113e49dceSJon Chesterfield //===-- AMDGPULowerModuleLDSPass.cpp ------------------------------*- C++ -*-=// 213e49dceSJon Chesterfield // 313e49dceSJon Chesterfield // Part of the LLVM Project, under the Apache License v2.0 with LLVM Exceptions. 413e49dceSJon Chesterfield // See https://llvm.org/LICENSE.txt for license information. 513e49dceSJon Chesterfield // SPDX-License-Identifier: Apache-2.0 WITH LLVM-exception 613e49dceSJon Chesterfield // 713e49dceSJon Chesterfield //===----------------------------------------------------------------------===// 813e49dceSJon Chesterfield // 913e49dceSJon Chesterfield // This pass eliminates LDS uses from non-kernel functions. 1013e49dceSJon Chesterfield // 1113e49dceSJon Chesterfield // The strategy is to create a new struct with a field for each LDS variable 1213e49dceSJon Chesterfield // and allocate that struct at the same address for every kernel. Uses of the 1313e49dceSJon Chesterfield // original LDS variables are then replaced with compile time offsets from that 1413e49dceSJon Chesterfield // known address. AMDGPUMachineFunction allocates the LDS global. 1513e49dceSJon Chesterfield // 1613e49dceSJon Chesterfield // Local variables with constant annotation or non-undef initializer are passed 1713e49dceSJon Chesterfield // through unchanged for simplication or error diagnostics in later passes. 1813e49dceSJon Chesterfield // 1913e49dceSJon Chesterfield // To reduce the memory overhead variables that are only used by kernels are 2013e49dceSJon Chesterfield // excluded from this transform. The analysis to determine whether a variable 2113e49dceSJon Chesterfield // is only used by a kernel is cheap and conservative so this may allocate 2213e49dceSJon Chesterfield // a variable in every kernel when it was not strictly necessary to do so. 2313e49dceSJon Chesterfield // 2413e49dceSJon Chesterfield // A possible future refinement is to specialise the structure per-kernel, so 2513e49dceSJon Chesterfield // that fields can be elided based on more expensive analysis. 2613e49dceSJon Chesterfield // 2713e49dceSJon Chesterfield //===----------------------------------------------------------------------===// 2813e49dceSJon Chesterfield 2913e49dceSJon Chesterfield #include "AMDGPU.h" 3013e49dceSJon Chesterfield #include "Utils/AMDGPUBaseInfo.h" 3182787eb2Shsmahesha #include "Utils/AMDGPULDSUtils.h" 3213e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/ADT/STLExtras.h" 3313e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/IR/Constants.h" 3413e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/IR/DerivedTypes.h" 3513e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/IR/IRBuilder.h" 3613e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/IR/InlineAsm.h" 3713e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/IR/Instructions.h" 3813e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/InitializePasses.h" 3913e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/Pass.h" 4013e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/Support/Debug.h" 4113e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/Transforms/Utils/ModuleUtils.h" 4213e49dceSJon Chesterfield #include <algorithm> 4313e49dceSJon Chesterfield #include <vector> 4413e49dceSJon Chesterfield 4513e49dceSJon Chesterfield #define DEBUG_TYPE "amdgpu-lower-module-lds" 4613e49dceSJon Chesterfield 4713e49dceSJon Chesterfield using namespace llvm; 4813e49dceSJon Chesterfield 4913e49dceSJon Chesterfield namespace { 5013e49dceSJon Chesterfield 5113e49dceSJon Chesterfield class AMDGPULowerModuleLDS : public ModulePass { 5213e49dceSJon Chesterfield 5313e49dceSJon Chesterfield static void removeFromUsedList(Module &M, StringRef Name, 5413e49dceSJon Chesterfield SmallPtrSetImpl<Constant *> &ToRemove) { 55*49028858SStanislav Mekhanoshin GlobalVariable *GV = M.getNamedGlobal(Name); 5613e49dceSJon Chesterfield if (!GV || ToRemove.empty()) { 5713e49dceSJon Chesterfield return; 5813e49dceSJon Chesterfield } 5913e49dceSJon Chesterfield 6013e49dceSJon Chesterfield SmallVector<Constant *, 16> Init; 6113e49dceSJon Chesterfield auto *CA = cast<ConstantArray>(GV->getInitializer()); 6213e49dceSJon Chesterfield for (auto &Op : CA->operands()) { 6313e49dceSJon Chesterfield // ModuleUtils::appendToUsed only inserts Constants 6413e49dceSJon Chesterfield Constant *C = cast<Constant>(Op); 6513e49dceSJon Chesterfield if (!ToRemove.contains(C->stripPointerCasts())) { 6613e49dceSJon Chesterfield Init.push_back(C); 6713e49dceSJon Chesterfield } 6813e49dceSJon Chesterfield } 6913e49dceSJon Chesterfield 7013e49dceSJon Chesterfield if (Init.size() == CA->getNumOperands()) { 7113e49dceSJon Chesterfield return; // none to remove 7213e49dceSJon Chesterfield } 7313e49dceSJon Chesterfield 7413e49dceSJon Chesterfield GV->eraseFromParent(); 7513e49dceSJon Chesterfield 7613e49dceSJon Chesterfield if (!Init.empty()) { 7713e49dceSJon Chesterfield ArrayType *ATy = 7813e49dceSJon Chesterfield ArrayType::get(Type::getInt8PtrTy(M.getContext()), Init.size()); 7913e49dceSJon Chesterfield GV = 8013e49dceSJon Chesterfield new llvm::GlobalVariable(M, ATy, false, GlobalValue::AppendingLinkage, 8113e49dceSJon Chesterfield ConstantArray::get(ATy, Init), Name); 8213e49dceSJon Chesterfield GV->setSection("llvm.metadata"); 8313e49dceSJon Chesterfield } 8413e49dceSJon Chesterfield } 8513e49dceSJon Chesterfield 8613e49dceSJon Chesterfield static void 8713e49dceSJon Chesterfield removeFromUsedLists(Module &M, 8813e49dceSJon Chesterfield const std::vector<GlobalVariable *> &LocalVars) { 8913e49dceSJon Chesterfield SmallPtrSet<Constant *, 32> LocalVarsSet; 9013e49dceSJon Chesterfield for (size_t I = 0; I < LocalVars.size(); I++) { 9113e49dceSJon Chesterfield if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(LocalVars[I]->stripPointerCasts())) { 9213e49dceSJon Chesterfield LocalVarsSet.insert(C); 9313e49dceSJon Chesterfield } 9413e49dceSJon Chesterfield } 9513e49dceSJon Chesterfield removeFromUsedList(M, "llvm.used", LocalVarsSet); 9613e49dceSJon Chesterfield removeFromUsedList(M, "llvm.compiler.used", LocalVarsSet); 9713e49dceSJon Chesterfield } 9813e49dceSJon Chesterfield 9913e49dceSJon Chesterfield static void markUsedByKernel(IRBuilder<> &Builder, Function *Func, 10013e49dceSJon Chesterfield GlobalVariable *SGV) { 10113e49dceSJon Chesterfield // The llvm.amdgcn.module.lds instance is implicitly used by all kernels 10213e49dceSJon Chesterfield // that might call a function which accesses a field within it. This is 10313e49dceSJon Chesterfield // presently approximated to 'all kernels' if there are any such functions 10413e49dceSJon Chesterfield // in the module. This implicit use is reified as an explicit use here so 10513e49dceSJon Chesterfield // that later passes, specifically PromoteAlloca, account for the required 10613e49dceSJon Chesterfield // memory without any knowledge of this transform. 10713e49dceSJon Chesterfield 10813e49dceSJon Chesterfield // An operand bundle on llvm.donothing works because the call instruction 10913e49dceSJon Chesterfield // survives until after the last pass that needs to account for LDS. It is 11013e49dceSJon Chesterfield // better than inline asm as the latter survives until the end of codegen. A 11113e49dceSJon Chesterfield // totally robust solution would be a function with the same semantics as 11213e49dceSJon Chesterfield // llvm.donothing that takes a pointer to the instance and is lowered to a 11313e49dceSJon Chesterfield // no-op after LDS is allocated, but that is not presently necessary. 11413e49dceSJon Chesterfield 11513e49dceSJon Chesterfield LLVMContext &Ctx = Func->getContext(); 11613e49dceSJon Chesterfield 11713e49dceSJon Chesterfield Builder.SetInsertPoint(Func->getEntryBlock().getFirstNonPHI()); 11813e49dceSJon Chesterfield 11913e49dceSJon Chesterfield FunctionType *FTy = FunctionType::get(Type::getVoidTy(Ctx), {}); 12013e49dceSJon Chesterfield 12113e49dceSJon Chesterfield Function *Decl = 12213e49dceSJon Chesterfield Intrinsic::getDeclaration(Func->getParent(), Intrinsic::donothing, {}); 12313e49dceSJon Chesterfield 12413e49dceSJon Chesterfield Value *UseInstance[1] = {Builder.CreateInBoundsGEP( 12513e49dceSJon Chesterfield SGV->getValueType(), SGV, ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(Ctx), 0))}; 12613e49dceSJon Chesterfield 12713e49dceSJon Chesterfield Builder.CreateCall(FTy, Decl, {}, 12813e49dceSJon Chesterfield {OperandBundleDefT<Value *>("ExplicitUse", UseInstance)}, 12913e49dceSJon Chesterfield ""); 13013e49dceSJon Chesterfield } 13113e49dceSJon Chesterfield 13213e49dceSJon Chesterfield public: 13313e49dceSJon Chesterfield static char ID; 13413e49dceSJon Chesterfield 13513e49dceSJon Chesterfield AMDGPULowerModuleLDS() : ModulePass(ID) { 13613e49dceSJon Chesterfield initializeAMDGPULowerModuleLDSPass(*PassRegistry::getPassRegistry()); 13713e49dceSJon Chesterfield } 13813e49dceSJon Chesterfield 13913e49dceSJon Chesterfield bool runOnModule(Module &M) override { 14013e49dceSJon Chesterfield LLVMContext &Ctx = M.getContext(); 14113e49dceSJon Chesterfield const DataLayout &DL = M.getDataLayout(); 14282787eb2Shsmahesha SmallPtrSet<GlobalValue *, 32> UsedList = AMDGPU::getUsedList(M); 14313e49dceSJon Chesterfield 14413e49dceSJon Chesterfield // Find variables to move into new struct instance 14513e49dceSJon Chesterfield std::vector<GlobalVariable *> FoundLocalVars = 14682787eb2Shsmahesha AMDGPU::findVariablesToLower(M, UsedList); 14713e49dceSJon Chesterfield 14813e49dceSJon Chesterfield if (FoundLocalVars.empty()) { 14913e49dceSJon Chesterfield // No variables to rewrite, no changes made. 15013e49dceSJon Chesterfield return false; 15113e49dceSJon Chesterfield } 15213e49dceSJon Chesterfield 15313e49dceSJon Chesterfield // Sort by alignment, descending, to minimise padding. 15413e49dceSJon Chesterfield // On ties, sort by size, descending, then by name, lexicographical. 15513e49dceSJon Chesterfield llvm::stable_sort( 15613e49dceSJon Chesterfield FoundLocalVars, 15713e49dceSJon Chesterfield [&](const GlobalVariable *LHS, const GlobalVariable *RHS) -> bool { 15882787eb2Shsmahesha Align ALHS = AMDGPU::getAlign(DL, LHS); 15982787eb2Shsmahesha Align ARHS = AMDGPU::getAlign(DL, RHS); 16013e49dceSJon Chesterfield if (ALHS != ARHS) { 16113e49dceSJon Chesterfield return ALHS > ARHS; 16213e49dceSJon Chesterfield } 16313e49dceSJon Chesterfield 16413e49dceSJon Chesterfield TypeSize SLHS = DL.getTypeAllocSize(LHS->getValueType()); 16513e49dceSJon Chesterfield TypeSize SRHS = DL.getTypeAllocSize(RHS->getValueType()); 16613e49dceSJon Chesterfield if (SLHS != SRHS) { 16713e49dceSJon Chesterfield return SLHS > SRHS; 16813e49dceSJon Chesterfield } 16913e49dceSJon Chesterfield 17013e49dceSJon Chesterfield // By variable name on tie for predictable order in test cases. 17113e49dceSJon Chesterfield return LHS->getName() < RHS->getName(); 17213e49dceSJon Chesterfield }); 17313e49dceSJon Chesterfield 17413e49dceSJon Chesterfield std::vector<GlobalVariable *> LocalVars; 17513e49dceSJon Chesterfield LocalVars.reserve(FoundLocalVars.size()); // will be at least this large 17613e49dceSJon Chesterfield { 17713e49dceSJon Chesterfield // This usually won't need to insert any padding, perhaps avoid the alloc 17813e49dceSJon Chesterfield uint64_t CurrentOffset = 0; 17913e49dceSJon Chesterfield for (size_t I = 0; I < FoundLocalVars.size(); I++) { 18013e49dceSJon Chesterfield GlobalVariable *FGV = FoundLocalVars[I]; 18182787eb2Shsmahesha Align DataAlign = AMDGPU::getAlign(DL, FGV); 18213e49dceSJon Chesterfield 18313e49dceSJon Chesterfield uint64_t DataAlignV = DataAlign.value(); 18413e49dceSJon Chesterfield if (uint64_t Rem = CurrentOffset % DataAlignV) { 18513e49dceSJon Chesterfield uint64_t Padding = DataAlignV - Rem; 18613e49dceSJon Chesterfield 18713e49dceSJon Chesterfield // Append an array of padding bytes to meet alignment requested 18813e49dceSJon Chesterfield // Note (o + (a - (o % a)) ) % a == 0 18913e49dceSJon Chesterfield // (offset + Padding ) % align == 0 19013e49dceSJon Chesterfield 19113e49dceSJon Chesterfield Type *ATy = ArrayType::get(Type::getInt8Ty(Ctx), Padding); 19213e49dceSJon Chesterfield LocalVars.push_back(new GlobalVariable( 19313e49dceSJon Chesterfield M, ATy, false, GlobalValue::InternalLinkage, UndefValue::get(ATy), 19413e49dceSJon Chesterfield "", nullptr, GlobalValue::NotThreadLocal, AMDGPUAS::LOCAL_ADDRESS, 19513e49dceSJon Chesterfield false)); 19613e49dceSJon Chesterfield CurrentOffset += Padding; 19713e49dceSJon Chesterfield } 19813e49dceSJon Chesterfield 19913e49dceSJon Chesterfield LocalVars.push_back(FGV); 20013e49dceSJon Chesterfield CurrentOffset += DL.getTypeAllocSize(FGV->getValueType()); 20113e49dceSJon Chesterfield } 20213e49dceSJon Chesterfield } 20313e49dceSJon Chesterfield 20413e49dceSJon Chesterfield std::vector<Type *> LocalVarTypes; 20513e49dceSJon Chesterfield LocalVarTypes.reserve(LocalVars.size()); 20613e49dceSJon Chesterfield std::transform( 20713e49dceSJon Chesterfield LocalVars.cbegin(), LocalVars.cend(), std::back_inserter(LocalVarTypes), 20813e49dceSJon Chesterfield [](const GlobalVariable *V) -> Type * { return V->getValueType(); }); 20913e49dceSJon Chesterfield 21013e49dceSJon Chesterfield StructType *LDSTy = StructType::create( 21113e49dceSJon Chesterfield Ctx, LocalVarTypes, llvm::StringRef("llvm.amdgcn.module.lds.t")); 21213e49dceSJon Chesterfield 21382787eb2Shsmahesha Align MaxAlign = 21482787eb2Shsmahesha AMDGPU::getAlign(DL, LocalVars[0]); // was sorted on alignment 21513e49dceSJon Chesterfield 21613e49dceSJon Chesterfield GlobalVariable *SGV = new GlobalVariable( 21713e49dceSJon Chesterfield M, LDSTy, false, GlobalValue::InternalLinkage, UndefValue::get(LDSTy), 21813e49dceSJon Chesterfield "llvm.amdgcn.module.lds", nullptr, GlobalValue::NotThreadLocal, 21913e49dceSJon Chesterfield AMDGPUAS::LOCAL_ADDRESS, false); 22013e49dceSJon Chesterfield SGV->setAlignment(MaxAlign); 22113e49dceSJon Chesterfield appendToCompilerUsed( 22213e49dceSJon Chesterfield M, {static_cast<GlobalValue *>( 22313e49dceSJon Chesterfield ConstantExpr::getPointerBitCastOrAddrSpaceCast( 22413e49dceSJon Chesterfield cast<Constant>(SGV), Type::getInt8PtrTy(Ctx)))}); 22513e49dceSJon Chesterfield 22613e49dceSJon Chesterfield // The verifier rejects used lists containing an inttoptr of a constant 22713e49dceSJon Chesterfield // so remove the variables from these lists before replaceAllUsesWith 22813e49dceSJon Chesterfield removeFromUsedLists(M, LocalVars); 22913e49dceSJon Chesterfield 23013e49dceSJon Chesterfield // Replace uses of ith variable with a constantexpr to the ith field of the 23113e49dceSJon Chesterfield // instance that will be allocated by AMDGPUMachineFunction 23213e49dceSJon Chesterfield Type *I32 = Type::getInt32Ty(Ctx); 23313e49dceSJon Chesterfield for (size_t I = 0; I < LocalVars.size(); I++) { 23413e49dceSJon Chesterfield GlobalVariable *GV = LocalVars[I]; 23513e49dceSJon Chesterfield Constant *GEPIdx[] = {ConstantInt::get(I32, 0), ConstantInt::get(I32, I)}; 23613e49dceSJon Chesterfield GV->replaceAllUsesWith( 237748db5bfSStanislav Mekhanoshin ConstantExpr::getGetElementPtr(LDSTy, SGV, GEPIdx)); 23813e49dceSJon Chesterfield GV->eraseFromParent(); 23913e49dceSJon Chesterfield } 24013e49dceSJon Chesterfield 24113e49dceSJon Chesterfield // Mark kernels with asm that reads the address of the allocated structure 24213e49dceSJon Chesterfield // This is not necessary for lowering. This lets other passes, specifically 24313e49dceSJon Chesterfield // PromoteAlloca, accurately calculate how much LDS will be used by the 24413e49dceSJon Chesterfield // kernel after lowering. 24513e49dceSJon Chesterfield { 24613e49dceSJon Chesterfield IRBuilder<> Builder(Ctx); 24713e49dceSJon Chesterfield SmallPtrSet<Function *, 32> Kernels; 24813e49dceSJon Chesterfield for (auto &I : M.functions()) { 24913e49dceSJon Chesterfield Function *Func = &I; 25082787eb2Shsmahesha if (AMDGPU::isKernelCC(Func) && !Kernels.contains(Func)) { 25113e49dceSJon Chesterfield markUsedByKernel(Builder, Func, SGV); 25213e49dceSJon Chesterfield Kernels.insert(Func); 25313e49dceSJon Chesterfield } 25413e49dceSJon Chesterfield } 25513e49dceSJon Chesterfield } 25613e49dceSJon Chesterfield return true; 25713e49dceSJon Chesterfield } 25813e49dceSJon Chesterfield }; 25913e49dceSJon Chesterfield 26013e49dceSJon Chesterfield } // namespace 26113e49dceSJon Chesterfield char AMDGPULowerModuleLDS::ID = 0; 26213e49dceSJon Chesterfield 26313e49dceSJon Chesterfield char &llvm::AMDGPULowerModuleLDSID = AMDGPULowerModuleLDS::ID; 26413e49dceSJon Chesterfield 26513e49dceSJon Chesterfield INITIALIZE_PASS(AMDGPULowerModuleLDS, DEBUG_TYPE, 26613e49dceSJon Chesterfield "Lower uses of LDS variables from non-kernel functions", false, 26713e49dceSJon Chesterfield false) 26813e49dceSJon Chesterfield 26913e49dceSJon Chesterfield ModulePass *llvm::createAMDGPULowerModuleLDSPass() { 27013e49dceSJon Chesterfield return new AMDGPULowerModuleLDS(); 27113e49dceSJon Chesterfield } 27213e49dceSJon Chesterfield 27313e49dceSJon Chesterfield PreservedAnalyses AMDGPULowerModuleLDSPass::run(Module &M, 27413e49dceSJon Chesterfield ModuleAnalysisManager &) { 27513e49dceSJon Chesterfield return AMDGPULowerModuleLDS().runOnModule(M) ? PreservedAnalyses::none() 27613e49dceSJon Chesterfield : PreservedAnalyses::all(); 27713e49dceSJon Chesterfield } 278