(no commit message)
[libreriscv.git] / openpower / sv / major_opcode_allocation.mdwn
index eca055141697240acc15551a241ee7d182de3f80..f94733e8391450430f4ca77417ae255706fa8c30 100644 (file)
 # Major Opcode Allocation
 
-SimpleV Prefix, 16-bit Compressed, and SV VBLOCK all require considerable opcode space.  Similar to OpenPOWER v3.1 "prefixes" the key driving difference here is to reduce overall instruction size and thus greatly reduce I-Cache size and thus in turn power consumption.
+SimpleV Prefix, 16-bit Compressed, and SV VBLOCK all require considerable
+opcode space.  Similar to OpenPOWER v3.1 "prefixes" the key driving
+difference here is to reduce overall instruction size and thus greatly
+reduce I-Cache size and thus in turn power consumption.
 
-Consequently rather than settle for a v3.1 32 bit prefix, 8 major opcodes are taken up and given new meanings.  Two options here involve either:
+Consequently rather than settle for a v3.1 32 bit prefix, 8 major opcodes
+are taken up and given new meanings.  Two options here involve either:
 
 * Taking 8 arbitrary unused major opcodes as-is
 * Moving anything in the range 0-7 elsewhere
 
-This **only** in "LibreSOC Mode".  Candidates for moving elsewhere include mulli, twi and tdi.
+This **only** in "LibreSOC Mode".  Candidates for moving elsewhere
+include mulli, twi and tdi.
 
 * 2 opcodes for 16-bit Compressed instructions with 11 bits available
-* 2 opcodes are required in order to give SV-P48 (and SV-C32) the 11 bits needed for prefixing
-* 2 opcodes are likewise required for SV-P64 (and SV-C48) to have 27 bits available
-* 2 opcodes for SV VBLOCK
-
-With only 11 bits for 16-bit Compressed, it may be better to use the opportunity to switch into "16 bit mode".  Interestingly SV-P32 could likewise switch into the same.
+* 2 opcodes are required in order to give SV-P48 the 11 bits needed for prefixing
+* 2 opcodes are likewise required for SV-P64 to have 27 bits available
+* 2 opcodes for SV-C32 and SV-C48 (32 bit versions of P48 and P64)
+
+With only 11 bits for 16-bit Compressed, it may be better to use the
+opportunity to switch into "16 bit mode".  Interestingly SV-C32 could
+likewise switch into the same.
+
+VBLOCK can be added later by using further VSX dedicated major opcodes
+(EXT62, EXT60)
+
+* EXT00 - unused (one instruction: attn)
+* EXT01 - v3.1B prefix
+* EXT02 - twi
+* EXT03 - tdi
+* EXT04 - vector/bcd
+* EXT05 - unused
+* EXT06 - vector
+* EXT07 - mulli
+* EXT09 - reserved
+* EXT17 - unused (2 instructions: sc, scv)
+* EXT22 - reserved sandbox
+* EXT46 - lmw
+* EXT47 - stmw
+* EXT56 - lq
+* EXT57 - vector ld
+* EXT58 - ld (leave ok)
+* EXT59 - FP (leave ok)
+* EXT60 - vector
+* EXT61 - st (leave ok)
+* EXT62 - vector st
+* EXT63 - FP (leave ok)
+
+Potential allocations:
+
+    |  hword 0   | hword1  |  hword2    |  hword 3   |
+    EXT00/01 - C 10bit -> 16bit
+    EXT60/62 - VBLOCK
+    EXT09/17 - SV-C32 and other SV-C
+    EXT06/07 - SV-C32-Swizzle and other SV-C-Swizzle
+    EXT02/03 - SV-P48                
+    EXT04/05 - SV-P64
+    EXT56/57 - Predicated-SV-P48
+    EXT46/47 - Predicated SV-P64
+
+Spare:
+
+* EXT22
+
+## C10/16 FSM
+
+    if EXT == 00/01
+         start @ 10bit
+    if state==10bit:
+         if bit15:
+             next = 16bit
+         else:
+             next = Standard
+    if state==16bit:
+         if bit0 & bit15:
+             insn = C.immediate
+         if ~bit15:
+             if ~bit0:
+                 next = Standard
+             else
+                 next = Standard.then.16bit
+
+## SV-Compressed FSM
+
+    if EXT == 09/17:
+        if bit0:
+             SV.mode = 
+
+# Major opcode map
+
+Table 9: Primary Opcode Map (opcode bits 0:5)
+
+        |  000   |   001 |  010  | 011   |  100  |    101 |  110  |  111
+    000 |        |       |  tdi  | twi   | EXT04 |        |       | mulli | 000
+    001 | subfic |       | cmpli | cmpi  | addic | addic. | addi  | addis | 001
+    010 | bc/l/a | EXT17 | b/l/a | EXT19 | rlwimi| rlwinm |       | rlwnm | 010
+    011 |  ori   | oris  | xori  | xoris | andi. | andis. | EXT30 | EXT31 | 011
+    100 |  lwz   | lwzu  | lbz   | lbzu  | stw   | stwu   | stb   | stbu  | 100
+    101 |  lhz   | lhzu  | lha   | lhau  | sth   | sthu   | lmw   | stmw  | 101
+    110 |  lfs   | lfsu  | lfd   | lfdu  | stfs  | stfsu  | stfd  | stfdu | 110
+    111 |  lq    | EXT57 | EXT58 | EXT59 | EXT60 | EXT61  | EXT62 | EXT63 | 111
+        |  000   |   001 |   010 |  011  |   100 |   101  | 110   |  111
 
 # LE/BE complications.
 
 See <https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=529> for discussion
 
-With the Major Opcode being at the opposite end of the sequential byte order when read from memory in LE mode, a solution which allows 16 and 48 bit instructions to co-exist with 32 bit ones is to look at bytes 2 and 3 *before* looking at 0 and 1.
+With the Major Opcode being at the opposite end of the sequential byte
+order when read from memory in LE mode, a solution which allows 16 and
+48 bit instructions to co-exist with 32 bit ones is to look at bytes 2
+and 3 *before* looking at 0 and 1.
 
 Option 1:
 
-A 16 bit instruction would therefore be in bytes 2 and 3, removed from the instruction stream *ahead* of bytes 0 and 1, which would remain where they were.  The next instruction would repeat the analysis, starting now instead at the *new* byte 2-3.
+A 16 bit instruction would therefore be in bytes 2 and 3, removed from
+the instruction stream *ahead* of bytes 0 and 1, which would remain
+where they were.  The next instruction would repeat the analysis,
+starting now instead at the *new* byte 2-3.
 
-A 48 bit instruction would again use bytes 2 and 3, read the major opcode, and extract bytes 0 thru 5 from the stream.  However the 48 bit instruction would be constructed from bytes 2,3,0,1,4,5.  Again: after these 6 bytes were extracted fron the stream the analysis would begin again for the next instruction at bytes 2 and 3.
+A 48 bit instruction would again use bytes 2 and 3, read the major
+opcode, and extract bytes 0 thru 5 from the stream.  However the 48
+bit instruction would be constructed from bytes 2,3,0,1,4,5.  Again:
+after these 6 bytes were extracted fron the stream the analysis would
+begin again for the next instruction at bytes 2 and 3.
 
 Option 2:
 
-When reading from memory, before handing to the instruction decoder, bytes 0 and 1 are swapped unconditionally with bytes 2 and 3.  Effectively this is near-identical to LE/BE byte-level swapping on a 32-bit block except this time it is half-word (16 bit) swapping on a 32-bit block.
-
-With the Major Opcode then always being in the 1st 2 bytes it becomes much simpler for the pre-analysis phase to determine instruction length, regardless of what that length is (16/32/48/64/VBLOCK).
-
-# 16 bit Compressed
-
-This one is a conundrum.  OpenPOWER ISA was never designed with 16 bit in mind.  VLE was added 10 years ago but only by way of marking an entire 64k page as "VLE".  With no means to mix 32 bit and 16 bit, jumping between the two would have been painful and taken up space.
-
-Here, in order to embed 16 bit into a predominantly 32 bit stream the overhead of using an entire 16 bits just to switch into Compressed mode is itself a significant overhead.  The situation is made worse by 5 bits being taken up by Major Opcode space, leaving only 11 bits to allocate to actual instructions.
-
-In addition we would like to add SV-C32 which is a Vectorised version of 16 bit Compressed, and ideally have a variant that adds the 27-bit prefix format from SV-P64, as well.
+When reading from memory, before handing to the instruction decoder, bytes
+0 and 1 are swapped unconditionally with bytes 2 and 3.  Effectively this
+is near-identical to LE/BE byte-level swapping on a 32-bit block except
+this time it is half-word (16 bit) swapping on a 32-bit block.
 
-Potential ways to reduce pressure on the 16 bit space are:
+With the Major Opcode then always being in the 1st 2 bytes it becomes
+much simpler for the pre-analysis phase to determine instruction length,
+regardless of what that length is (16/32/48/64/VBLOCK).
 
-* To provide "paging".  This involves bank-switching to alternative optimised encodings for specific workloads
-* To enter "16 bit mode" for durations specified at the start
-* To reserve one bit of every 16 bit instruction to indicate that the 16 bit mode is to continue to be sustained
+Option 3:
 
-This latter would be useful in the Vector context to have an alternative meaning: as the bit which determines whether the instruction is 11-bit prefixed or 27-bit prefixed:
+Just as in VLE, require instructions to be in BE order. Data, which has nothing to do with instruction order, may optionally remain in LE order.
 
-    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
-    |major op | 11 bit vector prefix|
-    |16 bit opcode  alt vec. mode ^ |
-    | extra vector prefix if alt set|
+## Why does VLE use a separate 64k page?
 
-Using a major opcode to enter 16 bit mode, leaves 11 bits to find something to use them for:
+VLE requires that the memory page be marked as VLE-encoded.  It also requires rhat the instructions be in BE order even when 32 bit standard opcodes are mixed in.
 
-    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
-    |major op | what to do here   1 |
-    |16 bit    stay in 16bit mode 1 |
-    |16 bit    stay in 16bit mode 1 |
-    |16 bit       exit 16bit mode 0 |
+Questions:
 
-One possibility is that the 11 bits are used for bank selection, with some room for additional context such as altering the registers used for the 16 bit operations (bank selection of which scalar regs)
+* What would happen without the page being marked, when attempting to call ppc64le ABI code?
+* How would ppc64le code in the same page be distinguished from SVPrefix code?
 
-Another is to use the 11 bits for only the utmost commonly used instructions.  That being the case then even one of those 11 bits would also need to be dedicated to saying if 16 bit mode is to be continued.  10 bits remain for actual opcodes!
+The answers are that it is either impossible or that it requires a special mode-switching instruction to be called on entry and exit from functions, transitioning to and from ppc64le mode.
 
-## 10 bit common opcodes exploration
+This transition may be achieved very simply by marking the 64k page.
 
-### Branch
-
-    | 5 6 7 | 8 9 | a b | c d | e  | f |
-    | 0 0 0 |     offs        | LK | 1 | b
-    | 0 0 1 | 01  | BI  | BO  | LK | 1 | bclr
-    | 0 0 1 | 10  | BI  | BO  | LK | 1 | bctar
-    | 0 0 1 | 11  | BI  | BO  | LK | 1 | bctr
-
-* BO[0] enables CR check, BO[1] inverts check
-* BI refers to CR0 only (4 bits of)
-* no Branch Conditional with immediate
-* no Absolute Address
-* no CTR mode
-* offs is to 2 byte (signed) aligbed
-* all branches to 2 byte aligned
-
-### Arithmetic
-
-### Logical
-
-### Floating Point
+# 16 bit Compressed
 
-### Condition Register
+See [[16_bit_compressed]]