arm: Implement Armv8.1-M low overhead loops
authorAndrea Corallo <andrea.corallo@arm.com>
Tue, 26 May 2020 16:47:13 +0000 (17:47 +0100)
committerAndrea Corallo <andrea.corallo@arm.com>
Fri, 10 Jul 2020 11:20:34 +0000 (13:20 +0200)
gcc/ChangeLog

2020-06-18  Andrea Corallo  <andrea.corallo@arm.com>
    Mihail-Calin Ionescu  <mihail.ionescu@arm.com>
    Iain Apreotesei  <iain.apreotesei@arm.com>

* config/arm/arm-protos.h (arm_target_insn_ok_for_lob): New
prototype.
* config/arm/arm.c (TARGET_INVALID_WITHIN_DOLOOP): Define.
(arm_invalid_within_doloop): Implement invalid_within_doloop hook.
(arm_target_insn_ok_for_lob): New function.
* config/arm/arm.h (TARGET_HAVE_LOB): Define macro.
* config/arm/thumb2.md (*doloop_end_internal, doloop_begin)
(dls_insn): Add new patterns.
(doloop_end): Modify to select LR when LOB is available.
* config/arm/unspecs.md: Add new unspec.
* doc/sourcebuild.texi (arm_v8_1_lob_ok)
(arm_thumb2_ok_no_arm_v8_1_lob): Document new target supports
options.

gcc/testsuite/ChangeLog

2020-06-18  Andrea Corallo  <andrea.corallo@arm.com>
    Mihail-Calin Ionescu  <mihail.ionescu@arm.com>
    Iain Apreotesei  <iain.apreotesei@arm.com>

* gcc.target/arm/lob.h: New header.
* gcc.target/arm/lob1.c: New testcase.
* gcc.target/arm/lob2.c: Likewise.
* gcc.target/arm/lob3.c: Likewise.
* gcc.target/arm/lob4.c: Likewise.
* gcc.target/arm/lob5.c: Likewise.
* gcc.target/arm/lob6.c: Likewise.
* gcc.target/arm/unsigned-extend-2.c: Do not run when generating
low loop overhead.
* gcc.target/arm/ivopts.c: Fix check for low loop overhead.
* lib/target-supports.exp (check_effective_target_arm_v8_1_lob)
(check_effective_target_arm_thumb2_ok_no_arm_v8_1_lob): New procs.

16 files changed:
gcc/config/arm/arm-protos.h
gcc/config/arm/arm.c
gcc/config/arm/arm.h
gcc/config/arm/thumb2.md
gcc/config/arm/unspecs.md
gcc/doc/sourcebuild.texi
gcc/testsuite/gcc.target/arm/ivopts.c
gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob.h [new file with mode: 0644]
gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob1.c [new file with mode: 0644]
gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob2.c [new file with mode: 0644]
gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob3.c [new file with mode: 0644]
gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob4.c [new file with mode: 0644]
gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob5.c [new file with mode: 0644]
gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob6.c [new file with mode: 0644]
gcc/testsuite/gcc.target/arm/unsigned-extend-2.c
gcc/testsuite/lib/target-supports.exp

index 33d162c..d52e8bf 100644 (file)
@@ -62,6 +62,7 @@ extern void arm_emit_speculation_barrier_function (void);
 extern void arm_decompose_di_binop (rtx, rtx, rtx *, rtx *, rtx *, rtx *);
 extern bool arm_q_bit_access (void);
 extern bool arm_ge_bits_access (void);
+extern bool arm_target_insn_ok_for_lob (rtx);
 
 #ifdef RTX_CODE
 enum reg_class
index e15d286..ea0ac01 100644 (file)
@@ -833,6 +833,9 @@ static const struct attribute_spec arm_attribute_table[] =
 #undef TARGET_CONSTANT_ALIGNMENT
 #define TARGET_CONSTANT_ALIGNMENT arm_constant_alignment
 
+#undef TARGET_INVALID_WITHIN_DOLOOP
+#define TARGET_INVALID_WITHIN_DOLOOP arm_invalid_within_doloop
+
 #undef TARGET_MD_ASM_ADJUST
 #define TARGET_MD_ASM_ADJUST arm_md_asm_adjust
 \f
@@ -33308,6 +33311,40 @@ arm_ge_bits_access (void)
   return true;
 }
 
+/* NULL if insn INSN is valid within a low-overhead loop.
+   Otherwise return why doloop cannot be applied.  */
+
+static const char *
+arm_invalid_within_doloop (const rtx_insn *insn)
+{
+  if (!TARGET_HAVE_LOB)
+    return default_invalid_within_doloop (insn);
+
+  if (CALL_P (insn))
+    return "Function call in the loop.";
+
+  if (reg_mentioned_p (gen_rtx_REG (SImode, LR_REGNUM), insn))
+    return "LR is used inside loop.";
+
+  return NULL;
+}
+
+bool
+arm_target_insn_ok_for_lob (rtx insn)
+{
+  basic_block bb = BLOCK_FOR_INSN (insn);
+  /* Make sure the basic block of the target insn is a simple latch
+     having as single predecessor and successor the body of the loop
+     itself.  Only simple loops with a single basic block as body are
+     supported for 'low over head loop' making sure that LE target is
+     above LE itself in the generated code.  */
+
+  return single_succ_p (bb)
+    && single_pred_p (bb)
+    && single_succ_edge (bb)->dest == single_pred_edge (bb)->src
+    && contains_no_active_insn_p (bb);
+}
+
 #if CHECKING_P
 namespace selftest {
 
index 30e1d6d..3887c51 100644 (file)
@@ -621,6 +621,9 @@ extern const int arm_arch_cde_coproc_bits[];
 \f
 /* Target machine storage Layout.  */
 
+/* Nonzero if this chip provides Armv8.1-M Mainline
+   LOB (low overhead branch features) extension instructions.  */
+#define TARGET_HAVE_LOB (arm_arch8_1m_main)
 
 /* Define this macro if it is advisable to hold scalars in registers
    in a wider mode than that declared by the program.  In such cases,
index 793f670..1a5f24e 100644 (file)
       using a certain 'count' register and (2) the loop count can be
       adjusted by modifying this register prior to the loop.
       ??? The possible introduction of a new block to initialize the
-      new IV can potentially affect branch optimizations.  */
-   if (optimize > 0 && flag_modulo_sched)
+      new IV can potentially affect branch optimizations.
+
+      Also used to implement the low over head loops feature, which is part of
+      the Armv8.1-M Mainline Low Overhead Branch (LOB) extension.  */
+   if (optimize > 0 && (flag_modulo_sched || TARGET_HAVE_LOB))
    {
      rtx s0;
      rtx bcomp;
        FAIL;
 
      s0 = operands [0];
+
+     /* Low over head loop instructions require the first operand to be LR.  */
+     if (TARGET_HAVE_LOB && arm_target_insn_ok_for_lob (operands [1]))
+       s0 = gen_rtx_REG (SImode, LR_REGNUM);
+
      if (TARGET_THUMB2)
        insn = emit_insn (gen_thumb2_addsi3_compare0 (s0, s0, GEN_INT (-1)));
      else
                                   gen_rtx_IF_THEN_ELSE (VOIDmode, bcomp,
                                                         loc_ref, pc_rtx)));
      DONE;
-   }else
-      FAIL;
+   }
+ else
+   FAIL;
  }")
 
 (define_insn "*clear_apsr"
   "TARGET_HAVE_MVE"
   "lsrl%?\\t%Q0, %R0, %1"
   [(set_attr "predicable" "yes")])
+
+;; Originally expanded by 'doloop_end'.
+(define_insn "*doloop_end_internal"
+  [(parallel [(set (pc)
+                   (if_then_else
+                       (ne (reg:SI LR_REGNUM) (const_int 1))
+                     (label_ref (match_operand 0 "" ""))
+                     (pc)))
+              (set (reg:SI LR_REGNUM)
+                   (plus:SI (reg:SI LR_REGNUM) (const_int -1)))])]
+  "TARGET_32BIT && TARGET_HAVE_LOB"
+  "le\t%|lr, %l0")
+
+(define_expand "doloop_begin"
+  [(match_operand 0 "" "")
+   (match_operand 1 "" "")]
+  "TARGET_32BIT && TARGET_HAVE_LOB"
+  {
+    if (REGNO (operands[0]) == LR_REGNUM)
+      {
+       emit_insn (gen_dls_insn (operands[0]));
+       DONE;
+      }
+    else
+      FAIL;
+  })
+
+(define_insn "dls_insn"
+  [(set (reg:SI LR_REGNUM)
+        (unspec:SI [(match_operand:SI 0 "s_register_operand" "r")] UNSPEC_DLS))]
+  "TARGET_32BIT && TARGET_HAVE_LOB"
+  "dls\t%|lr, %0")
index 3250b03..0a2399d 100644 (file)
   UNSPEC_CDEA          ; Custom Datapath Extension instruction.
   UNSPEC_VCDE          ; Custom Datapath Extension instruction.
   UNSPEC_VCDEA         ; Custom Datapath Extension instruction.
+  UNSPEC_DLS           ; Used for DLS (Do Loop Start), Armv8.1-M Mainline instruction
 ])
 
 
index 5b5b845..9f37ac2 100644 (file)
@@ -2009,6 +2009,17 @@ ARM target supports the @code{-mfloat-abi=softfp} option.
 @anchor{arm_hard_ok}
 ARM target supports the @code{-mfloat-abi=hard} option.
 
+@item arm_v8_1_lob_ok
+@anchor{arm_v8_1_lob_ok}
+ARM Target supports executing the Armv8.1-M Mainline Low Overhead Loop
+instructions @code{DLS} and @code{LE}.
+Some multilibs may be incompatible with these options.
+
+@item arm_thumb2_ok_no_arm_v8_1_lob
+ARM target generates Thumb-2 code for @code{-mthumb} but does not
+support executing the Armv8.1-M Mainline Low Overhead Loop
+instructions @code{DLS} and @code{LE}.
+
 @end table
 
 @subsubsection AArch64-specific attributes
index 5d27240..2733e66 100644 (file)
@@ -11,6 +11,6 @@ tr5 (short array[], int n)
 }
 
 /* { dg-final { scan-tree-dump-times "PHI <" 1 "ivopts"} } */
-/* { dg-final { object-size text <= 20 { target arm_thumb2 } } } */
+/* { dg-final { object-size text <= 20 { target { arm_thumb2_ok_no_arm_v8_1_lob } } } } */
 /* { dg-final { object-size text <= 32 { target { arm_nothumb && { ! arm_iwmmxt_ok } } } } } */
 /* { dg-final { object-size text <= 36 { target { arm_nothumb && arm_iwmmxt_ok }  } } } */
diff --git a/gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob.h b/gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob.h
new file mode 100644 (file)
index 0000000..feaae7c
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,15 @@
+#include <string.h>
+
+/* Common code for lob tests.  */
+
+#define NO_LOB asm volatile ("@ clobber lr" : : : "lr" )
+
+#define N 10000
+
+static void
+reset_data (int *a, int *b, int *c)
+{
+  memset (a, -1, N * sizeof (*a));
+  memset (b, -1, N * sizeof (*b));
+  memset (c, -1, N * sizeof (*c));
+}
diff --git a/gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob1.c b/gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob1.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..b92dc55
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,85 @@
+/* Check that GCC generates Armv8.1-M low over head loop instructions
+   for some simple loops.  */
+/* { dg-do run } */
+/* { dg-require-effective-target arm_v8_1_lob_ok } */
+/* { dg-skip-if "avoid conflicting multilib options" { *-*-* } { "-marm" "-mcpu=*" } } */
+/* { dg-options "-march=armv8.1-m.main -O3 --save-temps" } */
+#include <stdlib.h>
+#include "lob.h"
+
+int a[N];
+int b[N];
+int c[N];
+
+int
+foo (int a, int b)
+{
+  return a + b;
+}
+
+void __attribute__((noinline))
+loop1 (int *a, int *b, int *c)
+{
+  for (int i = 0; i < N; i++)
+    {
+      a[i] = i;
+      b[i] = i * 2;
+      c[i] = a[i] + b[i];
+    }
+}
+
+void __attribute__((noinline))
+loop2 (int *a, int *b, int *c)
+{
+  int i = 0;
+  while (i < N)
+    {
+      a[i] = i - 2;
+      b[i] = i * 5;
+      c[i] = a[i] + b[i];
+      i++;
+    }
+}
+
+void __attribute__((noinline))
+loop3 (int *a, int *b, int *c)
+{
+  int i = 0;
+  do
+    {
+      a[i] = i - 4;
+      b[i] = i * 3;
+      c[i] = a[i] + b[i];
+      i++;
+    } while (i < N);
+}
+
+void
+check (int *a, int *b, int *c)
+{
+  for (int i = 0; i < N; i++)
+    {
+      NO_LOB;
+      if (c[i] != a[i] + b[i])
+       abort ();
+    }
+}
+
+int
+main (void)
+{
+  reset_data (a, b, c);
+  loop1 (a, b ,c);
+  check (a, b ,c);
+  reset_data (a, b, c);
+  loop2 (a, b ,c);
+  check (a, b ,c);
+  reset_data (a, b, c);
+  loop3 (a, b ,c);
+  check (a, b ,c);
+
+  return 0;
+}
+
+/* { dg-final { scan-assembler-times {dls\s\S*,\s\S*} 3 } } */
+/* { dg-final { scan-assembler-times {le\slr,\s\S*} 3 } } */
diff --git a/gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob2.c b/gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob2.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..1fe9a9d
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,32 @@
+/* Check that GCC does not generate Armv8.1-M low over head loop instructions
+   if a non-inlineable function call takes place inside the loop.  */
+/* { dg-do compile } */
+/* { dg-skip-if "avoid conflicting multilib options" { *-*-* } { "-marm" "-mcpu=*" } } */
+/* { dg-options "-march=armv8.1-m.main -O3 --save-temps" } */
+#include <stdlib.h>
+#include "lob.h"
+
+int a[N];
+int b[N];
+int c[N];
+
+int __attribute__ ((noinline))
+foo (int a, int b)
+{
+  return a + b;
+}
+
+int
+main (void)
+{
+  for (int i = 0; i < N; i++)
+    {
+      a[i] = i;
+      b[i] = i * 2;
+      c[i] = foo (a[i], b[i]);
+    }
+
+  return 0;
+}
+/* { dg-final { scan-assembler-not {dls\s\S*,\s\S*} } } */
+/* { dg-final { scan-assembler-not {le\slr,\s\S*} } } */
diff --git a/gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob3.c b/gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob3.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..17cba00
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,27 @@
+/* Check that GCC does not generate Armv8.1-M low over head loop instructions
+   if causes VFP emulation library calls to happen inside the loop.  */
+/* { dg-do compile } */
+/* { dg-skip-if "avoid conflicting multilib options" { *-*-* } { "-marm" "-mcpu=*" } } */
+/* { dg-options "-march=armv8.1-m.main -O3 --save-temps -mfloat-abi=soft" } */
+/* { dg-require-effective-target arm_softfloat } */
+#include <stdlib.h>
+#include "lob.h"
+
+double a[N];
+double b[N];
+double c[N];
+
+int
+main (void)
+{
+  for (int i = 0; i < N; i++)
+    {
+      a[i] = i;
+      b[i] = i * 2;
+      c[i] = a[i] + b[i];
+    }
+
+  return 0;
+}
+/* { dg-final { scan-assembler-not {dls\s\S*,\s\S*} } } */
+/* { dg-final { scan-assembler-not {le\slr,\s\S*} } } */
diff --git a/gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob4.c b/gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob4.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..444a2c7
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,34 @@
+/* Check that GCC does not generate Armv8.1-M low over head loop instructions
+   if LR is modified within the loop.  */
+/* { dg-do compile } */
+/* { dg-skip-if "avoid conflicting multilib options" { *-*-* } { "-marm" "-mcpu=*" } } */
+/* { dg-options "-march=armv8.1-m.main -O3 --save-temps -mfloat-abi=soft" } */
+/* { dg-require-effective-target arm_softfloat } */
+#include <stdlib.h>
+#include "lob.h"
+
+int a[N];
+int b[N];
+int c[N];
+
+static __attribute__ ((always_inline)) inline int
+foo (int a, int b)
+{
+  NO_LOB;
+  return a + b;
+}
+
+int
+main (void)
+{
+  for (int i = 0; i < N; i++)
+    {
+      a[i] = i;
+      b[i] = i * 2;
+      c[i] = foo(a[i], b[i]);
+    }
+
+  return 0;
+}
+/* { dg-final { scan-assembler-not {dls\s\S*,\s\S*} } } */
+/* { dg-final { scan-assembler-not {le\slr,\s\S*} } } */
diff --git a/gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob5.c b/gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob5.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..c4f46e4
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,35 @@
+/* Check that GCC does not generates Armv8.1-M low over head loop
+   instructions.  Innermost loop has no fixed number of iterations
+   therefore is not optimizable.  Outer loops are not optimized.  */
+/* { dg-do compile } */
+/* { dg-skip-if "avoid conflicting multilib options" { *-*-* } { "-marm" "-mcpu=*" } } */
+/* { dg-options "-march=armv8.1-m.main -O3 --save-temps" } */
+#include <stdlib.h>
+#include "lob.h"
+
+int a[N];
+int b[N];
+int c[N];
+
+int
+main (void)
+{
+  for (int i = 0; i < N; i++)
+    {
+      a[i] = i;
+      b[i] = i * 2;
+
+      int k = b[i];
+      while (k != 0)
+       {
+         if (k % 2 == 0)
+           c[i - 1] = k % 2;
+         k /= 2;
+       }
+      c[i] = a[i] - b[i];
+    }
+
+  return 0;
+}
+/* { dg-final { scan-assembler-not {dls\s\S*,\s\S*} } } */
+/* { dg-final { scan-assembler-not {le\slr,\s\S*} } } */
diff --git a/gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob6.c b/gcc/testsuite/gcc.target/arm/lob6.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..5612676
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,97 @@
+/* Check that GCC generates Armv8.1-M low over head loop instructions
+   with some less trivial loops and the result is correct.  */
+/* { dg-do run } */
+/* { dg-require-effective-target arm_v8_1_lob_ok } */
+/* { dg-skip-if "avoid conflicting multilib options" { *-*-* } { "-marm" "-mcpu=*" } } */
+/* { dg-options "-march=armv8.1-m.main -O3 --save-temps" } */
+#include <stdlib.h>
+#include "lob.h"
+
+#define TEST_CODE1                             \
+  {                                            \
+    for (int i = 0; i < N; i++)                        \
+      {                                                \
+       a[i] = i;                               \
+       b[i] = i * 2;                           \
+                                               \
+       for (int k = 0; k < N; k++)             \
+         {                                     \
+           MAYBE_LOB;                          \
+           c[k] = k / 2;                       \
+         }                                     \
+       c[i] = a[i] - b[i];                     \
+      }                                                \
+  }
+
+#define TEST_CODE2                             \
+  {                                            \
+    for (int i = 0; i < N / 2; i++)            \
+      {                                                \
+       MAYBE_LOB;                              \
+       if (c[i] % 2 == 0)                      \
+         break;                                \
+       a[i]++;                                 \
+       b[i]++;                                 \
+      }                                                \
+  }
+
+int a1[N];
+int b1[N];
+int c1[N];
+
+int a2[N];
+int b2[N];
+int c2[N];
+
+#define MAYBE_LOB
+void __attribute__((noinline))
+loop1 (int *a, int *b, int *c)
+  TEST_CODE1;
+
+void __attribute__((noinline))
+loop2 (int *a, int *b, int *c)
+  TEST_CODE2;
+
+#undef MAYBE_LOB
+#define MAYBE_LOB NO_LOB
+
+void
+ref1 (int *a, int *b, int *c)
+  TEST_CODE1;
+
+void
+ref2 (int *a, int *b, int *c)
+  TEST_CODE2;
+
+void
+check (void)
+{
+  for (int i = 0; i < N; i++)
+    {
+      NO_LOB;
+      if (a1[i] != a2[i]
+         && b1[i] != b2[i]
+         && c1[i] != c2[i])
+       abort ();
+    }
+}
+
+int
+main (void)
+{
+  reset_data (a1, b1, c1);
+  reset_data (a2, b2, c2);
+  loop1 (a1, b1, c1);
+  ref1 (a2, b2, c2);
+  check ();
+
+  reset_data (a1, b1, c1);
+  reset_data (a2, b2, c2);
+  loop2 (a1, b1, c1);
+  ref2 (a2, b2, c2);
+  check ();
+
+  return 0;
+}
+/* { dg-final { scan-assembler-times {dls\s\S*,\s\S*} 1 } } */
+/* { dg-final { scan-assembler-times {le\slr,\s\S*} 1 } } */
index 5668eb1..9272e4c 100644 (file)
@@ -1,5 +1,5 @@
 /* { dg-do compile } */
-/* { dg-require-effective-target arm_thumb2_ok } */
+/* { dg-require-effective-target arm_thumb2_ok_no_arm_v8_1_lob } */
 /* { dg-options "-O" } */
 
 unsigned short foo (unsigned short x, unsigned short c)
index 19aa51d..aeb0351 100644 (file)
@@ -10251,6 +10251,40 @@ proc check_effective_target_arm_v8_3a_bkey_directive { } {
        }]
 }
 
+# Return 1 if the target supports executing the Armv8.1-M Mainline Low
+# Overhead Loop, 0 otherwise.  The test is valid for ARM.
+
+proc check_effective_target_arm_v8_1_lob_ok { } {
+    if { ![istarget arm*-*-*] } {
+        return 0;
+    } else {
+       return [check_runtime arm_v8_1_lob_hw_available {
+               int
+               main (void)
+               { int i = 0;
+                 asm  ("movw r3, #10\n\t" /* movs? */
+                       "dls lr, r3" : : : "r3", "lr");
+                loop:
+                 i++;
+                 asm goto ("le lr, %l0" : : : "lr" : loop);
+                 return i != 10;
+               }
+       } "-march=armv8.1-m.main" ]
+    }
+}
+
+# Return 1 is this is an ARM target where -mthumb causes Thumb-2 to be
+# used and the target does not support executing the Armv8.1-M
+# Mainline Low Overhead Loop, 0 otherwise.  The test is valid for ARM.
+
+proc check_effective_target_arm_thumb2_ok_no_arm_v8_1_lob { } {
+    if { [check_effective_target_arm_thumb2_ok]
+        && ![check_effective_target_arm_v8_1_lob_ok] } {
+       return 1
+    }
+    return 0
+}
+
 # Returns 1 if the target is using glibc, 0 otherwise.
 
 proc check_effective_target_glibc { } {