Reorganisation of the source tree
[ghc-hetmet.git] / rts / gmp / mpn / x86 / README.family
diff --git a/rts/gmp/mpn/x86/README.family b/rts/gmp/mpn/x86/README.family
new file mode 100644 (file)
index 0000000..3bc73f5
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,333 @@
+
+                    X86 CPU FAMILY MPN SUBROUTINES
+
+
+This file has some notes on things common to all the x86 family code.
+
+
+
+ASM FILES
+
+The x86 .asm files are BSD style x86 assembler code, first put through m4
+for macro processing.  The generic mpn/asm-defs.m4 is used, together with
+mpn/x86/x86-defs.m4.  Detailed notes are in those files.
+
+The code is meant for use with GNU "gas" or a system "as".  There's no
+support for assemblers that demand Intel style, and with gas freely
+available and easy to use that shouldn't be a problem.
+
+
+
+STACK FRAME
+
+m4 macros are used to define the parameters passed on the stack, and these
+act like comments on what the stack frame looks like too.  For example,
+mpn_mul_1() has the following.
+
+        defframe(PARAM_MULTIPLIER, 16)
+        defframe(PARAM_SIZE,       12)
+        defframe(PARAM_SRC,         8)
+        defframe(PARAM_DST,         4)
+
+Here PARAM_MULTIPLIER gets defined as `FRAME+16(%esp)', and the others
+similarly.  The return address is at offset 0, but there's not normally any
+need to access that.
+
+FRAME is redefined as necessary through the code so it's the number of bytes
+pushed on the stack, and hence the offsets in the parameter macros stay
+correct.  At the start of a routine FRAME should be zero.
+
+        deflit(`FRAME',0)
+       ...
+       deflit(`FRAME',4)
+       ...
+       deflit(`FRAME',8)
+       ...
+
+Helper macros FRAME_pushl(), FRAME_popl(), FRAME_addl_esp() and
+FRAME_subl_esp() exist to adjust FRAME for the effect of those instructions,
+and can be used instead of explicit definitions if preferred.
+defframe_pushl() is a combination FRAME_pushl() and defframe().
+
+There's generally some slackness in redefining FRAME.  If new values aren't
+going to get used, then the redefinitions are omitted to keep from
+cluttering up the code.  This happens for instance at the end of a routine,
+where there might be just four register pops and then a ret, so FRAME isn't
+getting used.
+
+Local variables and saved registers can be similarly defined, with negative
+offsets representing stack space below the initial stack pointer.  For
+example,
+
+       defframe(SAVE_ESI,   -4)
+       defframe(SAVE_EDI,   -8)
+       defframe(VAR_COUNTER,-12)
+
+       deflit(STACK_SPACE, 12)
+
+Here STACK_SPACE gets used in a "subl $STACK_SPACE, %esp" to allocate the
+space, and that instruction must be followed by a redefinition of FRAME
+(setting it equal to STACK_SPACE) to reflect the change in %esp.
+
+Definitions for pushed registers are only put in when they're going to be
+used.  If registers are just saved and restored with pushes and pops then
+definitions aren't made.
+
+
+
+ASSEMBLER EXPRESSIONS
+
+Only addition and subtraction seem to be universally available, certainly
+that's all the Solaris 8 "as" seems to accept.  If expressions are wanted
+then m4 eval() should be used.
+
+In particular note that a "/" anywhere in a line starts a comment in Solaris
+"as", and in some configurations of gas too.
+
+       addl    $32/2, %eax           <-- wrong
+
+       addl    $eval(32/2), %eax     <-- right
+
+Binutils gas/config/tc-i386.c has a choice between "/" being a comment
+anywhere in a line, or only at the start.  FreeBSD patches 2.9.1 to select
+the latter, and as of 2.9.5 it's the default for GNU/Linux too.
+
+
+
+ASSEMBLER COMMENTS
+
+Solaris "as" doesn't support "#" commenting, using /* */ instead,
+unfortunately.  For that reason "C" commenting is used (see asm-defs.m4) and
+the intermediate ".s" files have no comments.
+
+
+
+ZERO DISPLACEMENTS
+
+In a couple of places addressing modes like 0(%ebx) with a byte-sized zero
+displacement are wanted, rather than (%ebx) with no displacement.  These are
+either for computed jumps or to get desirable code alignment.  Explicit
+.byte sequences are used to ensure the assembler doesn't turn 0(%ebx) into
+(%ebx).  The Zdisp() macro in x86-defs.m4 is used for this.
+
+Current gas 2.9.5 or recent 2.9.1 leave 0(%ebx) as written, but old gas
+1.92.3 changes it.  In general changing would be the sort of "optimization"
+an assembler might perform, hence explicit ".byte"s are used where
+necessary.
+
+
+
+SHLD/SHRD INSTRUCTIONS
+
+The %cl count forms of double shift instructions like "shldl %cl,%eax,%ebx"
+must be written "shldl %eax,%ebx" for some assemblers.  gas takes either,
+Solaris "as" doesn't allow %cl, gcc generates %cl for gas and NeXT (which is
+gas), and omits %cl elsewhere.
+
+For GMP an autoconf test is used to determine whether %cl should be used and
+the macros shldl, shrdl, shldw and shrdw in mpn/x86/x86-defs.m4 then pass
+through or omit %cl as necessary.  See comments with those macros for usage.
+
+
+
+DIRECTION FLAG
+
+The x86 calling conventions say that the direction flag should be clear at
+function entry and exit.  (See iBCS2 and SVR4 ABI books, references below.)
+
+Although this has been so since the year dot, it's not absolutely clear
+whether it's universally respected.  Since it's better to be safe than
+sorry, gmp follows glibc and does a "cld" if it depends on the direction
+flag being clear.  This happens only in a few places.
+
+
+
+POSITION INDEPENDENT CODE
+
+Defining the symbol PIC in m4 processing selects position independent code.
+This mainly affects computed jumps, and these are implemented in a
+self-contained fashion (without using the global offset table).  The few
+calls from assembly code to global functions use the normal procedure
+linkage table.
+
+PIC is necessary for ELF shared libraries because they can be mapped into
+different processes at different virtual addresses.  Text relocations in
+shared libraries are allowed, but that presumably means a page with such a
+relocation isn't shared.  The use of the PLT for PIC adds a fixed cost to
+every function call, which is small but might be noticeable when working with
+small operands.
+
+Calls from one library function to another don't need to go through the PLT,
+since of course the call instruction uses a displacement, not an absolute
+address, and the relative locations of object files are known when libgmp.so
+is created.  "ld -Bsymbolic" (or "gcc -Wl,-Bsymbolic") will resolve calls
+this way, so that there's no jump through the PLT, but of course leaving
+setups of the GOT address in %ebx that may be unnecessary.
+
+The %ebx setup could be avoided in assembly if a separate option controlled
+PIC for calls as opposed to computed jumps etc.  But there's only ever
+likely to be a handful of calls out of assembler, and getting the same
+optimization for C intra-library calls would be more important.  There seems
+no easy way to tell gcc that certain functions can be called non-PIC, and
+unfortunately many gmp functions use the global memory allocation variables,
+so they need the GOT anyway.  Object files with no global data references
+and only intra-library calls could go into the library as non-PIC under
+-Bsymbolic.  Integrating this into libtool and automake is left as an
+exercise for the reader.
+
+
+
+SIMPLE LOOPS
+
+The overheads in setting up for an unrolled loop can mean that at small
+sizes a simple loop is faster.  Making small sizes go fast is important,
+even if it adds a cycle or two to bigger sizes.  To this end various
+routines choose between a simple loop and an unrolled loop according to
+operand size.  The path to the simple loop, or to special case code for
+small sizes, is always as fast as possible.
+
+Adding a simple loop requires a conditional jump to choose between the
+simple and unrolled code.  The size of a branch misprediction penalty
+affects whether a simple loop is worthwhile.
+
+The convention is for an m4 definition UNROLL_THRESHOLD to set the crossover
+point, with sizes < UNROLL_THRESHOLD using the simple loop, sizes >=
+UNROLL_THRESHOLD using the unrolled loop.  If position independent code adds
+a couple of cycles to an unrolled loop setup, the threshold will vary with
+PIC or non-PIC.  Something like the following is typical.
+
+       ifdef(`PIC',`
+       deflit(UNROLL_THRESHOLD, 10)
+       ',`
+       deflit(UNROLL_THRESHOLD, 8)
+       ')
+
+There's no automated way to determine the threshold.  Setting it to a small
+value and then to a big value makes it possible to measure the simple and
+unrolled loops each over a range of sizes, from which the crossover point
+can be determined.  Alternately, just adjust the threshold up or down until
+there's no more speedups.
+
+
+
+UNROLLED LOOP CODING
+
+The x86 addressing modes allow a byte displacement of -128 to +127, making
+it possible to access 256 bytes, which is 64 limbs, without adjusting
+pointer registers within the loop.  Dword sized displacements can be used
+too, but they increase code size, and unrolling to 64 ought to be enough.
+
+When unrolling to the full 64 limbs/loop, the limb at the top of the loop
+will have a displacement of -128, so pointers have to have a corresponding
++128 added before entering the loop.  When unrolling to 32 limbs/loop
+displacements 0 to 127 can be used with 0 at the top of the loop and no
+adjustment needed to the pointers.
+
+Where 64 limbs/loop is supported, the +128 adjustment is done only when 64
+limbs/loop is selected.  Usually the gain in speed using 64 instead of 32 or
+16 is small, so support for 64 limbs/loop is generally only for comparison.
+
+
+
+COMPUTED JUMPS
+
+When working from least significant limb to most significant limb (most
+routines) the computed jump and pointer calculations in preparation for an
+unrolled loop are as follows.
+
+       S = operand size in limbs
+       N = number of limbs per loop (UNROLL_COUNT)
+       L = log2 of unrolling (UNROLL_LOG2)
+       M = mask for unrolling (UNROLL_MASK)
+       C = code bytes per limb in the loop
+       B = bytes per limb (4 for x86)
+       
+       computed jump            (-S & M) * C + entrypoint
+       subtract from pointers   (-S & M) * B
+       initial loop counter     (S-1) >> L
+       displacements            0 to B*(N-1)
+
+The loop counter is decremented at the end of each loop, and the looping
+stops when the decrement takes the counter to -1.  The displacements are for
+the addressing accessing each limb, eg. a load with "movl disp(%ebx), %eax".
+
+Usually the multiply by "C" can be handled without an imul, using instead an
+leal, or a shift and subtract.
+
+When working from most significant to least significant limb (eg. mpn_lshift
+and mpn_copyd), the calculations change as follows.
+
+       add to pointers          (-S & M) * B
+       displacements            0 to -B*(N-1)
+
+
+
+OLD GAS 1.92.3
+
+This version comes with FreeBSD 2.2.8 and has a couple of gremlins that
+affect gmp code.
+
+Firstly, an expression involving two forward references to labels comes out
+as zero.  For example,
+
+               addl    $bar-foo, %eax
+       foo:
+               nop
+       bar:
+
+This should lead to "addl $1, %eax", but it comes out as "addl $0, %eax".
+When only one forward reference is involved, it works correctly, as for
+example,
+
+       foo:
+               addl    $bar-foo, %eax
+               nop
+       bar:
+
+Secondly, an expression involving two labels can't be used as the
+displacement for an leal.  For example,
+
+       foo:
+               nop
+       bar:
+               leal    bar-foo(%eax,%ebx,8), %ecx
+
+A slightly cryptic error is given, "Unimplemented segment type 0 in
+parse_operand".  When only one label is used it's ok, and the label can be a
+forward reference too, as for example,
+
+               leal    foo(%eax,%ebx,8), %ecx
+               nop
+       foo:
+
+These problems only affect PIC computed jump calculations.  The workarounds
+are just to do an leal without a displacement and then an addl, and to make
+sure the code is placed so that there's at most one forward reference in the
+addl.
+
+
+
+REFERENCES
+
+"Intel Architecture Software Developer's Manual", volumes 1 to 3, 1999,
+order numbers 243190, 243191 and 243192.  Available on-line,
+
+       ftp://download.intel.com/design/PentiumII/manuals/243190.htm
+       ftp://download.intel.com/design/PentiumII/manuals/243191.htm
+       ftp://download.intel.com/design/PentiumII/manuals/243192.htm
+
+"Intel386 Family Binary Compatibility Specification 2", Intel Corporation,
+published by McGraw-Hill, 1991, ISBN 0-07-031219-2.
+
+"System V Application Binary Interface", Unix System Laboratories Inc, 1992,
+published by Prentice Hall, ISBN 0-13-880410-9.  And the "Intel386 Processor
+Supplement", AT&T, 1991, ISBN 0-13-877689-X.  (These have details of ELF
+shared library PIC coding.)
+
+
+
+----------------
+Local variables:
+mode: text
+fill-column: 76
+End: