gcc/config/arm/arm1136jfs.md

   1 ;; ARM 1136J[F]-S Pipeline Description
   2 ;; Copyright (C) 2003 Free Software Foundation, Inc.
   3 ;; Written by CodeSourcery, LLC.
   4 ;;
   5 ;; This file is part of GCC.
   6 ;;
   7 ;; GCC is free software; you can redistribute it and/or modify it
   8 ;; under the terms of the GNU General Public License as published by
   9 ;; the Free Software Foundation; either version 2, or (at your option)
  10 ;; any later version.
  11 ;;
  12 ;; GCC is distributed in the hope that it will be useful, but
  13 ;; WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  14 ;; MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  15 ;; General Public License for more details.
  16 ;;
  17 ;; You should have received a copy of the GNU General Public License
  18 ;; along with GCC; see the file COPYING.  If not, write to the Free
  19 ;; Software Foundation, 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA
  20 ;; 02111-1307, USA.  */
  21
  22 ;; These descriptions are based on the information contained in the
  23 ;; ARM1136JF-S Technical Reference Manual, Copyright (c) 2003 ARM
  24 ;; Limited.
  25 ;;
  26
  27 ;; This automaton provides a pipeline description for the ARM
  28 ;; 1136J-S and 1136JF-S cores.
  29 ;;
  30 ;; The model given here assumes that the condition for all conditional
  31 ;; instructions is "true", i.e., that all of the instructions are
  32 ;; actually executed.
  33
  34 (define_automaton "arm1136jfs")
  35
  36 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
  37 ;; Pipelines
  38 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
  39
  40 ;; There are three distinct pipelines (page 1-26 and following):
  41 ;;
  42 ;; - A 4-stage decode pipeline, shared by all three.  It has fetch (1),
  43 ;;   fetch (2), decode, and issue stages.  Since this is always involved,
  44 ;;   we do not model it in the scheduler.
  45 ;;
  46 ;; - A 4-stage ALU pipeline.  It has shifter, ALU (main integer operations),
  47 ;;   and saturation stages.  The fourth stage is writeback; see below.
  48 ;;
  49 ;; - A 4-stage multiply-accumulate pipeline.  It has three stages, called
  50 ;;   MAC1 through MAC3, and a fourth writeback stage.
  51 ;;
  52 ;;   The 4th-stage writeback is shared between the ALU and MAC pipelines,
  53 ;;   which operate in lockstep.  Results from either pipeline will be
  54 ;;   moved into the writeback stage.  Because the two pipelines operate
  55 ;;   in lockstep, we schedule them as a single "execute" pipeline.
  56 ;;
  57 ;; - A 4-stage LSU pipeline.  It has address generation, data cache (1),
  58 ;;   data cache (2), and writeback stages.  (Note that this pipeline,
  59 ;;   including the writeback stage, is independent from the ALU & LSU pipes.)
  60
  61 (define_cpu_unit "e_1,e_2,e_3,e_wb" "arm1136jfs")     ; ALU and MAC
  62 ; e_1 = Sh/Mac1, e_2 = ALU/Mac2, e_3 = SAT/Mac3
  63 (define_cpu_unit "l_a,l_dc1,l_dc2,l_wb" "arm1136jfs") ; Load/Store
  64
  65 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
  66 ;; ALU Instructions
  67 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
  68
  69 ;; ALU instructions require eight cycles to execute, and use the ALU
  70 ;; pipeline in each of the eight stages.  The results are available
  71 ;; after the alu stage has finished.
  72 ;;
  73 ;; If the destination register is the PC, the pipelines are stalled
  74 ;; for several cycles.  That case is not modelled here.
  75
  76 ;; ALU operations with no shifted operand
  77 (define_insn_reservation "11_alu_op" 2
  78  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
  79       (eq_attr "type" "alu"))
  80  "e_1,e_2,e_3,e_wb")
  81
  82 ;; ALU operations with a shift-by-constant operand
  83 (define_insn_reservation "11_alu_shift_op" 2
  84  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
  85       (eq_attr "type" "alu_shift"))
  86  "e_1,e_2,e_3,e_wb")
  87
  88 ;; ALU operations with a shift-by-register operand
  89 ;; These really stall in the decoder, in order to read
  90 ;; the shift value in a second cycle. Pretend we take two cycles in
  91 ;; the shift stage.
  92 (define_insn_reservation "11_alu_shift_reg_op" 3
  93  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
  94       (eq_attr "type" "alu_shift_reg"))
  95  "e_1*2,e_2,e_3,e_wb")
  96
  97 ;; alu_ops can start sooner, if there is no shifter dependency
  98 (define_bypass 1 "11_alu_op,11_alu_shift_op"
  99                "11_alu_op")
 100 (define_bypass 1 "11_alu_op,11_alu_shift_op"
 101                "11_alu_shift_op"
 102                "arm_no_early_alu_shift_value_dep")
 103 (define_bypass 1 "11_alu_op,11_alu_shift_op"
 104                "11_alu_shift_reg_op"
 105                "arm_no_early_alu_shift_dep")
 106 (define_bypass 2 "11_alu_shift_reg_op"
 107                "11_alu_op")
 108 (define_bypass 2 "11_alu_shift_reg_op"
 109                "11_alu_shift_op"
 110                "arm_no_early_alu_shift_value_dep")
 111 (define_bypass 2 "11_alu_shift_reg_op"
 112                "11_alu_shift_reg_op"
 113                "arm_no_early_alu_shift_dep")
 114
 115 (define_bypass 1 "11_alu_op,11_alu_shift_op"
 116                "11_mult1,11_mult2,11_mult3,11_mult4,11_mult5,11_mult6,11_mult7"
 117                "arm_no_early_mul_dep")
 118 (define_bypass 2 "11_alu_shift_reg_op"
 119                "11_mult1,11_mult2,11_mult3,11_mult4,11_mult5,11_mult6,11_mult7"
 120                "arm_no_early_mul_dep")
 121
 122 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
 123 ;; Multiplication Instructions
 124 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
 125
 126 ;; Multiplication instructions loop in the first two execute stages until
 127 ;; the instruction has been passed through the multiplier array enough
 128 ;; times.
 129
 130 ;; Multiply and multiply-accumulate results are available after four stages.
 131 (define_insn_reservation "11_mult1" 4
 132  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
 133       (eq_attr "insn" "mul,mla"))
 134  "e_1*2,e_2,e_3,e_wb")
 135
 136 ;; The *S variants set the condition flags, which requires three more cycles.
 137 (define_insn_reservation "11_mult2" 4
 138  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
 139       (eq_attr "insn" "muls,mlas"))
 140  "e_1*2,e_2,e_3,e_wb")
 141
 142 (define_bypass 3 "11_mult1,11_mult2"
 143                "11_mult1,11_mult2,11_mult3,11_mult4,11_mult5,11_mult6,11_mult7"
 144                "arm_no_early_mul_dep")
 145 (define_bypass 3 "11_mult1,11_mult2"
 146                "11_alu_op")
 147 (define_bypass 3 "11_mult1,11_mult2"
 148                "11_alu_shift_op"
 149                "arm_no_early_alu_shift_value_dep")
 150 (define_bypass 3 "11_mult1,11_mult2"
 151                "11_alu_shift_reg_op"
 152                "arm_no_early_alu_shift_dep")
 153 (define_bypass 3 "11_mult1,11_mult2"
 154                "11_store1"
 155                "arm_no_early_store_addr_dep")
 156
 157 ;; Signed and unsigned multiply long results are available across two cycles;
 158 ;; the less significant word is available one cycle before the more significant
 159 ;; word.  Here we conservatively wait until both are available, which is
 160 ;; after three iterations and the memory cycle.  The same is also true of
 161 ;; the two multiply-accumulate instructions.
 162 (define_insn_reservation "11_mult3" 5
 163  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
 164       (eq_attr "insn" "smull,umull,smlal,umlal"))
 165  "e_1*3,e_2,e_3,e_wb*2")
 166
 167 ;; The *S variants set the condition flags, which requires three more cycles.
 168 (define_insn_reservation "11_mult4" 5
 169  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
 170       (eq_attr "insn" "smulls,umulls,smlals,umlals"))
 171  "e_1*3,e_2,e_3,e_wb*2")
 172
 173 (define_bypass 4 "11_mult3,11_mult4"
 174                "11_mult1,11_mult2,11_mult3,11_mult4,11_mult5,11_mult6,11_mult7"
 175                "arm_no_early_mul_dep")
 176 (define_bypass 4 "11_mult3,11_mult4"
 177                "11_alu_op")
 178 (define_bypass 4 "11_mult3,11_mult4"
 179                "11_alu_shift_op"
 180                "arm_no_early_alu_shift_value_dep")
 181 (define_bypass 4 "11_mult3,11_mult4"
 182                "11_alu_shift_reg_op"
 183                "arm_no_early_alu_shift_dep")
 184 (define_bypass 4 "11_mult3,11_mult4"
 185                "11_store1"
 186                "arm_no_early_store_addr_dep")
 187
 188 ;; Various 16x16->32 multiplies and multiply-accumulates, using combinations
 189 ;; of high and low halves of the argument registers.  They take a single
 190 ;; pass through the pipeline and make the result available after three
 191 ;; cycles.
 192 (define_insn_reservation "11_mult5" 3
 193  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
 194       (eq_attr "insn" "smulxy,smlaxy,smulwy,smlawy,smuad,smuadx,smlad,smladx,smusd,smusdx,smlsd,smlsdx"))
 195  "e_1,e_2,e_3,e_wb")
 196
 197 (define_bypass 2 "11_mult5"
 198                "11_mult1,11_mult2,11_mult3,11_mult4,11_mult5,11_mult6,11_mult7"
 199                "arm_no_early_mul_dep")
 200 (define_bypass 2 "11_mult5"
 201                "11_alu_op")
 202 (define_bypass 2 "11_mult5"
 203                "11_alu_shift_op"
 204                "arm_no_early_alu_shift_value_dep")
 205 (define_bypass 2 "11_mult5"
 206                "11_alu_shift_reg_op"
 207                "arm_no_early_alu_shift_dep")
 208 (define_bypass 2 "11_mult5"
 209                "11_store1"
 210                "arm_no_early_store_addr_dep")
 211
 212 ;; The same idea, then the 32-bit result is added to a 64-bit quantity.
 213 (define_insn_reservation "11_mult6" 4
 214  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
 215       (eq_attr "insn" "smlalxy"))
 216  "e_1*2,e_2,e_3,e_wb*2")
 217
 218 ;; Signed 32x32 multiply, then the most significant 32 bits are extracted
 219 ;; and are available after the memory stage.
 220 (define_insn_reservation "11_mult7" 4
 221  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
 222       (eq_attr "insn" "smmul,smmulr"))
 223  "e_1*2,e_2,e_3,e_wb")
 224
 225 (define_bypass 3 "11_mult6,11_mult7"
 226                "11_mult1,11_mult2,11_mult3,11_mult4,11_mult5,11_mult6,11_mult7"
 227                "arm_no_early_mul_dep")
 228 (define_bypass 3 "11_mult6,11_mult7"
 229                "11_alu_op")
 230 (define_bypass 3 "11_mult6,11_mult7"
 231                "11_alu_shift_op"
 232                "arm_no_early_alu_shift_value_dep")
 233 (define_bypass 3 "11_mult6,11_mult7"
 234                "11_alu_shift_reg_op"
 235                "arm_no_early_alu_shift_dep")
 236 (define_bypass 3 "11_mult6,11_mult7"
 237                "11_store1"
 238                "arm_no_early_store_addr_dep")
 239
 240 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
 241 ;; Branch Instructions
 242 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
 243
 244 ;; These vary greatly depending on their arguments and the results of
 245 ;; stat prediction.  Cycle count ranges from zero (unconditional branch,
 246 ;; folded dynamic prediction) to seven (incorrect predictions, etc).  We
 247 ;; assume an optimal case for now, because the cost of a cache miss
 248 ;; overwhelms the cost of everything else anyhow.
 249
 250 (define_insn_reservation "11_branches" 0
 251  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
 252       (eq_attr "type" "branch"))
 253  "nothing")
 254
 255 ;; Call latencies are not predictable.  A semi-arbitrary very large
 256 ;; number is used as "positive infinity" so that everything should be
 257 ;; finished by the time of return.
 258 (define_insn_reservation "11_call" 32
 259  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
 260       (eq_attr "type" "call"))
 261  "nothing")
 262
 263 ;; Branches are predicted. A correctly predicted branch will be no
 264 ;; cost, but we're conservative here, and use the timings a
 265 ;; late-register would give us.
 266 (define_bypass 1 "11_alu_op,11_alu_shift_op"
 267                "11_branches")
 268 (define_bypass 2 "11_alu_shift_reg_op"
 269                "11_branches")
 270 (define_bypass 2 "11_load1,11_load2"
 271                "11_branches")
 272 (define_bypass 3 "11_load34"
 273                "11_branches")
 274
 275 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
 276 ;; Load/Store Instructions
 277 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
 278
 279 ;; The models for load/store instructions do not accurately describe
 280 ;; the difference between operations with a base register writeback.
 281 ;; These models assume that all memory references hit in dcache.  Also,
 282 ;; if the PC is one of the registers involved, there are additional stalls
 283 ;; not modelled here.  Addressing modes are also not modelled.
 284
 285 (define_insn_reservation "11_load1" 3
 286  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
 287       (eq_attr "type" "load1"))
 288  "l_a+e_1,l_dc1,l_dc2,l_wb")
 289
 290 ;; Load byte results are not available until the writeback stage, where
 291 ;; the correct byte is extracted.
 292
 293 (define_insn_reservation "11_loadb" 4
 294  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
 295       (eq_attr "type" "load_byte"))
 296  "l_a+e_1,l_dc1,l_dc2,l_wb")
 297
 298 (define_insn_reservation "11_store1" 0
 299  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
 300       (eq_attr "type" "store1"))
 301  "l_a+e_1,l_dc1,l_dc2,l_wb")
 302
 303 ;; Load/store double words into adjacent registers.  The timing and
 304 ;; latencies are different depending on whether the address is 64-bit
 305 ;; aligned.  This model assumes that it is.
 306 (define_insn_reservation "11_load2" 3
 307  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
 308       (eq_attr "type" "load2"))
 309  "l_a+e_1,l_dc1,l_dc2,l_wb")
 310
 311 (define_insn_reservation "11_store2" 0
 312  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
 313       (eq_attr "type" "store2"))
 314  "l_a+e_1,l_dc1,l_dc2,l_wb")
 315
 316 ;; Load/store multiple registers.  Two registers are stored per cycle.
 317 ;; Actual timing depends on how many registers are affected, so we
 318 ;; optimistically schedule a low latency.
 319 (define_insn_reservation "11_load34" 4
 320  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
 321       (eq_attr "type" "load3,load4"))
 322  "l_a+e_1,l_dc1*2,l_dc2,l_wb")
 323
 324 (define_insn_reservation "11_store34" 0
 325  (and (eq_attr "tune" "arm1136js,arm1136jfs")
 326       (eq_attr "type" "store3,store4"))
 327  "l_a+e_1,l_dc1*2,l_dc2,l_wb")
 328
 329 ;; A store can start immediately after an alu op, if that alu op does
 330 ;; not provide part of the address to access.
 331 (define_bypass 1 "11_alu_op,11_alu_shift_op"
 332                "11_store1"
 333                "arm_no_early_store_addr_dep")
 334 (define_bypass 2 "11_alu_shift_reg_op"
 335                "11_store1"
 336                "arm_no_early_store_addr_dep")
 337
 338 ;; An alu op can start sooner after a load, if that alu op does not
 339 ;; have an early register dependency on the load
 340 (define_bypass 2 "11_load1"
 341                "11_alu_op")
 342 (define_bypass 2 "11_load1"
 343                "11_alu_shift_op"
 344                "arm_no_early_alu_shift_value_dep")
 345 (define_bypass 2 "11_load1"
 346                "11_alu_shift_reg_op"
 347                "arm_no_early_alu_shift_dep")
 348
 349 (define_bypass 3 "11_loadb"
 350                "11_alu_op")
 351 (define_bypass 3 "11_loadb"
 352                "11_alu_shift_op"
 353                "arm_no_early_alu_shift_value_dep")
 354 (define_bypass 3 "11_loadb"
 355                "11_alu_shift_reg_op"
 356                "arm_no_early_alu_shift_dep")
 357
 358 ;; A mul op can start sooner after a load, if that mul op does not
 359 ;; have an early multiply dependency
 360 (define_bypass 2 "11_load1"
 361                "11_mult1,11_mult2,11_mult3,11_mult4,11_mult5,11_mult6,11_mult7"
 362                "arm_no_early_mul_dep")
 363 (define_bypass 3 "11_load34"
 364                "11_mult1,11_mult2,11_mult3,11_mult4,11_mult5,11_mult6,11_mult7"
 365                "arm_no_early_mul_dep")
 366 (define_bypass 3 "11_loadb"
 367                "11_mult1,11_mult2,11_mult3,11_mult4,11_mult5,11_mult6,11_mult7"
 368                "arm_no_early_mul_dep")
 369
 370 ;; A store can start sooner after a load, if that load does not
 371 ;; produce part of the address to access
 372 (define_bypass 2 "11_load1"
 373                "11_store1"
 374                "arm_no_early_store_addr_dep")
 375 (define_bypass 3 "11_loadb"
 376                "11_store1"
 377                "arm_no_early_store_addr_dep")