(no commit message)
[libreriscv.git] / openpower / sv / cr_int_predication.mdwn
index 33838ff6946a557cc7b847f38465ece4d0af5821..d66dfc507253e0bd5c39750b1c4031b444bb98a6 100644 (file)
@@ -1,19 +1,56 @@
+[[!tag standards]]
+
 # New instructions for CR/INT predication
 
+**DRAFT STATUS**
+
 See:
 
-* <https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=533>
+* main bugreport for crweirds
+  <https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=533>
 * <https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=527>
+* <https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=569>
+* <https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=558#c47>
+
+Rationale:
+
+Condition Registers are conceptually perfect for use as predicate masks,
+the only problem being that typical Vector ISAs have quite comprehensive
+mask-based instructions: set-before-first, popcount and much more.
+In fact many Vector ISAs can use Vectors *as* masks, consequently the
+entire Vector ISA is usually available for use in creating masks (one
+exception being AVX512 which has a dedicated Mask regfile and opcodes).
+Duplication of such operations (popcount etc) is not practical for SV
+given the strategy of leveraging pre-existing Scalar instructions in a
+minimalist way.
+
+With the scalar OpenPOWER v3.0B ISA having already popcnt, cntlz and
+others normally seen in Vector Mask operations it makes sense to allow
+*both* scalar integers *and* CR-Vectors to be predicate masks.  That in
+turn means that much more comprehensive interaction between CRs and scalar
+Integers is required, because with the CR Predication Modes designating
+CR *Fields* (not CR bits) as Predicate Elements, fast transfers between
+CR *Fields* and the Integer Register File is needed.
+
+The opportunity is therefore taken to also augment CR logical arithmetic
+as well, using a mask-based paradigm that takes into consideration
+multiple bits of each CR Field (eq/lt/gt/ov).  By contrast v3.0B Scalar
+CR instructions (crand, crxor) only allow a single bit calculation, and
+both mtcr and mfcr are CR-orientated rather than CR *Field* orientated.
+
+Also strangely there is no v3.0 instruction for directly moving CR Fields,
+only CR *bits*, so that is corrected here with `mcrfm`. The opportunity
+is taken to allow inversion of CR Field bits, when copied.
 
 Basic concept:
 
-* CR-based instructions that perform simple AND/OR/XOR from all four bits
-  of a CR to create a single bit value (0/1) in an integer register
+* CR-based instructions that perform simple AND/OR from any four bits
+  of a CR field to create a single bit value (0/1) in an integer register
 * Inverse of the same, taking a single bit value (0/1) from an integer
-  register to selectively target all four bits of a given CR
+  register to selectively target any four bits of a given CR Field
 * CR-to-CR version of the same, allowing multiple bits to be AND/OR/XORed
   in one hit.
-* Vectorisation of the same
+* Optional Vectorisation of the same when SVP64 is implemented
 
 Purpose:
 
@@ -25,75 +62,390 @@ Purpose:
 
 Side-effects:
 
-* mtcrweird when RA=0 is a means to set or clear arbitrary CR bits from immediates
+* mtcrweird when RA=0 is a means to set or clear arbitrary CR bits
+  using immediates embedded within the instruction.
 
 (Twin) Predication interactions:
 
-* INT twin predication with zeroing is a way to copy an integer into CRs without necessarily needing the INT register (RA).  if it is, it is effectively ANDed (or negate-and-ANDed) with the INT Predicate
-* CR twin predication with zeroing is likewise a way to interact with the incoming integer
+* INT twin predication with zeroing is a way to copy an integer into
+  CRs without necessarily needing the INT register (RA).  if it is, it is
+  effectively ANDed (or negate-and-ANDed) with the INT Predicate
+* CR twin predication with zeroing is likewise a way to interact with
+  the incoming integer
+
+this gets particularly powerful if data-dependent predication is also
+enabled.  further explanation is below.
 
-this gets particularly powerful if data-dependent predication is also enabled.
+# Bit ordering.
+
+Please see [[svp64/appendix]] regarding CR bit ordering and for
+the definition of `CR{n}`
 
 # Instruction form and pseudocode
 
-    | 0-5 | 6-10  | 11 | 12-15 | 16-18 | 19-20 | 21-25   | 26-30   | 31 |
-    | --- | ----  | -- | ----- | ----- | ----- | -----   | -----   | -- |
-    | 19  | RT    |    | mask  | BB    |    /  | XO[0:4] | XO[5:9] | /  |
-    | 19  | RT    | 0  | mask  | BB    |  0 /  | XO[0:4] | 0 mode  | /  |
-    | 19  | RA    | 1  | mask  | BB    |  0 /  | XO[0:4] | 0 mode  | /  |
-    | 19  | BT // | 0  | mask  | BB    |  1 /  | XO[0:4] | 0 mode  | /  |
-    | 19  | BFT   | 1  | mask  | BB    |  1 /  | XO[0:4] | 0 mode  | /  |
+**DRAFT** Instruction format (use of MAJOR 19 not approved by
+OPF ISA WG):
+
+|0-5|6-10 |11|12-15|16-18|19-20|21-25  |26-30  |31|name      |
+|---|---- |--|-----|-----|-----|-----  |-----  |--|----      |
+|19 |RT   |  |mask |BFA  |     |XO[0:4]|XO[5:9]|/ |          |
+|19 |     |  |     |     |     |1 //// |00011  |  |rsvd      |
+|19 |RT   |M |mask |BFA  | 0 0 |1 mode |00011  |Rc|crrweird  |
+|19 |RT   |M |mask |BFA  | 0 1 |1 mode |00011  |Rc|mfcrweird |
+|19 |RA   |M |mask |BF   | 0 0 |0 mode |00011  |1 |mtcrrweird |
+|19 |RA   |M |mask |BF   | 0 1 |0 mode |00011  |0 |mtcrweird |
+|19 |BT   |M |mask |BFA  | 0 1 |0 mode |00011  |1 |crweirder |
+|19 |BF //|M |mask |BFA  | 1 1 |0 mode |00011  |0 |crweird   |
+|19 |BF //|M |mask |BFA  | 1 1 |0 mode |00011  |1 |mcrfm     |
+
+**crrweird**
+
+mode is encoded in XO and is 4 bits
+
+bit 19=0, bit 20=0
+
+    crrweird: RT, BFA, M, mask.mode
+
+    creg = CR{BFA}
+    n0 = mask[0] & (mode[0] == creg[0])
+    n1 = mask[1] & (mode[1] == creg[1])
+    n2 = mask[2] & (mode[2] == creg[2])
+    n3 = mask[3] & (mode[3] == creg[3])
+    result = n0|n1|n2|n3 if M else n0&n1&n2&n3
+    RT[63] = result # MSB0 numbering, 63 is LSB
+    If Rc:
+        CR0 = analyse(RT)
+
+When used with SVP64 Prefixing this is a [[openpower/sv/normal]]
+SVP64 type operation and as such can use Rc=1 and RC1 Data-dependent
+Mode capability
+
+Also as noted below, element-width override bits normally used
+on the source is instead used to allow multiple results to be packed
+sequentially into the destination. *Destination elwidth overrides still apply*.
+
+**mfcrrweird**
 
 mode is encoded in XO and is 4 bits
 
-bit 11=0, bit 19=0
+bit 19=0, bit 20=0
 
-    crrweird: RT, BB, mask.mode
+    mfcrrweird: RT, BFA, mask.mode
 
-    creg = CRfile[32+BB*4:36+BB*4]
+    creg = CR{BFA}
     n0 = mask[0] & (mode[0] == creg[0])
     n1 = mask[1] & (mode[1] == creg[1])
     n2 = mask[2] & (mode[2] == creg[2])
     n3 = mask[3] & (mode[3] == creg[3])
-    RT[0] = n0|n1|n2|n3
+    result = n0||n1||n2||n3
+    RT[60:63] = result # MSB0 numbering, 63 is LSB
+    If Rc:
+        CR0 = analyse(RT)
+
+When used with SVP64 Prefixing this is a [[openpower/sv/normal]]
+SVP64 type operation and as such can use Rc=1 and RC1 Data-dependent
+Mode capability.
+
+Also as noted below, element-width override bits normally used
+on the source is instead used to allow multiple results to be packed
+into the destination.  *Destination elwidth overrides still apply*
+
+**mtcrrweird**
+
+mode is encoded in XO and is 4 bits
+
+bit 19=0, bit 20=0
 
-bit 11=1, bit 19=0
+    mtcrrweird: BF, RA, M, mask.mode
 
-    mtcrweird: RA, BB, mask.mode
+    n0 = mask[0] & (mode[0] == RA[63])
+    n1 = mask[1] & (mode[1] == RA[62])
+    n2 = mask[2] & (mode[2] == RA[61])
+    n3 = mask[3] & (mode[3] == RA[60])
+    result = n0 || n1 || n2 || n3
+    if M:
+        result |= CR{BF} & ~mask
+    CR{BF} = result
+
+When used with SVP64 Prefixing this is a [[openpower/sv/normal]]
+SVP64 type operation and as such can use RC1 Data-dependent
+Mode capability
+
+**mtcrweird**
+
+bit 19=0, bit 20=1
+
+    mtcrweird: BF, RA, M, mask.mode
 
     reg = (RA|0)
-    n0 = mask[0] & (mode[0] == reg[0])
-    n1 = mask[1] & (mode[1] == reg[0])
-    n2 = mask[2] & (mode[2] == reg[0])
-    n3 = mask[3] & (mode[3] == reg[0])
-    CRfile[32+BB*4:36+BB*4] = n0 || n1 || n2 || n3
+    lsb = reg[63] # MSB0 numbering
+    n0 = mask[0] & (mode[0] == lsb)
+    n1 = mask[1] & (mode[1] == lsb)
+    n2 = mask[2] & (mode[2] == lsb)
+    n3 = mask[3] & (mode[3] == lsb)
+    result = n0 || n1 || n2 || n3
+    if M:
+        result |= CR{BF} & ~mask
+    CR{BF} = result
+
+Note that when M=1 this operation is a Read-Modify-Write on the CR Field
+BF. Masked-out bits of the 4-bit CR Field BF will not be changed when
+M=1. Correspondingly when M=0 this operation is an overwrite: no read
+of BF is required because the masked-out bits of the BF CR Field are
+set to zero.
 
-bit 11=0, bit 19=1
+When used with SVP64 Prefixing this is a [[openpower/sv/cr_ops]] SVP64
+type operation that has 3-bit Data-dependent and 3-bit Predicate-result
+capability (BF is 3 bits)
 
-    crweird: BT, BB, mask.mode
+**crweird**
 
-    creg = CRfile[32+BB*4:36+BB*4]
+bit 19=1, bit 20=0, bit 30=0
+
+    crweird: BF, BFA, M, mask.mode
+
+    creg = CR{BFA}
     n0 = mask[0] & (mode[0] == creg[0])
     n1 = mask[1] & (mode[1] == creg[1])
     n2 = mask[2] & (mode[2] == creg[2])
     n3 = mask[3] & (mode[3] == creg[3])
-    CRfile[32+BT*4:36+BT*4] = n0 || n1 || n2 || n3
+    result = n0 || n1 || n2 || n3
+    if M:
+        result |= CR{BF} & ~mask
+    CR{BF} = result
+
+Note that when M=1 this operation is a Read-Modify-Write on the CR Field
+BF. Masked-out bits of the 4-bit CR Field BF will not be changed when
+M=1. Correspondingly when M=0 this operation is an overwrite: no read
+of BF is required because the masked-out bits of the BF CR Field are
+set to zero.
+
+When used with SVP64 Prefixing this is a [[openpower/sv/cr_ops]] SVP64
+type operation that has 3-bit Data-dependent and 3-bit Predicate-result
+capability (BF is 3 bits)
 
-bit 11=1, bit 19=1
+**mcrfm** - Move CR Field, masked.
 
-    crweirder: BFT, BB, mask.mode
+bit 19=1, bit 20=0, bit 30=1
 
-    creg = CRfile[32+BB*4:36+BB*4]
+    mcrfm: BF, BFA, M, mask.mode
+
+    result = mask & CR{BFA}
+    if M:
+        result |= CR{BF} & ~mask
+    result ^= mode
+    CR{BF} = result
+
+Note that when M=1 this operation is a Read-Modify-Write on the CR Field
+BF. Masked-out bits of the 4-bit CR Field BF will not be changed when
+M=1. Correspondingly when M=0 this operation is an overwrite: no read
+of BF is required because the masked-out bits of the BF CR Field are
+set to zero.
+
+When used with SVP64 Prefixing this is a [[openpower/sv/cr_ops]] SVP64
+type operation that has 3-bit Data-dependent and 3-bit Predicate-result
+capability (BF is 3 bits)
+
+*Programmer's note: `mode` being XORed onto the result provides
+considerable flexibility. individual bits of BFA may be copied inverted
+to BF by ensuring that `mask` and `mode` have the same bit set.  Also,
+individual bits in BF may be set to 1 by ensuring that the required bit of
+`mask` is set to zero and the same bit in `mode` is set to 1*
+
+**crweirder**
+
+bit 19=1, bit 20=1
+
+    crweirder: BT, BFA, mask.mode
+
+    creg = CR{BFA}
     n0 = mask[0] & (mode[0] == creg[0])
     n1 = mask[1] & (mode[1] == creg[1])
     n2 = mask[2] & (mode[2] == creg[2])
     n3 = mask[3] & (mode[3] == creg[3])
-    CRfile[32+BFT] = n0|n1|n2|n3
+    BF = BT[2:4] # select CR
+    bit = BT[0:1] # select bit of CR
+    result = n0|n1|n2|n3 if M else n0&n1&n2&n3
+    CR{BF}[bit] = result
+
+When used with SVP64 Prefixing this is a [[openpower/sv/cr_ops]] SVP64
+type operation that has 5-bit Data-dependent and 5-bit Predicate-result
+capability (BFT is 5 bits)
+
+**Example Pseudo-ops:**
+
+    mtcri BF, mode    mtcrweird BF, r0, 0, 0b1111.~mode
+    mtcrset BF, mask  mtcrweird BF, r0, 1, mask.0b0000
+    mtcrclr BF, mask  mtcrweird BF, r0, 1, mask.0b1111
+
+# Vectorised versions
+
+The name "weird" refers to a minor violation of SV rules when it comes
+to deriving the Vectorised versions of these instructions.
+
+Normally the progression of the SV for-loop would move on to the
+next register.  Instead however in the scalar case these instructions
+**remain in the same register** and insert or transfer between **bits**
+of the scalar integer source or destination.
+
+Further useful violation of the normal SV Elwidth override rules allows
+for packing (or unpacking) of multiple CR test results into (or out of)
+an Integer Element. Note that the CR (source operand) elwidth field is
+utilised to determine the bit- packing size (1/2/4/8 with remaining
+bits within the Integer element set to zero) whilst the INT (dest
+operand) elwidth field still sets the Integer element size as usual
+(8/16/32/default)
+
+**crrweird: RT, BB, mask.mode**
+
+    for i in range(VL):
+        if BB.isvec:
+            creg = CR{BB+i}
+        else:
+            creg = CR{BB}
+        n0 = mask[0] & (mode[0] == creg[0])
+        n1 = mask[1] & (mode[1] == creg[1])
+        n2 = mask[2] & (mode[2] == creg[2])
+        n3 = mask[3] & (mode[3] == creg[3])
+        # OR or AND to a single bit
+        result = n0|n1|n2|n3 if M else n0&n1&n2&n3
+        if RT.isvec:
+            # TODO: RT.elwidth override to be also added here
+            # note, yes, really, the CR's elwidth field determines
+            # the bit-packing into the INT!
+            if BB.elwidth == 0b00:
+                # pack 1 result into 64-bit registers
+                iregs[RT+i][0..62] = 0
+                iregs[RT+i][63] = result # sets LSB to result
+            if BB.elwidth == 0b01:
+                # pack 2 results sequentially into INT registers
+                iregs[RT+i//2][0..61] = 0
+                iregs[RT+i//2][63-(i%2)] = result
+            if BB.elwidth == 0b10:
+                # pack 4 results sequentially into INT registers
+                iregs[RT+i//4][0..59] = 0
+                iregs[RT+i//4][63-(i%4)] = result
+            if BB.elwidth == 0b11:
+                # pack 8 results sequentially into INT registers
+                iregs[RT+i//8][0..55] = 0
+                iregs[RT+i//8][63-(i%8)] = result
+        else:
+            iregs[RT][63-i] = result # results also in scalar INT
+
+Note that:
+
+* in the scalar case the CR-Vector assessment
+  is stored bit-wise starting at the LSB of the
+   destination scalar INT
+* in the INT-vector case the results are packed into LSBs
+  of the INT Elements, the packing arrangement depending on both
+  elwidth override settings.
+
+**mfcrrweird: RT, BFA, mask.mode**
+
+Unlike `crrweird` the results are 4-bit wide, so the packing
+will begin to spill over to other destination elements.  8 results per
+destination at 4-bits each still fits into destination elwidth at 32-bit,
+but for 16-bit and 8-bit obviously this does not fit, and must split
+across to the next element
+
+When for example destination elwidth is 16-bit (0b10) the following packing
+occurs:
+
+- SVRM bits 6:7 equal to 0b00 - one 4-bit result element packed into the
+  first 4-bits of the 16-bit destination element (in the first 4 LSBs)
+- SVRM bits 6:7 equal to 0b01 - two 4-bit result elements packed into the
+  first 8-bits of the 16-bit destination element (in the first 8 LSBs)
+- SVRM bits 6:7 equal to 0b10 - four 4-bit result elements packed into each
+  16-bit destination element
+- SVRM bits 6:7 equal to 0b11 - eight 4-bit result elements, the first four
+  of which are packed into the first 16-bit destination element, the
+  second four of which are packed into the second 16-bit destination element.
+
+Pseudocode example: note that dest elwidth overrides affect the
+packing of results. BB.elwidth in effect requests how many 4-bit
+result elements would like to be packed, but RT.elwidth determines
+the limit. Any parts of the destination elements not containing
+results are set to zero.
+
+    for i in range(VL):
+        if BB.isvec:
+            creg = CR{BB+i}
+        else:
+            creg = CR{BB}
+        n0 = mask[0] & (mode[0] == creg[0])
+        n1 = mask[1] & (mode[1] == creg[1])
+        n2 = mask[2] & (mode[2] == creg[2])
+        n3 = mask[3] & (mode[3] == creg[3])
+        result = n0||n1||n2||n3 # 4-bit result
+        if RT.isvec:
+            # RT.elwidth override can affect the packing
+            bwid = {0b00:64, 0b01:8, 0b10:16, 0b11:32}[RT.elwidth]
+            t4, t8 = min(4, bwid//2), min(8, bwid//2)
+            # yes, really, the CR's elwidth field determines
+            # the bit-packing into the INT!
+            if BB.elwidth == 0b00:
+                # pack 1 result into 64-bit registers
+                idx, boff = i, 0
+            if BB.elwidth == 0b01:
+                # pack 2 results sequentially into INT registers
+                idx, boff = i//2, i%2
+            if BB.elwidth == 0b10:
+                # pack 4 results sequentially into INT registers
+                idx, boff = i//t4, i%t4
+            if BB.elwidth == 0b11:
+                # pack 8 results sequentially into INT registers
+                idx, boff = i//t8, i%t8
+        else:
+            # exceeding VL=16 is UNDEFINED
+            idx, boff = 0, i
+        iregs[RT+idx][60-boff*4:63-boff*4] = result
+
+
+
+# v3.1 setbc instructions
+
+There are additional setb conditional instructions in v3.1 (p129)
+
+    RT = (CR[BI] == 1) ? 1 : 0
+
+which also negate that, and also return -1 / 0.  these are similar to
+crweird but not the same purpose.  most notable is that crweird acts on
+CR fields rather than the entire 32 bit CR.
+
+# Predication Examples
+
+Take the following example:
+
+    r10 = 0b00010
+    sv.mtcrweird/dm=r10/dz cr8.v, 0, 0b0011.0000
+
+Here, RA is zero, so the source input is zero. The destination is CR Field
+8, and the destination predicate mask indicates to target the first two
+elements.  Destination predicate zeroing is enabled, and the destination
+predicate is only set in the 2nd bit.  mask is 0b0011, mode is all zeros.
+
+Let us first consider what should go into element 0 (CR Field 8):
+
+* The destination predicate bit is zero, and zeroing is enabled.
+* Therefore, what is in the source is irrelevant: the result must
+  be zero.
+* Therefore all four bits of CR Field 8 are therefore set to zero.
 
-Pseudo-op:
+Now the second element, CR Field 9 (CR9):
 
-    mtcri BB, mode    mtcrweird r0, BB, 0b1111.~mode
-    mtcrset BB, mask  mtcrweird r0, BB, mask.0b0000
-    mtcrclr BB, mask  mtcrweird r0, BB, mask.0b1111
+* Bit 2 of the destination predicate, r10, is 1. Therefore the computation
+  of the result is relevant.
+* RA is zero therefore bit 2 is zero.  mask is 0b0011 and mode is 0b0000
+* When calculating n0 thru n3 we get n0=1, n1=2, n2=0, n3=0
+* Therefore, CR9 is set (using LSB0 ordering) to 0b0011, i.e. to mask.
 
+It should be clear that this instruction uses bits of the integer
+predicate to decide whether to set CR Fields to `(mask & ~mode)` or
+to zero.  Thus, in effect, it is the integer predicate that has been
+copied into the CR Fields.
 
+By using twin predication, zeroing, and inversion (sm=~r3, dm=r10) for
+example, it becomes possible to combine two Integers together in order
+to set bits in CR Fields.  Likewise there are dozens of ways that CR
+Predicates can be used, on the same sv.mtcrweird instruction.