(no commit message)
[libreriscv.git] / HDL_workflow.mdwn
index 6aba077533f96b2c2b12c02bf6ce6fc4b91a445b..c83e5fc8d428dbcd8126b7cfd6b27c1ec9b46a19 100644 (file)
@@ -1,7 +1,7 @@
 # HDL workflow
 
 This section describes the workflow and some best practices for developing
-the Libre-SoC hardware. We use nmigen, yosys and symbiyosys, and this
+the Libre-SOC hardware. We use nmigen, yosys and symbiyosys, and this
 page is intended not just to help you get set up, it is intended to
 help advise you of some tricks and practices that will help you become
 effective team contributors.
@@ -17,18 +17,26 @@ transparency, readability, documentation, effective team communication
 and formal mathematical proofs for all code at all levels is therefore
 paramount.
 
+Therefore, we need not only to be "self-sufficient" (absolutely under no circumstances critically reliant on somebody else's servers **or protocols**) we also need to ensure that everything (including all communication such as the mailing list archives) are recorded, replicable, and accessible in perpetuity.  Use of slack or a "forum" either actively prevents or makes that much harder.
+
 # Collaboration resources
 
 The main message here: **use the right tool for the right job**.
 
 * mailing list: general communication and discussion.
+* irc channel #libre-soc: real(ish)-time communication.
 * bugtracker: task-orientated, goal-orientated *focussed* discussion.
 * ikiwiki: document store, information store, and (editable) main website
 * git repositories: code stores (**not binary or auto-generated output store**)
-* ftp server (<http://ftp.libre-riscv.org>): large file store.
+* ftp server (<https://ftp.libre-soc.org/>): large (temporary,
+  auto-generated) file store.
 
 we will add an IRC channel at some point when there are enough people
-to warrant having one.
+to warrant having one (and it will be publicly archived)
+
+note also the lack of a "forum" in the above list.  this is very deliberate.  forums are a serious distraction when it comes to technical heavily goal-orientated development. recent internet users may enjoy looking up the "AOL metoo postings" meme.
+
+note also the complete lack of "social platforms". if we wanted to tell everybody how much better each of us are than anyone else in the team, how many times we made a commit (look at me, look at me, i'm so clever), and how many times we went to the bathroom, we would have installed a social media based project "management" system.
 
 ## Main contact method: mailing list
 
@@ -36,7 +44,7 @@ To respect the transparency requirements, conversations need to be
 public and archived (i.e not skype, not telegram, not discord,
 and anyone seriously suggesting slack will be thrown to the
 lions).  Therefore we have a mailing list. Everything goes through
-there. <http://lists.libre-riscv.org/mailman/listinfo/libre-riscv-dev>
+there. <https://lists.libre-soc.org/mailman/listinfo/libre-soc-dev>
 therefore please do google "mailing list etiquette" and at the very
 minimum look up and understand the following:
 
@@ -46,7 +54,8 @@ minimum look up and understand the following:
   using phone at airport flight soon, v. quick reply: ....")
 * Always trim context but do not cut excessively to the point where people
   cannot follow the discussion.  Especially do not cut the attribution
-  ("On monday xxx wrote")
+  ("On monday xxx wrote") of something that you are actually replying
+  to.
 * Use inline replies i.e. reply at the point in the relevant part of
   the conversation, as if you were actually having a conversation.
 * Follow standard IETF reply formatting, using ">" for cascaded
@@ -69,12 +78,12 @@ minimum look up and understand the following:
 
 If discussions result in any actionable items, it is important not to
 lose track of them. Create a bugreport, find the discussion in the
-archives <http://lists.libre-riscv.org/pipermail/libre-riscv-dev/>,
+archives <https://lists.libre-soc.org/pipermail/libre-soc-dev/>,
 and put the link actually in the bugtracker as one of the comments.
 
 At some point in any discussion, the sudden realisation may dawn on one
 or more people that this is an "actionable" discussion.  at that point
-it may become better to use  <http://bugs.libre-riscv.org>
+it may become better to use  <https://bugs.libre-soc.org/>
 itself to continue the discussion rather than to keep on dropping copies
 of links into the bugtracker.  The bugtracker sends copies of comments
 *to* the list however this is 'one-way' (note from lkcl: because this
@@ -91,7 +100,7 @@ at the list) and include the link to the page.
 Or, if it is more appropriate, commit a document (or source code)
 into the relevant git repository then look up the link in the gitweb
 source tree browser and post that (in the bugtracker or mailing list)
-See <http://git.libre-riscv.org>
+See <https://git.libre-soc.org/>
 
 ### gmail "spam"ifying the list
 
@@ -111,7 +120,7 @@ lions are getting wind and gout from overfeeding on that one.
 
 ## ikiwiki
 
-Runs the main libre-riscv.org site (including this page). effective,
+Runs the main libre-soc.org site (including this page). effective,
 stunningly light on resources, and uses a git repository not a database.
 That means it can be edited offline.
 
@@ -120,10 +129,12 @@ straight away.
 
 Hint: to create a new page, find a suitable page that would link to it,
 first, then put the link in of the page you want to create, as if the
-page already exists.  Save that page, and you will find a questionmark
+page already exists.  Save that page, and you will find a question mark
 next to the new link you created.  click that link, and it will fire up a
 "create new page" editor.
 
+Wiki pages are formatted in [[markdown|ikiwiki/markdown]] syntax.
+
 Hint again: the wiki is backed by a git repository.  Don't go overboard
 but at the same time do not be afraid that you might "damage" or "lose"
 pages.  Although it would be a minor pain, the pages can always be
@@ -134,31 +145,30 @@ Assistance in creating a much better theme greatly appreciated.  e.g.
 
 ## git
 
-we use git. more on this below.  we also use gitolite3 running on a
-dedicated server.  again, it is extremely effective and low resource
-utilisation.  reminder: lions are involved if github is mentioned.
+We use git. More on this below.  We also use [gitolite3](https://gitolite.com/gitolite/) running on a dedicated server.  again, it is extremely effective and low resource utilisation. Reminder: lions are involved if github is mentioned.
 
-gitweb is provided which does a decent job. <http://git.libre-riscv.org>
+[gitweb](https://git.wiki.kernel.org/index.php/Gitweb) is provided which does a decent job. <https://git.libre-soc.org/>
+
+[Git](https://en.wikipedia.org/wiki/Git) does version control, ie it tracks changes to files so that previous versions can be got back or compared.
 
 ## ftp server
 
-<http://ftp.libre-riscv.org> is available for storing large files
+<https://ftp.libre-soc.org/> is available for storing large files
 that do not belong in a git repository, if we have (or ever need)
-any.  images (etc.) if small and appropriate should go into the
+any.  Images (etc.) if small and appropriate should go into the
 wiki, however .tgz archives (etc.) and, at some point, binaries,
 should be on the ftp server.
 
-ask on the list if you have a file that belongs on the ftp server.
+Ask on the list if you have a file that belongs on the ftp server.
 
 ## server
 
-as an aside: all this is "old school" and run on a single core 512MB
+As an aside: all this is "old school" and run on a single core 512MB
 VM with only a 20GB HDD allocation. it costs only 8 GBP per month from
 mythic-beasts and means that the project is in no way dependent on anyone
 else - not microsoft, not google, not facebook, not amazon.
 
-we tried gitlab. it didn't go well. please don't ask to replace the
-above extremely resource-efficient services with it.
+we tried [gitlab](https://about.gitlab.com/). it didn't go well. please don't ask to replace the above extremely resource-efficient services with it.
 
 # Hardware
 
@@ -170,7 +180,7 @@ High end Graphics Cards are nonessential.
 
 What is particularly useful is to have hi-res screens (curved is
 *strongly* recommended if the LCD is over 24in wide, to avoid eyeballs
-going "prism" through longterm use), and to have several of them: the
+going "prism" through long term use), and to have several of them: the
 more the better.  Either a DisplayLink UD160A (or more modern variant)
 or simply using a second machine (lower spec hardware because it will
 run editors) is really effective.
@@ -183,7 +193,7 @@ have access to such high resolution screens.
 
 # Operating System
 
-First install and become familiar with Debian (ubuntu if you absolutely
+First install and become familiar with [Debian](https://www.debian.org/) ([Ubuntu](https://ubuntu.com/) if you absolutely
 must) for standardisation cross-team and so that toolchain installation
 is greatly simplified.  yosys in particular warns that trying to use
 Windows, BSD or MacOS will get you into a world of pain.
@@ -195,14 +205,14 @@ complex desktops can be used however may consume greater resources.
 # editors and editing
 
 Whilst this is often a personal choice, the fact that many editors are
-GUI based and run fullscreen with the entire right hand side *and* middle
+GUI based and run full-screen with the entire right hand side *and* middle
 *and* the majority of the left side of the hi-res screen entirely unused
 and bereft of text leaves experienced developers both amused and puzzled.
 
-At the point where such fullscreen users commit code with line lengths
+At the point where such full-screen users commit code with line lengths
 well over 160 characters, that amusement quickly evaporates.
 
-Where the problems occur with fullscreen editor usage is when a project
+Where the problems occur with full-screen editor usage is when a project
 is split into dozens if not hundreds of small files (as this one is). At
 that point it becomes pretty much essential to have as many as six to
 eight files open *and on-screen* at once, without overlaps i.e. not in
@@ -215,13 +225,13 @@ xterm windows is *relevant to the task at hand*.
 [[!img 2020-01-24_11-56.png size=640x ]]
 
 (hint/tip: fvwm2 set up with "mouse-over to raise focus, rather than
-additionally requiring a mouseclick, can save a huge amount of cumulative
+additionally requiring a mouse click, can save a huge amount of cumulative
 development time here, switching between editor terminal(s) and the
 command terminals).
 
 Once this becomes necessary, it it turn implies that having greater
-than 80 chars per line - and running editors fullscreen - is a severe
-hindance to an essential *and highly effective* workflow technique.
+than 80 chars per line - and running editors full-screen - is a severe
+hinderance to an essential *and highly effective* workflow technique.
 
 Additionally, care should be taken to respect that not everyone will have
 200+ column editor windows and the eyesight of a hawk. They may only have
@@ -231,11 +241,16 @@ others, as such developers with limited screen resources would need to
 continuously page-up and page-down to read the code even of a single
 function, in full.
 
-This helps explain in part, below, why compliance with pep8 is enforced,
-including its 80 character limit.  In short: not everyone has the same
-"modern" GUI workflow or has access to the same computing resources as
+This helps explain in part, below, why compliance with [pep8](https://pep8.org/) is enforced, including its 80 character limit.  In short: not everyone has the same "modern" GUI workflow or has access to the same computing resources as
 you, so please do respect that.
 
+More on this concept is
+[here](https://www.linuxjournal.com/content/line-length-limits).
+Note *very pointedly* that Linus Torvalds *specifically* states that
+he does not want Linux kernel development to become the exclusive
+domain of the "wealthy".  That means **no** to assumptions about
+access to ultra-high resolution screens.
+
 # Software prerequisites
 
 Whilst many resources online advocate "sudo" in front of all root-level
@@ -247,11 +262,16 @@ root prompt, and save yourself some typing.
 * apt-get install build-essential
 * apt-get install git python3.7 python3.7-dev python-nosetest3
 * apt-get install graphviz xdot gtkwave
+* apt-get install python3-venv
+* apt-get install python-virtualenv  # this is an alternative to python3-venv
 * return to user prompt (ctrl-d)
 
-This will get you python3 and other tools that are needed. graphviz is
-essential for showing the interconnections between cells, and gtkwave
-is essential for debugging.
+This will get you python3 and other tools that are needed. [graphviz](https://graphviz.org/) is essential for showing the interconnections between cells, and [gtkwave](http://gtkwave.sourceforge.net/) is essential for debugging.
+
+If you would like to save yourself a lot more typing, check out the
+[dev-env-setup](https://git.libre-soc.org/?p=dev-env-setup.git;a=summary)
+repository, examine the scripts there and use them to automate much of
+the process below.
 
 ## git
 
@@ -277,8 +297,16 @@ and that people communicate and coordinate with each other.
 Follow the source code (git clone) instructions here:
 <http://www.clifford.at/yosys/download.html>
 
-Do not try to use a fixed revision (currently 0.9), nmigen is evolving
-and frequently interacts with yosys
+Or, alternatively, use the
+[yosys-et-al](https://git.libre-soc.org/?p=dev-env-setup.git;a=blob;f=yosys-et-al;hb=HEAD)
+script (which also installs symbiyosys and its dependencies)
+
+Do not try to use a fixed revision of yosys (currently 0.9), nmigen is evolving
+and frequently interacts with yosys.
+
+[Yosys](http://www.clifford.at/yosys/) is a framework for Verilog RTL.
+[Verilog](https://en.wikipedia.org/wiki/Verilog) is a hardware description language.
+RTL [Register Transfer Level](https://en.wikipedia.org/wiki/Register-transfer_level) models how data moves between [registers](https://en.wikipedia.org/wiki/Hardware_register).
 
 ## symbiyosys
 
@@ -290,13 +318,15 @@ out if desired) however the more that are installed the more effective
 the formal proof scripts will be (less resource utilisation in certain
 circumstances).
 
+[SymbiYosys](https://symbiyosys.readthedocs.io/en/latest/) (sby) is a front-end driver program for Yosys-based formal hardware verification flows.
+
 ## nmigen
 
-nmigen may be installed as follows:
+[nmigen](https://m-labs.hk/gateware/nmigen/) may be installed as follows:
 
 * mkdir ~/src
 * cd !$
-* git clone https://github.com/m-labs/nmigen.git
+* git clone https://github.com/nmigen/nmigen.git
 * cd nmigen
 * sudo bash
 * python3 setup.py develop
@@ -304,10 +334,12 @@ nmigen may be installed as follows:
 
 testing can then be carried out with "python3 setup.py test"
 
+nmigen is a Python toolbox for building complex digital hardware.
+
 ## Softfloat and sfpy
 
-These are a test suite dependency for the ieee754fpu library, and
-will be changed in the future to use Jacob's algorithmic numeric
+These are a test suite dependency for the [ieee754fpu](https://www.gaisler.com/index.php/products/ipcores/ieee754fpu) library, and
+will be changed in the future to use Jacob's [simple-soft-float](https://crates.io/crates/simple-soft-float)
 library.  In the meantime, sfpy can be built as follows:
 
     git clone --recursive https://github.com/billzorn/sfpy.git
@@ -321,15 +353,20 @@ library.  In the meantime, sfpy can be built as follows:
     git apply /path/to/ieee754fpu/berkeley-softfloat.patch
     cd ..
 
-    # install dependencies    
+    # prepare a virtual environment for building
     python3 -m venv .env
-    . .env/bin/activate
+
+    # or, if you prefer the old way:
+    #    virtualenv -p python3 .env
+
+    # install dependencies
+    source .env/bin/activate
     pip3 install --upgrade -r requirements.txt
 
     # build
-    make lib -j8
+    make lib -j$(nproc)
     make cython
-    make inplace -j8
+    make inplace -j$(nproc)
     make wheel
 
     # install
@@ -344,9 +381,70 @@ You can test your installation by doing the following:
 
 It should print out `Posit8(1.3125)`
 
+## qemu, cross-compilers, gdb
+
+As we are doing POWER ISA, POWER ISA compilers, toolchains and
+emulators are required.
+
+Install powerpc64 gcc:
+
+    apt-get install gcc-9-powerpc64-linux-gnu
+
+Install qemu:
+
+    apt-get install qemu-system-ppc
+
+Install gdb from source.  Obtain the latest tarball, unpack it, then:
+
+    cd gdb-9.1 (or other location)
+    mkdir build
+    cd build
+     ../configure --srcdir=.. --host=x86_64-linux --target=powerpc64-linux-gnu
+    make -j$(nproc)
+    make install
+
+## power_instruction_analyzer (pia)
+
+We have a custom tool built in rust by programmerjake to help analyze
+the power instructions execution on *actual* hardware.
+
+Note: a very recent version of pip3 is required for this to work.
+
+Install rust:
+
+    curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh
+
+Make sure we have the correct and up-to-date rust compiler (rustc):
+
+    rustup default stable
+    rustup update
+
+Use rust's package manager *cargo* to install the rust-python build tool maturin:
+
+    cargo install maturin
+
+Install from git source by doing the following:
+
+    git clone https://salsa.debian.org/Kazan-team/power-instruction-analyzer.git pia
+    cd pia
+    maturin build --cargo-extra-args=--features=python-extension
+    python3 -m pip install --user target/wheels/*.whl
+
+Note: an ongoing bug in maturin interferes with successful installation.  This can be worked around by explicitly installing only the .whl files needed rather than installing everything (*.whl).
+
+## Chips4Makers JTAG
+
+As this is an actual ASIC, we do not rely on an FPGA's JTAG TAP interface, instead require a full complete independent implementation of JTAG. Staf Verhaegen has one, with a full test suite, and it is superb and well-written.  The Libre-SOC version includes DMI (Debug Memory Interface):
+
+    git clone https://git.libre-soc.org/git/c4m-jtag.git/
+
+Included is an IDCODE tap point, Wishbone Master (for direct memory read and write, fully independent of the core), IOPad redirection and testing, and general purpose shift register capability for any custom use.
+
+We added a DMI to JTAG bridge in LibreSOC which is directly connected to the core, to access registers and to be able to start and stop the core and change the PC.  In combination with the JTAG Wishbone interface the test ASIC can have a bootloader uploaded directly into onboard SRAM and execution begun.
+
 ## Coriolis2
 
-See [[coriolis2]] page, for those people doing layout work.
+See [[HDL_workflow/coriolis2]] page, for those people doing layout work.
 
 # Registering for git repository access
 
@@ -361,18 +459,18 @@ account of being public, is perfectly fine to make... err... public.
 
 Create a file ~/.ssh/config with the following lines:
 
-    Host git.libre-riscv.org
+    Host git.libre-soc.org
     Port 922
 
 Wait for the Project Admin to confirm that the ssh key has been added
 to the required repositories.  Once confirmed, you can clone any of the
-repos at http://git.libre-riscv.org:
+repos at https://git.libre-soc.org/:
 
-    git clone gitolite3@git.libre-riscv.org:REPONAME.git
+    git clone gitolite3@git.libre-soc.org:REPONAME.git
 
 Alternatively, the .ssh/config can be skipped and this used:
 
-     git clone ssh://gitolite3@git.libre-riscv.org:922/REPONAME.git
+     git clone ssh://gitolite3@git.libre-soc.org:922/REPONAME.git
 
 # git configuration
 
@@ -399,9 +497,10 @@ if you want it, always ensure that a new git checkout is set up with rebase.
 
 * mkdir ~/src
 * cd !$
-* git clone gitolite3@git.libre-riscv.org:nmutil.git
-* git clone gitolite3@git.libre-riscv.org:ieee754fpu.git
-* git clone gitolite3@git.libre-riscv.org:soc.git
+* git clone gitolite3@git.libre-soc.org:nmutil.git
+* git clone gitolite3@git.libre-soc.org:ieee754fpu.git
+* git clone gitolite3@git.libre-soc.org:nmigen-soc.git
+* git clone gitolite3@git.libre-soc.org:soc.git
 
 In each of these directories, in the order listed, track down the
 setup.py file, then, as root (sudo bash), run the following:
@@ -471,6 +570,12 @@ cover corner cases and take far less time to write
   avoid this kind of thing however pair-programming is difficult to organise
   for remote collaborative libre projects (suggestions welcomed here)
 
+### Enable editor auto-detection of file changes by external programs
+
+This is important.  "git pull" will merge in changes.  If you then
+arbitrarily save a file without re-loading it, you risk destroying
+other people's work.
+
 ### Absolutely no auto-generated output
 
 * **do not commit autogenerated output**. write a shell script and commit
@@ -512,7 +617,7 @@ cover corner cases and take far less time to write
 
 ### Do not break existing code
 
-* keep working code working **at all times**. find ways to ensure that this is the case. examples include writing alternative classes that replace existing functionality and adding runtime optiobs to select between old and new code.
+* keep working code working **at all times**. find ways to ensure that this is the case. examples include writing alternative classes that replace existing functionality and adding runtime options to select between old and new code.
 
 ### Small commits with relevant commit message
 
@@ -539,7 +644,7 @@ and follow up the next day *after* running the full relevant unit tests.
 
 ### Why such strict rules?
 
-the reason for all the above is because python is a weakly typed language.
+the reason for all the above is because python is a dynamically typed language.
 make one tiny change at the base level of the class hierarchy and the
 effect may be disastrous.
 
@@ -605,6 +710,23 @@ than it should be, the reversion process becomes extremely painful.
   causes unnecessary resource utilisation, makes code readability and
   tracking extremely difficult, and results in unintended side-effects.
 
+example: often you want to find the code from which a class was imported.
+nirmally you go to the top of the file, check the imports, and you know
+exactly which file has the class because of the import path.  by using
+wildcards, you have absolutely *no clue* which wildcard imported which
+class or classes.
+
+example: sometimes you may accidentally have duplicate code maintained
+in two or more places.  editing one of them you find, puzzlingly, that
+the code behaves in some files with the old behaviour, but in others it
+works.  after a nassive amount of investigation, you find that the working
+files happen to have a wildcard import of the newer accidental duplicate
+class **after** the wildcard import of the older class with exactly the
+same name.  if you had used explicit imports, you would have spotted
+the double import of the class from two separate locations, immediately.
+
+really.  don't.  use.  wildcards.
+
 ### Keep file and variables short but clear
 
 * try to keep both filenames and variable names short but not ridiculously
@@ -613,6 +735,22 @@ than it should be, the reversion process becomes extremely painful.
   m.d.comb" followed by multiple "comb += nmigen_stmt" lines is a good trick
   that can reduce code indentation by 6 characters without reducing clarity.
 
+Additionally, use comments just above an obtuse variable in order to
+help explain what it is for.  In combination with keeping the the module
+itself short, other readers will not need to scroll back several pages
+in order to understand the code.
+
+Yes it is tempting to actually use the variables as
+self-explanatory-comments and generally this can be extremely good
+practice.  the problem comes when the variable is so long that a function
+with several parameters csn no longer fit on a single line, and takes
+up five to ten lines rather than one or two. at that point, the length
+of the code is adversely affected and thus so is readability by forcing
+readers to scroll through reams of pages.
+
+it is a tricky balance: basically use your common sense, or just ask
+someone else, "can you understand this code?"
+
 ### Reasons for code structure
 
 regarding code structure: we decided to go with small modules that are
@@ -685,6 +823,9 @@ in the xterm window, on which you can base the "commit message".
 
 ## Unit tests
 
+For further reading, see the wikipedia page on
+[Test-driven Development](https://en.wikipedia.org/wiki/Test-driven_development)
+
 This deserves its own special section.  It is extremely important to
 appreciate that without unit tests, python projects are simply unviable.
 Python itself has over 25,000 individual tests.
@@ -717,10 +858,27 @@ However it is appreciated that writing formal proofs is a bit of a
 black art.  This is where team collaboration particularly kicks in,
 so if you need help, ask on the mailing list.
 
+## Don't comment out unit tests: add them first (as failures) and fix code later
+
+Unit tests serve an additional critical purpose of keeping track of code
+that needs to be written.  In many cases, you write the unit test *first*,
+despite knowing full well that the code doesn't even exist or is completely
+broken.  The unit test then serves as a constant and important reminder
+to actually fix (or write) the code.
+
+Therefore, *do not* comment out unit tests just because they "don't work".
+If you absolutely must stop a unit test from running, **do not delete it**.
+Simply mark it with an appropriate
+["skip" decorator](https://docs.python.org/3/library/unittest.html#skipping-tests-and-expected-failures),
+preferably with a link to a URL in the [bugtracker](https://bugs.libre-soc.org/)
+with further details as to why the unit test should not be run.
+
 # TODO Tutorials
 
 Find appropriate tutorials for nmigen and yosys, as well as symbiyosys.
 
+* Robert Baruch's nmigen tutorials look really good:
+  <https://github.com/RobertBaruch/nmigen-tutorial>
 * Although a verilog example this is very useful to do
   <https://symbiyosys.readthedocs.io/en/latest/quickstart.html#first-step-a-simple-bmc-example>
 * This tutorial looks pretty good and will get you started
@@ -730,3 +888,4 @@ Find appropriate tutorials for nmigen and yosys, as well as symbiyosys.
 * There exist several nmigen examples which are also executable
   <https://github.com/m-labs/nmigen/tree/master/examples/> exactly as
   described in the above tutorial (python3 filename.py -h)
+