PR target/56858
[official-gcc.git] / gcc / config / sh / sh4.md
blob0ff6a0b571194452861d7b2ac978a901d2627cbf
1 ;; DFA scheduling description for SH4.
2 ;; Copyright (C) 2004-2014 Free Software Foundation, Inc.
4 ;; This file is part of GCC.
6 ;; GCC is free software; you can redistribute it and/or modify
7 ;; it under the terms of the GNU General Public License as published by
8 ;; the Free Software Foundation; either version 3, or (at your option)
9 ;; any later version.
11 ;; GCC is distributed in the hope that it will be useful,
12 ;; but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
13 ;; MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
14 ;; GNU General Public License for more details.
16 ;; You should have received a copy of the GNU General Public License
17 ;; along with GCC; see the file COPYING3.  If not see
18 ;; <http://www.gnu.org/licenses/>.
20 ;; Load and store instructions save a cycle if they are aligned on a
21 ;; four byte boundary.  Using a function unit for stores encourages
22 ;; gcc to separate load and store instructions by one instruction,
23 ;; which makes it more likely that the linker will be able to word
24 ;; align them when relaxing.
26 ;; The following description models the SH4 pipeline using the DFA based
27 ;; scheduler.  The DFA based description is better way to model a
28 ;; superscalar pipeline as compared to function unit reservation model.
29 ;; 1. The function unit based model is oriented to describe at most one
30 ;;    unit reservation by each insn. It is difficult to model unit reservations
31 ;;    in multiple pipeline units by same insn.  This can be done using DFA
32 ;;    based description.
33 ;; 2. The execution performance of DFA based scheduler does not depend on
34 ;;    processor complexity.
35 ;; 3. Writing all unit reservations for an instruction class is a more natural
36 ;;    description of the pipeline and makes the interface to the hazard
37 ;;    recognizer simpler than the old function unit based model.
38 ;; 4. The DFA model is richer and is a part of greater overall framework
39 ;;    of RCSP.
42 ;; Two automata are defined to reduce number of states
43 ;; which a single large automaton will have. (Factoring)
44 (define_automaton "inst_pipeline,fpu_pipe")
46 ;; This unit is basically the decode unit of the processor.
47 ;; Since SH4 is a dual issue machine,it is as if there are two
48 ;; units so that any insn can be processed by either one
49 ;; of the decoding unit.
50 (define_cpu_unit "pipe_01,pipe_02" "inst_pipeline")
53 ;; The fixed point arithmetic calculator(?? EX Unit).
54 (define_cpu_unit  "int" "inst_pipeline")
56 ;; f1_1 and f1_2 are floating point units.Actually there is
57 ;; a f1 unit which can overlap with other f1 unit but
58 ;; not another F1 unit.It is as though there were two
59 ;; f1 units.
60 (define_cpu_unit "f1_1,f1_2" "fpu_pipe")
62 ;; The floating point units (except FS - F2 always precedes it.)
63 (define_cpu_unit "F0,F1,F2,F3" "fpu_pipe")
65 ;; This is basically the MA unit of SH4
66 ;; used in LOAD/STORE pipeline.
67 (define_cpu_unit "memory" "inst_pipeline")
69 ;; However, there are LS group insns that don't use it, even ones that
70 ;; complete in 0 cycles.  So we use an extra unit for the issue of LS insns.
71 (define_cpu_unit "load_store" "inst_pipeline")
73 ;; The address calculator used for branch instructions.
74 ;; This will be reserved after "issue" of branch instructions
75 ;; and this is to make sure that no two branch instructions
76 ;; can be issued in parallel.
78 (define_cpu_unit "pcr_addrcalc" "inst_pipeline")
80 ;; ----------------------------------------------------
81 ;; This reservation is to simplify the dual issue description.
82 (define_reservation  "issue"  "pipe_01|pipe_02")
84 ;; This is to express the locking of D stage.
85 ;; Note that the issue of a CO group insn also effectively locks the D stage.
86 (define_reservation  "d_lock" "pipe_01+pipe_02")
88 ;; Every FE instruction but fipr / ftrv starts with issue and this.
89 (define_reservation "F01" "F0+F1")
91 ;; This is to simplify description where F1,F2,FS
92 ;; are used simultaneously.
93 (define_reservation "fpu" "F1+F2")
95 ;; This is to highlight the fact that f1
96 ;; cannot overlap with F1.
97 (exclusion_set  "f1_1,f1_2" "F1")
99 (define_insn_reservation "nil" 0 (eq_attr "type" "nil") "nothing")
101 ;; Although reg moves have a latency of zero
102 ;; we need to highlight that they use D stage
103 ;; for one cycle.
105 ;; Group:       MT
106 (define_insn_reservation "reg_mov" 0
107   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
108        (eq_attr "type" "move"))
109   "issue")
111 ;; Group:       LS
112 (define_insn_reservation "freg_mov" 0
113   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
114        (eq_attr "type" "fmove"))
115   "issue+load_store")
117 ;; We don't model all pipeline stages; we model the issue ('D') stage
118 ;; inasmuch as we allow only two instructions to issue simultaneously,
119 ;; and CO instructions prevent any simultaneous issue of another instruction.
120 ;; (This uses pipe_01 and pipe_02).
121 ;; Double issue of EX insns is prevented by using the int unit in the EX stage.
122 ;; Double issue of EX / BR insns is prevented by using the int unit /
123 ;; pcr_addrcalc unit in the EX stage.
124 ;; Double issue of BR / LS instructions is prevented by using the
125 ;; pcr_addrcalc / load_store unit in the issue cycle.
126 ;; Double issue of FE instructions is prevented by using F0 in the first
127 ;; pipeline stage after the first D stage.
128 ;; There is no need to describe the [ES]X / [MN]A / S stages after a D stage
129 ;; (except in the cases outlined above), nor to describe the FS stage after
130 ;; the F2 stage.
132 ;; Other MT  group instructions(1 step operations)
133 ;; Group:       MT
134 ;; Latency:     1
135 ;; Issue Rate:  1
136 (define_insn_reservation "mt" 1
137   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
138        (eq_attr "type" "mt_group"))
139   "issue")
141 ;; Fixed Point Arithmetic Instructions(1 step operations)
142 ;; Group:       EX
143 ;; Latency:     1
144 ;; Issue Rate:  1
145 (define_insn_reservation "sh4_simple_arith" 1
146   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
147        (eq_attr "insn_class" "ex_group"))
148   "issue,int")
150 ;; Load and store instructions have no alignment peculiarities for the SH4,
151 ;; but they use the load-store unit, which they share with the fmove type
152 ;; insns (fldi[01]; fmov frn,frm; flds; fsts; fabs; fneg) .
153 ;; Loads have a latency of two.
154 ;; However, call insns can only paired with a preceding insn, and have
155 ;; a delay slot, so that we want two more insns to be scheduled between the
156 ;; load of the function address and the call.  This is equivalent to a
157 ;; latency of three.
158 ;; ADJUST_COST can only properly handle reductions of the cost, so we
159 ;; use a latency of three here, which gets multiplied by 10 to yield 30.
160 ;; We only do this for SImode loads of general registers, to make the work
161 ;; for ADJUST_COST easier.
163 ;; Load Store instructions. (MOV.[BWL]@(d,GBR)
164 ;; Group:       LS
165 ;; Latency:     2
166 ;; Issue Rate:  1
167 (define_insn_reservation "sh4_load" 2
168   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
169        (eq_attr "type" "load,pcload"))
170   "issue+load_store,nothing,memory")
172 ;; calls / sfuncs need an extra instruction for their delay slot.
173 ;; Moreover, estimating the latency for SImode loads as 3 will also allow
174 ;; adjust_cost to meaningfully bump it back up to 3 if they load the shift
175 ;; count of a dynamic shift.
176 (define_insn_reservation "sh4_load_si" 3
177   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
178        (eq_attr "type" "load_si,pcload_si"))
179   "issue+load_store,nothing,memory")
181 ;; (define_bypass 2 "sh4_load_si" "!sh4_call")
183 ;; The load latency is upped to three higher if the dependent insn does
184 ;; double precision computation.  We want the 'default' latency to reflect
185 ;; that increased latency because otherwise the insn priorities won't
186 ;; allow proper scheduling.
187 (define_insn_reservation "sh4_fload" 3
188   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
189        (eq_attr "type" "fload,pcfload"))
190   "issue+load_store,nothing,memory")
192 ;; (define_bypass 2 "sh4_fload" "!")
194 (define_insn_reservation "sh4_store" 1
195   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
196        (eq_attr "type" "store,fstore"))
197   "issue+load_store,nothing,memory")
199 (define_insn_reservation "mac_mem" 1
200   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
201        (eq_attr "type" "mac_mem"))
202   "d_lock,nothing,memory")
204 ;; Load Store instructions.
205 ;; Group:       LS
206 ;; Latency:     1
207 ;; Issue Rate:  1
208 (define_insn_reservation "sh4_gp_fpul" 1
209   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
210        (eq_attr "type" "gp_fpul"))
211   "issue+load_store")
213 ;; Load Store instructions.
214 ;; Group:       LS
215 ;; Latency:     3
216 ;; Issue Rate:  1
217 (define_insn_reservation "sh4_fpul_gp" 3
218   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
219        (eq_attr "type" "fpul_gp"))
220   "issue+load_store")
222 ;; Branch (BF,BF/S,BT,BT/S,BRA)
223 ;; Group:       BR
224 ;; Latency when taken:  2 (or 1)
225 ;; Issue Rate:  1
226 ;; The latency is 1 when displacement is 0.
227 ;; We can't really do much with the latency, even if we could express it,
228 ;; but the pairing restrictions are useful to take into account.
229 ;; ??? If the branch is likely, we might want to fill the delay slot;
230 ;; if the branch is likely, but not very likely, should we pretend to use
231 ;; a resource that CO instructions use, to get a pairable delay slot insn?
232 (define_insn_reservation "sh4_branch"  1
233   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
234        (eq_attr "type" "cbranch,jump"))
235   "issue+pcr_addrcalc")
237 ;; Branch Far (JMP,RTS,BRAF)
238 ;; Group:       CO
239 ;; Latency:     3
240 ;; Issue Rate:  2
241 ;; ??? Scheduling happens before branch shortening, and hence jmp and braf
242 ;; can't be distinguished from bra for the "jump" pattern.
243 (define_insn_reservation "sh4_return" 3
244   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
245        (eq_attr "type" "return,jump_ind"))
246          "d_lock*2")
248 ;; RTE
249 ;; Group:       CO
250 ;; Latency:     5
251 ;; Issue Rate:  5
252 ;; this instruction can be executed in any of the pipelines
253 ;; and blocks the pipeline for next 4 stages.
254 (define_insn_reservation "sh4_return_from_exp" 5
255   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
256        (eq_attr "type" "rte"))
257   "d_lock*5")
259 ;; OCBP, OCBWB
260 ;; Group:       CO
261 ;; Latency:     1-5
262 ;; Issue Rate:  1
263 ;; cwb is used for the sequence
264 ;;      ocbwb  @%0
265 ;;      extu.w %0,%2
266 ;;      or     %1,%2
267 ;;      mov.l  %0,@%2
268 ;; ocbwb on its own would be "d_lock,nothing,memory*5"
269 (define_insn_reservation "ocbwb"  6
270   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
271        (eq_attr "type" "cwb"))
272   "d_lock*2,(d_lock+memory)*3,issue+load_store+memory,memory*2")
274 ;; LDS to PR,JSR
275 ;; Group:       CO
276 ;; Latency:     3
277 ;; Issue Rate:  2
278 ;; The SX stage is blocked for last 2 cycles.
279 ;; OTOH, the only time that has an effect for insns generated by the compiler
280 ;; is when lds to PR is followed by sts from PR - and that is highly unlikely -
281 ;; or when we are doing a function call - and we don't do inter-function
282 ;; scheduling.  For the function call case, it's really best that we end with
283 ;; something that models an rts.
284 (define_insn_reservation "sh4_lds_to_pr" 3
285   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
286        (eq_attr "type" "prset") )
287   "d_lock*2")
289 ;; calls introduce a longisch delay that is likely to flush the pipelines
290 ;; of the caller's instructions.  Ordinary functions tend to end with a
291 ;; load to restore a register (in the delay slot of rts), while sfuncs
292 ;; tend to end with an EX or MT insn.  But that is not actually relevant,
293 ;; since there are no instructions that contend for memory access early.
294 ;; We could, of course, provide exact scheduling information for specific
295 ;; sfuncs, if that should prove useful.
296 (define_insn_reservation "sh4_call" 16
297   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
298        (eq_attr "type" "call,sfunc"))
299   "d_lock*16")
301 ;; LDS.L to PR
302 ;; Group:       CO
303 ;; Latency:     3
304 ;; Issue Rate:  2
305 ;; The SX unit is blocked for last 2 cycles.
306 (define_insn_reservation "ldsmem_to_pr"  3
307   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
308        (eq_attr "type" "pload"))
309   "d_lock*2")
311 ;; STS from PR
312 ;; Group:       CO
313 ;; Latency:     2
314 ;; Issue Rate:  2
315 ;; The SX unit in second and third cycles.
316 (define_insn_reservation "sts_from_pr" 2
317   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
318        (eq_attr "type" "prget"))
319   "d_lock*2")
321 ;; STS.L from PR
322 ;; Group:       CO
323 ;; Latency:     2
324 ;; Issue Rate:  2
325 (define_insn_reservation "sh4_prstore_mem" 2
326   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
327        (eq_attr "type" "pstore"))
328   "d_lock*2,nothing,memory")
330 ;; LDS to FPSCR
331 ;; Group:       CO
332 ;; Latency:     4
333 ;; Issue Rate:  1
334 ;; F1 is blocked for last three cycles.
335 (define_insn_reservation "fpscr_load" 4
336   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
337        (eq_attr "type" "gp_fpscr"))
338   "d_lock,nothing,F1*3")
340 ;; LDS.L to FPSCR
341 ;; Group:       CO
342 ;; Latency:     1 / 4
343 ;; Latency to update Rn is 1 and latency to update FPSCR is 4
344 ;; Issue Rate:  1
345 ;; F1 is blocked for last three cycles.
346 (define_insn_reservation "fpscr_load_mem" 4
347   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
348        (eq_attr "type"  "mem_fpscr"))
349   "d_lock,nothing,(F1+memory),F1*2")
352 ;; Fixed point multiplication (DMULS.L DMULU.L MUL.L MULS.W,MULU.W)
353 ;; Group:       CO
354 ;; Latency:     4 / 4
355 ;; Issue Rate:  2
356 (define_insn_reservation "multi" 4
357   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
358        (eq_attr "type" "smpy,dmpy"))
359   "d_lock,(d_lock+f1_1),(f1_1|f1_2)*3,F2")
361 ;; Fixed STS from, and LDS to MACL / MACH
362 ;; Group:       CO
363 ;; Latency:     3
364 ;; Issue Rate:  1
365 (define_insn_reservation "sh4_mac_gp" 3
366   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
367        (eq_attr "type" "mac_gp,gp_mac,mem_mac"))
368   "d_lock")
371 ;; Single precision floating point computation FCMP/EQ,
372 ;; FCMP/GT, FADD, FLOAT, FMAC, FMUL, FSUB, FTRC, FRCHG, FSCHG
373 ;; Group:       FE
374 ;; Latency:     3/4
375 ;; Issue Rate:  1
376 (define_insn_reservation "fp_arith"  3
377   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
378        (eq_attr "type" "fp,fp_cmp"))
379   "issue,F01,F2")
381 ;; We don't model the resource usage of this exactly because that would
382 ;; introduce a bogus latency.
383 (define_insn_reservation "sh4_fpscr_toggle"  1
384   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
385        (eq_attr "type" "fpscr_toggle"))
386   "issue")
388 (define_insn_reservation "fp_arith_ftrc"  3
389   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
390        (eq_attr "type" "ftrc_s"))
391   "issue,F01,F2")
393 (define_bypass 1 "fp_arith_ftrc" "sh4_fpul_gp")
395 ;; Single Precision FDIV/SQRT
396 ;; Group:       FE
397 ;; Latency:     12/13 (FDIV); 11/12 (FSQRT)
398 ;; Issue Rate:  1
399 ;; We describe fdiv here; fsqrt is actually one cycle faster.
400 (define_insn_reservation "fp_div" 12
401   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
402        (eq_attr "type" "fdiv"))
403   "issue,F01+F3,F2+F3,F3*7,F1+F3,F2")
405 ;; Double Precision floating point computation
406 ;; (FCNVDS, FCNVSD, FLOAT, FTRC)
407 ;; Group:       FE
408 ;; Latency:     (3,4)/5
409 ;; Issue Rate:  1
410 (define_insn_reservation "dp_float" 4
411   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
412        (eq_attr "type" "dfp_conv"))
413   "issue,F01,F1+F2,F2")
415 ;; Double-precision floating-point (FADD,FMUL,FSUB)
416 ;; Group:       FE
417 ;; Latency:     (7,8)/9
418 ;; Issue Rate:  1
419 (define_insn_reservation "fp_double_arith" 8
420   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
421        (eq_attr "type" "dfp_arith,dfp_mul"))
422   "issue,F01,F1+F2,fpu*4,F2")
424 ;; Double-precision FCMP (FCMP/EQ,FCMP/GT)
425 ;; Group:       CO
426 ;; Latency:     3/5
427 ;; Issue Rate:  2
428 (define_insn_reservation "fp_double_cmp" 3
429   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
430        (eq_attr "type" "dfp_cmp"))
431   "d_lock,(d_lock+F01),F1+F2,F2")
433 ;; Double precision FDIV/SQRT
434 ;; Group:       FE
435 ;; Latency:     (24,25)/26
436 ;; Issue Rate:  1
437 (define_insn_reservation "dp_div" 25
438   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
439        (eq_attr "type" "dfdiv"))
440   "issue,F01+F3,F1+F2+F3,F2+F3,F3*16,F1+F3,(fpu+F3)*2,F2")
443 ;; Use the branch-not-taken case to model arith3 insns.  For the branch taken
444 ;; case, we'd get a d_lock instead of issue at the end.
445 (define_insn_reservation "arith3" 3
446   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
447        (eq_attr "type" "arith3"))
448   "issue,d_lock+pcr_addrcalc,issue")
450 ;; arith3b insns schedule the same no matter if the branch is taken or not.
451 (define_insn_reservation "arith3b" 2
452   (and (eq_attr "pipe_model" "sh4")
453        (eq_attr "type" "arith3"))
454   "issue,d_lock+pcr_addrcalc")