]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/tools/llvm-mca/Scheduler.h
Merge clang 7.0.1 and several follow-up changes
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm / tools / llvm-mca / Scheduler.h
1 //===--------------------- Scheduler.h ------------------------*- 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 /// \file
10 ///
11 /// A scheduler for Processor Resource Units and Processor Resource Groups.
12 ///
13 //===----------------------------------------------------------------------===//
14
15 #ifndef LLVM_TOOLS_LLVM_MCA_SCHEDULER_H
16 #define LLVM_TOOLS_LLVM_MCA_SCHEDULER_H
17
18 #include "HWEventListener.h"
19 #include "HardwareUnit.h"
20 #include "Instruction.h"
21 #include "LSUnit.h"
22 #include "RetireControlUnit.h"
23 #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
24 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
25 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
26 #include "llvm/MC/MCSubtargetInfo.h"
27 #include <map>
28
29 namespace mca {
30
31 /// Used to notify the internal state of a processor resource.
32 ///
33 /// A processor resource is available if it is not reserved, and there are
34 /// available slots in the buffer.  A processor resource is unavailable if it
35 /// is either reserved, or the associated buffer is full. A processor resource
36 /// with a buffer size of -1 is always available if it is not reserved.
37 ///
38 /// Values of type ResourceStateEvent are returned by method
39 /// ResourceState::isBufferAvailable(), which is used to query the internal
40 /// state of a resource.
41 ///
42 /// The naming convention for resource state events is:
43 ///  * Event names start with prefix RS_
44 ///  * Prefix RS_ is followed by a string describing the actual resource state.
45 enum ResourceStateEvent {
46   RS_BUFFER_AVAILABLE,
47   RS_BUFFER_UNAVAILABLE,
48   RS_RESERVED
49 };
50
51 /// A descriptor for processor resources.
52 ///
53 /// Each object of class ResourceState is associated to a specific processor
54 /// resource. There is an instance of this class for every processor resource
55 /// defined by the scheduling model.
56 /// A ResourceState dynamically tracks the availability of units of a processor
57 /// resource. For example, the ResourceState of a ProcResGroup tracks the
58 /// availability of resource units which are part of the group.
59 ///
60 /// Internally, ResourceState uses a round-robin selector to identify
61 /// which unit of the group shall be used next.
62 class ResourceState {
63   // Index to the MCProcResourceDesc in the processor Model.
64   unsigned ProcResourceDescIndex;
65   // A resource mask. This is generated by the tool with the help of
66   // function `mca::createProcResourceMasks' (see Support.h).
67   uint64_t ResourceMask;
68
69   // A ProcResource can specify a number of units. For the purpose of dynamic
70   // scheduling, a processor resource with more than one unit behaves like a
71   // group. This field has one bit set for every unit/resource that is part of
72   // the group.
73   // For groups, this field defaults to 'ResourceMask'. For non-group
74   // resources, the number of bits set in this mask is equivalent to the
75   // number of units (i.e. field 'NumUnits' in 'ProcResourceUnits').
76   uint64_t ResourceSizeMask;
77
78   // A simple round-robin selector for processor resources.
79   // Each bit of the mask identifies a sub resource within this group.
80   //
81   // As an example, lets assume that this ResourceState describes a
82   // processor resource group composed of the following three units:
83   //   ResourceA -- 0b001
84   //   ResourceB -- 0b010
85   //   ResourceC -- 0b100
86   //
87   // Each unit is identified by a ResourceMask which always contains a
88   // single bit set. Field NextInSequenceMask is initially set to value
89   // 0xb111. That value is obtained by OR'ing the resource masks of
90   // processor resource that are part of the group.
91   //
92   //   NextInSequenceMask  -- 0b111
93   //
94   // Field NextInSequenceMask is used by the resource manager (i.e.
95   // an object of class ResourceManager) to select the "next available resource"
96   // from the set. The algorithm would prioritize resources with a bigger
97   // ResourceMask value.
98   //
99   // In this example, there are three resources in the set, and 'ResourceC'
100   // has the highest mask value. The round-robin selector would firstly select
101   //  'ResourceC', then 'ResourceB', and eventually 'ResourceA'.
102   //
103   // When a resource R is used, its corresponding bit is cleared from the set.
104   //
105   // Back to the example:
106   // If 'ResourceC' is selected, then the new value of NextInSequenceMask
107   // becomes 0xb011.
108   //
109   // When NextInSequenceMask becomes zero, it is reset to its original value
110   // (in this example, that value would be 0b111).
111   uint64_t NextInSequenceMask;
112
113   // Some instructions can only be issued on very specific pipeline resources.
114   // For those instructions, we know exactly which resource would be consumed
115   // without having to dynamically select it using field 'NextInSequenceMask'.
116   //
117   // The resource mask bit associated to the (statically) selected
118   // processor resource is still cleared from the 'NextInSequenceMask'.
119   // If that bit was already zero in NextInSequenceMask, then we update
120   // mask 'RemovedFromNextInSequence'.
121   //
122   // When NextInSequenceMask is reset back to its initial value, the algorithm
123   // removes any bits which are set in RemoveFromNextInSequence.
124   uint64_t RemovedFromNextInSequence;
125
126   // A mask of ready units.
127   uint64_t ReadyMask;
128
129   // Buffered resources will have this field set to a positive number bigger
130   // than 0. A buffered resource behaves like a separate reservation station
131   // implementing its own buffer for out-of-order execution.
132   // A buffer of 1 is for units that force in-order execution.
133   // A value of 0 is treated specially. In particular, a resource with
134   // A BufferSize = 0 is for an in-order issue/dispatch resource.
135   // That means, this resource is reserved starting from the dispatch event,
136   // until all the "resource cycles" are consumed after the issue event.
137   // While this resource is reserved, no other instruction may be dispatched.
138   int BufferSize;
139
140   // Available slots in the buffer (zero, if this is not a buffered resource).
141   unsigned AvailableSlots;
142
143   // True if this is resource is currently unavailable.
144   // An instruction may "reserve" a resource for a number of cycles.
145   // During those cycles, the reserved resource cannot be used for other
146   // instructions, even if the ReadyMask is set.
147   bool Unavailable;
148
149   bool isSubResourceReady(uint64_t ID) const { return ReadyMask & ID; }
150
151   /// Returns the mask identifier of the next available resource in the set.
152   uint64_t getNextInSequence() const {
153     assert(NextInSequenceMask);
154     return llvm::PowerOf2Floor(NextInSequenceMask);
155   }
156
157   /// Returns the mask of the next available resource within the set,
158   /// and updates the resource selector.
159   void updateNextInSequence() {
160     NextInSequenceMask ^= getNextInSequence();
161     if (!NextInSequenceMask)
162       NextInSequenceMask = ResourceSizeMask;
163   }
164
165   uint64_t computeResourceSizeMaskForGroup(uint64_t ResourceMask) {
166     assert(llvm::countPopulation(ResourceMask) > 1);
167     return ResourceMask ^ llvm::PowerOf2Floor(ResourceMask);
168   }
169
170 public:
171   ResourceState(const llvm::MCProcResourceDesc &Desc, unsigned Index,
172                 uint64_t Mask)
173       : ProcResourceDescIndex(Index), ResourceMask(Mask) {
174     bool IsAGroup = llvm::countPopulation(ResourceMask) > 1;
175     ResourceSizeMask = IsAGroup ? computeResourceSizeMaskForGroup(ResourceMask)
176                                 : ((1ULL << Desc.NumUnits) - 1);
177     NextInSequenceMask = ResourceSizeMask;
178     RemovedFromNextInSequence = 0;
179     ReadyMask = ResourceSizeMask;
180     BufferSize = Desc.BufferSize;
181     AvailableSlots = BufferSize == -1 ? 0U : static_cast<unsigned>(BufferSize);
182     Unavailable = false;
183   }
184
185   unsigned getProcResourceID() const { return ProcResourceDescIndex; }
186   uint64_t getResourceMask() const { return ResourceMask; }
187   int getBufferSize() const { return BufferSize; }
188
189   bool isBuffered() const { return BufferSize > 0; }
190   bool isInOrder() const { return BufferSize == 1; }
191   bool isADispatchHazard() const { return BufferSize == 0; }
192   bool isReserved() const { return Unavailable; }
193
194   void setReserved() { Unavailable = true; }
195   void clearReserved() { Unavailable = false; }
196
197   // A resource is ready if it is not reserved, and if there are enough
198   // available units.
199   // If a resource is also a dispatch hazard, then we don't check if
200   // it is reserved because that check would always return true.
201   // A resource marked as "dispatch hazard" is always reserved at
202   // dispatch time. When this method is called, the assumption is that
203   // the user of this resource has been already dispatched.
204   bool isReady(unsigned NumUnits = 1) const {
205     return (!isReserved() || isADispatchHazard()) &&
206            llvm::countPopulation(ReadyMask) >= NumUnits;
207   }
208   bool isAResourceGroup() const {
209     return llvm::countPopulation(ResourceMask) > 1;
210   }
211
212   bool containsResource(uint64_t ID) const { return ResourceMask & ID; }
213
214   void markSubResourceAsUsed(uint64_t ID) {
215     assert(isSubResourceReady(ID));
216     ReadyMask ^= ID;
217   }
218
219   void releaseSubResource(uint64_t ID) {
220     assert(!isSubResourceReady(ID));
221     ReadyMask ^= ID;
222   }
223
224   unsigned getNumUnits() const {
225     return isAResourceGroup() ? 1U : llvm::countPopulation(ResourceSizeMask);
226   }
227
228   uint64_t selectNextInSequence();
229   void removeFromNextInSequence(uint64_t ID);
230
231   ResourceStateEvent isBufferAvailable() const {
232     if (isADispatchHazard() && isReserved())
233       return RS_RESERVED;
234     if (!isBuffered() || AvailableSlots)
235       return RS_BUFFER_AVAILABLE;
236     return RS_BUFFER_UNAVAILABLE;
237   }
238
239   void reserveBuffer() {
240     if (AvailableSlots)
241       AvailableSlots--;
242   }
243
244   void releaseBuffer() {
245     if (BufferSize > 0)
246       AvailableSlots++;
247     assert(AvailableSlots <= static_cast<unsigned>(BufferSize));
248   }
249
250 #ifndef NDEBUG
251   void dump() const;
252 #endif
253 };
254
255 /// A resource unit identifier.
256 ///
257 /// This is used to identify a specific processor resource unit using a pair
258 /// of indices where the 'first' index is a processor resource mask, and the
259 /// 'second' index is an index for a "sub-resource" (i.e. unit).
260 typedef std::pair<uint64_t, uint64_t> ResourceRef;
261
262 // First: a MCProcResourceDesc index identifying a buffered resource.
263 // Second: max number of buffer entries used in this resource.
264 typedef std::pair<unsigned, unsigned> BufferUsageEntry;
265
266 /// A resource manager for processor resource units and groups.
267 ///
268 /// This class owns all the ResourceState objects, and it is responsible for
269 /// acting on requests from a Scheduler by updating the internal state of
270 /// ResourceState objects.
271 /// This class doesn't know about instruction itineraries and functional units.
272 /// In future, it can be extended to support itineraries too through the same
273 /// public interface.
274 class ResourceManager {
275   // The resource manager owns all the ResourceState.
276   using UniqueResourceState = std::unique_ptr<ResourceState>;
277   llvm::SmallDenseMap<uint64_t, UniqueResourceState> Resources;
278
279   // Keeps track of which resources are busy, and how many cycles are left
280   // before those become usable again.
281   llvm::SmallDenseMap<ResourceRef, unsigned> BusyResources;
282
283   // A table to map processor resource IDs to processor resource masks.
284   llvm::SmallVector<uint64_t, 8> ProcResID2Mask;
285
286   // Adds a new resource state in Resources, as well as a new descriptor in
287   // ResourceDescriptor.
288   void addResource(const llvm::MCProcResourceDesc &Desc, unsigned Index,
289                    uint64_t Mask);
290
291   // Populate resource descriptors.
292   void initialize(const llvm::MCSchedModel &SM);
293
294   // Returns the actual resource unit that will be used.
295   ResourceRef selectPipe(uint64_t ResourceID);
296
297   void use(ResourceRef RR);
298   void release(ResourceRef RR);
299
300   unsigned getNumUnits(uint64_t ResourceID) const {
301     assert(Resources.find(ResourceID) != Resources.end());
302     return Resources.find(ResourceID)->getSecond()->getNumUnits();
303   }
304
305   // Reserve a specific Resource kind.
306   void reserveBuffer(uint64_t ResourceID) {
307     assert(isBufferAvailable(ResourceID) ==
308            ResourceStateEvent::RS_BUFFER_AVAILABLE);
309     ResourceState &Resource = *Resources[ResourceID];
310     Resource.reserveBuffer();
311   }
312
313   void releaseBuffer(uint64_t ResourceID) {
314     Resources[ResourceID]->releaseBuffer();
315   }
316
317   ResourceStateEvent isBufferAvailable(uint64_t ResourceID) const {
318     const ResourceState &Resource = *Resources.find(ResourceID)->second;
319     return Resource.isBufferAvailable();
320   }
321
322   bool isReady(uint64_t ResourceID, unsigned NumUnits) const {
323     const ResourceState &Resource = *Resources.find(ResourceID)->second;
324     return Resource.isReady(NumUnits);
325   }
326
327 public:
328   ResourceManager(const llvm::MCSchedModel &SM)
329       : ProcResID2Mask(SM.getNumProcResourceKinds()) {
330     initialize(SM);
331   }
332
333   // Returns RS_BUFFER_AVAILABLE if buffered resources are not reserved, and if
334   // there are enough available slots in the buffers.
335   ResourceStateEvent canBeDispatched(llvm::ArrayRef<uint64_t> Buffers) const;
336
337   // Return the processor resource identifier associated to this Mask.
338   unsigned resolveResourceMask(uint64_t Mask) const {
339     return Resources.find(Mask)->second->getProcResourceID();
340   }
341
342   // Consume a slot in every buffered resource from array 'Buffers'. Resource
343   // units that are dispatch hazards (i.e. BufferSize=0) are marked as reserved.
344   void reserveBuffers(llvm::ArrayRef<uint64_t> Buffers);
345
346   // Release buffer entries previously allocated by method reserveBuffers.
347   void releaseBuffers(llvm::ArrayRef<uint64_t> Buffers);
348
349   void reserveResource(uint64_t ResourceID) {
350     ResourceState &Resource = *Resources[ResourceID];
351     assert(!Resource.isReserved());
352     Resource.setReserved();
353   }
354
355   void releaseResource(uint64_t ResourceID) {
356     ResourceState &Resource = *Resources[ResourceID];
357     Resource.clearReserved();
358   }
359
360   // Returns true if all resources are in-order, and there is at least one
361   // resource which is a dispatch hazard (BufferSize = 0).
362   bool mustIssueImmediately(const InstrDesc &Desc);
363
364   bool canBeIssued(const InstrDesc &Desc) const;
365
366   void issueInstruction(
367       const InstrDesc &Desc,
368       llvm::SmallVectorImpl<std::pair<ResourceRef, double>> &Pipes);
369
370   void cycleEvent(llvm::SmallVectorImpl<ResourceRef> &ResourcesFreed);
371
372 #ifndef NDEBUG
373   void dump() const {
374     for (const std::pair<uint64_t, UniqueResourceState> &Resource : Resources)
375       Resource.second->dump();
376   }
377 #endif
378 }; // namespace mca
379
380 /// Class Scheduler is responsible for issuing instructions to pipeline
381 /// resources. Internally, it delegates to a ResourceManager the management of
382 /// processor resources.
383 /// This class is also responsible for tracking the progress of instructions
384 /// from the dispatch stage, until the write-back stage.
385 ///
386 /// An nstruction dispatched to the Scheduler is initially placed into either
387 /// the 'WaitQueue' or the 'ReadyQueue' depending on the availability of the
388 /// input operands. Instructions in the WaitQueue are ordered by instruction
389 /// index. An instruction is moved from the WaitQueue to the ReadyQueue when
390 /// register operands become available, and all memory dependencies are met.
391 /// Instructions that are moved from the WaitQueue to the ReadyQueue transition
392 /// from state 'IS_AVAILABLE' to state 'IS_READY'.
393 ///
394 /// At the beginning of each cycle, the Scheduler checks if there are
395 /// instructions in the WaitQueue that can be moved to the ReadyQueue.  If the
396 /// ReadyQueue is not empty, then older instructions from the queue are issued
397 /// to the processor pipelines, and the underlying ResourceManager is updated
398 /// accordingly.  The ReadyQueue is ordered by instruction index to guarantee
399 /// that the first instructions in the set are also the oldest.
400 ///
401 /// An Instruction is moved from the ReadyQueue the `IssuedQueue` when it is
402 /// issued to a (one or more) pipeline(s). This event also causes an instruction
403 /// state transition (i.e. from state IS_READY, to state IS_EXECUTING).
404 /// An Instruction leaves the IssuedQueue when it reaches the write-back stage.
405 class Scheduler : public HardwareUnit {
406   const llvm::MCSchedModel &SM;
407
408   // Hardware resources that are managed by this scheduler.
409   std::unique_ptr<ResourceManager> Resources;
410   std::unique_ptr<LSUnit> LSU;
411
412   using QueueEntryTy = std::pair<unsigned, Instruction *>;
413   std::map<unsigned, Instruction *> WaitQueue;
414   std::map<unsigned, Instruction *> ReadyQueue;
415   std::map<unsigned, Instruction *> IssuedQueue;
416
417   /// Issue an instruction without updating the ready queue.
418   void issueInstructionImpl(
419       InstRef &IR,
420       llvm::SmallVectorImpl<std::pair<ResourceRef, double>> &Pipes);
421
422 public:
423   Scheduler(const llvm::MCSchedModel &Model, unsigned LoadQueueSize,
424             unsigned StoreQueueSize, bool AssumeNoAlias)
425       : SM(Model), Resources(llvm::make_unique<ResourceManager>(SM)),
426         LSU(llvm::make_unique<LSUnit>(LoadQueueSize, StoreQueueSize,
427                                       AssumeNoAlias)) {}
428
429   /// Check if the instruction in 'IR' can be dispatched.
430   ///
431   /// The DispatchStage is responsible for querying the Scheduler before
432   /// dispatching new instructions. This routine is used for performing such
433   /// a query.  If the instruction 'IR' can be dispatched, then true is
434   /// returned, otherwise false is returned with Event set to the stall type.
435   bool canBeDispatched(const InstRef &IR,
436                        HWStallEvent::GenericEventType &Event) const;
437
438   /// Returns true if there is availibility for IR in the LSU.
439   bool isReady(const InstRef &IR) const { return LSU->isReady(IR); }
440
441   /// Issue an instruction.  The Used container is populated with
442   /// the resource objects consumed on behalf of issuing this instruction.
443   void
444   issueInstruction(InstRef &IR,
445                    llvm::SmallVectorImpl<std::pair<ResourceRef, double>> &Used);
446
447   /// This routine will attempt to issue an instruction immediately (for
448   /// zero-latency instructions).
449   ///
450   /// Returns true if the instruction is issued immediately.  If this does not
451   /// occur, then the instruction will be added to the Scheduler's ReadyQueue.
452   bool issueImmediately(InstRef &IR);
453
454   /// Reserve one entry in each buffered resource.
455   void reserveBuffers(llvm::ArrayRef<uint64_t> Buffers) {
456     Resources->reserveBuffers(Buffers);
457   }
458
459   /// Release buffer entries previously allocated by method reserveBuffers.
460   void releaseBuffers(llvm::ArrayRef<uint64_t> Buffers) {
461     Resources->releaseBuffers(Buffers);
462   }
463
464   /// Update the resources managed by the scheduler.
465   /// This routine is to be called at the start of a new cycle, and is
466   /// responsible for updating scheduler resources.  Resources are released
467   /// once they have been fully consumed.
468   void reclaimSimulatedResources(llvm::SmallVectorImpl<ResourceRef> &Freed);
469
470   /// Move instructions from the WaitQueue to the ReadyQueue if input operands
471   /// are all available.
472   void promoteToReadyQueue(llvm::SmallVectorImpl<InstRef> &Ready);
473
474   /// Update the ready queue.
475   void updatePendingQueue(llvm::SmallVectorImpl<InstRef> &Ready);
476
477   /// Update the issued queue.
478   void updateIssuedQueue(llvm::SmallVectorImpl<InstRef> &Executed);
479
480   /// Updates the Scheduler's resources to reflect that an instruction has just
481   /// been executed.
482   void onInstructionExecuted(const InstRef &IR);
483
484   /// Obtain the processor's resource identifier for the given
485   /// resource mask.
486   unsigned getResourceID(uint64_t Mask) {
487     return Resources->resolveResourceMask(Mask);
488   }
489
490   /// Reserve resources necessary to issue the instruction.
491   /// Returns true if the resources are ready and the (LSU) can
492   /// execute the given instruction immediately.
493   bool reserveResources(InstRef &IR);
494
495   /// Select the next instruction to issue from the ReadyQueue.
496   /// This method gives priority to older instructions.
497   InstRef select();
498
499 #ifndef NDEBUG
500   // Update the ready queues.
501   void dump() const;
502
503   // This routine performs a sanity check.  This routine should only be called
504   // when we know that 'IR' is not in the scheduler's instruction queues.
505   void sanityCheck(const InstRef &IR) const {
506     const unsigned Idx = IR.getSourceIndex();
507     assert(WaitQueue.find(Idx) == WaitQueue.end());
508     assert(ReadyQueue.find(Idx) == ReadyQueue.end());
509     assert(IssuedQueue.find(Idx) == IssuedQueue.end());
510   }
511 #endif // !NDEBUG
512 };
513 } // namespace mca
514
515 #endif // LLVM_TOOLS_LLVM_MCA_SCHEDULER_H