpcode   = MRI.getCallFrameSetupOpcode();
509   int FrameDestroyOpcode = MRI.getCallFrameDestroyOpcode();
510
511   for (MachineFunction::iterator BB = Fn.begin(), E = Fn.end(); BB != E; ++BB) {
512     int SPAdj = 0;  // SP offset due to call frame setup / destroy.
513     if (RS) RS->enterBasicBlock(BB);
514     for (MachineBasicBlock::iterator I = BB->begin(); I != BB->end(); ) {
515       MachineInstr *MI = I;
516
517       // Remember how much SP has been adjustment to create the call frame.
518       if (I->getOpcode() == FrameSetupOpcode ||
519           I->getOpcode() == FrameDestroyOpcode) {
520         int Size = I->getOperand(0).getImm();
521         if ((!StackGrowsDown && I->getOpcode() == FrameSetupOpcode) ||
522             (StackGrowsDown && I->getOpcode() == FrameDestroyOpcode))
523           Size = -Size;
524         SPAdj += Size;
525         MachineBasicBlock::iterator PrevI = prior(I);
526         MRI.eliminateCallFramePseudoInstr(Fn, *BB, I);
527         // Visit the instructions created by eliminateCallFramePseudoInstr().
528         I = next(PrevI);
529         MI = NULL;
530       } else {
531         I++;
532         for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i)
533           if (MI->getOperand(i).isFrameIndex()) {
534             // If this instruction has a FrameIndex operand, we need to use that
535             // target machine register info object to eliminate it.
536             MRI.eliminateFrameIndex(MI, SPAdj, RS);
537
538             // Revisit the instruction in full.  Some instructions (e.g. inline
539             // asm instructions) can have multiple frame indices.
540             --I;
541             MI = 0;
542             break;
543           }
544       }
545       // Update register states.
546       if (RS && MI) RS->forward(MI);
547     }
548     assert(SPAdj == 0 && "Unbalanced call frame setup / destroy pairs?");
549   }
550 }