(no commit message)
[libreriscv.git] / openpower / sv / svp_rewrite / svp64.mdwn
index c7ec9839526caad5e5fc686ebf59c2be2438fed6..071349985cb95cb83a5c0a16e6b9dcc30c29be51 100644 (file)
@@ -20,15 +20,65 @@ For the new fields added in SVP64, instructions that have any of their
 fields set to a reserved value must cause an illegal instruction trap,
 to allow emulation of future instruction sets.
 
-This is unlike OpenPower ISA v3.1, which in many instances does not require a trap.
+This is unlike OpenPower ISA v3.1, which in many instances does not require a trap if reserved fields are nonzero.
 
 # Identity Behaviour
 
-SVP64 is designed so that when the prefix is all zeros, no effect or
+SVP64 is designed so that when the prefix is all zeros, and
+ VL=1, no effect or
 influence occurs (no augmentation) such that all standard OpenPOWER
-v3.0/1B instructions are "unaltered". This is termed `scalar identity behaviour` (based on the mathematical definition for "identity", as in, "identity matrix" or better "identity transformation").
+v3.0/1B instructions covered by the prefix are "unaltered". This is termed `scalar identity behaviour` (based on the mathematical definition for "identity", as in, "identity matrix" or better "identity transformation").
 
-Note that this is completely different from when VL=0.  VL=0 turns all operations under its influence into `nops`, whereas when VL=1 and the SV prefix is all zeros, the operation simply acts as if SV had not been applied at all to the instruction  (an "identity operation").
+Note that this is completely different from when VL=0.  VL=0 turns all operations under its influence into `nops` (regardless of the prefix)
+ whereas when VL=1 and the SV prefix is all zeros, the operation simply acts as if SV had not been applied at all to the instruction  (an "identity operation").
+
+# XER, SO and other global flags
+
+Vector systems are expected to be high performance.  This is achieved
+through parallelism, which requires that elements in the vector be
+independent.  XER SO and other global "accumulation" flags (CR.OV) cause
+Read-Write Hazards on single-bit global resources, having a significant
+detrimental adverse effect.
+
+Consequently in SV, XER.SO and CR.OV behaviour is disregarded.  XER is
+simply neither read nor written.  This includes when `scalar identity behaviour` occurs.  If OpenPOWER v3.0/1 scalar behaviour is desired then OpenPOWER v3.0/1 instructions should be used, not SV Prefixed ones.
+
+An interesting side-effect of this decision is that the OE flag is now free for other uses when SV Prefixing is used.
+
+# Additional instructions: v3.0B/v3.1B overrides
+
+SV is primarily designed for use as an efficient hybrid 3D GPU / VPU / CPU ISA.
+
+As mentioned above, OE=1 is not applicable in SV, freeing this bit for alternative uses.  Additionally, Vectorisation of the VSX SIMD system likewise makes no sense whatsoever: SV replaces VSX and provides, at the very minimum, predication (which VSX was not designed to incorporate).  Thus all VSX Major Opcodes - all of them - are "unused" and raise illegal instruction exceptions in SV Prefix Mode.
+
+This leaves several Major Opcodes free for use by SV to fit alternative instructions: Vector Product, Vector Normalise, [[sv/mv.swizzle]], Texture LD/ST operations, and others critical to an efficient, effective 3D GPU and VPU ISA, and included as standard in other commercially-successful GPU ISAs.
+
+# Register Naming and size
+
+SV Registers are simply the INT, FP and CR register files extended
+linearly to larger sizes; SV Vectorisation iterates sequentially through these registers.
+
+Where the integer regfile in standard scalar
+OpenPOWER v3.0B/v3.1B is r0 to r31, SV extends this as r0 to r127.
+Likewise FP registers are extended to 128 (fp0 to fp127), and CRs are
+extended to 64 entries, CR0 thru CR63.
+
+The names of the registers therefore reflects a simple linear extension
+of the OpenPOWER v3.0B / v3.1B register naming, and in hardware this
+would be reflected by a linear increase in the size of the underlying
+SRAM used for the regfiles.
+
+Note: when an EXTRA field (defined below) is zero, SV is deliberately designed
+so that the register fields are identical to as if SV was not in effect
+i.e. under these circumstances (EXTRA=0) the register field names RA,
+RB etc. are interpreted and treated as v3.0B / v3.1B scalar registers.  This is part of
+`scalar identity behaviour` described above.
+
+## Future expansion.
+
+With the way that EXTRA fields are defined and applied to register fields,
+future versions of SV may involve 256 or greater registers.  To accommodate 256 registers, numbering of Vectors will simply shift up by one bit, without
+requiring additional prefix bits.  Backwards binary compatibility may be achieved with a PCR bit (Program Compatibility Register).  Beyond this, further discussion is out of scope for this version of svp64.
 
 # Remapped Encoding (`RM[0:23]`)
 
@@ -46,7 +96,7 @@ is defined in the Prefix Fields section.
 (shows both PowerISA v3.1 instructions as well as new SVP instructions; empty spaces are yet-to-be-allocated Illegal Instructions)
 
 | 6:11 | ---000 | ---001 | ---010 | ---011 | ---100 | ---101 | ---110 | ---111 |
-| ---- | ------ | ------ | ------ | ------ | ------ | ------ | ------ | ------ |
+|------|--------|--------|--------|--------|--------|--------|--------|--------|
 |000---| 8LS    | 8LS    | 8LS    | 8LS    | 8LS    | 8LS    | 8LS    | 8LS    |
 |001---|        |        |        |        |        |        |        |        |
 |010---| 8RR    |        |        |        | `SVP64`| `SVP64`| `SVP64`| `SVP64`|
@@ -58,14 +108,14 @@ is defined in the Prefix Fields section.
 
 ## Prefix Fields
 
-| Prefix Field Name   | Field   | Value | Description                                |
-|---------------------|---------|-------|--------------------------------------------|
-| PO (Primary Opcode) | `0:5`   | `1`   | Indicates this is Prefixed 64-bit   |
-| `RM[0]`             | `6`     |       | Bit 0 of the Remapped Encoding     |
-| SVP64_7             | `7`     | `1`   | Indicates this is SVP64       |
-| `RM[1]`             | `8`     |       | Bit 1 of the Remapped Encoding    |
-| SVP64_9             | `9`     | `1`   | Indicates this is SVP64       |
-| `RM[2:23]`          | `10:31` |       | Bits 2-23 of the Remapped Encoding |
+| Name       | Bits    | Value | Description                    |
+|------------|---------|-------|--------------------------------|
+| EXT01      | `0:5`   | `1`   | Indicates Prefixed 64-bit      |
+| `RM[0]`    | `6`     |       | Bit 0 of Remapped Encoding     |
+| SVP64_7    | `7`     | `1`   | Indicates this is SVP64        |
+| `RM[1]`    | `8`     |       | Bit 1 of Remapped Encoding     |
+| SVP64_9    | `9`     | `1`   | Indicates this is SVP64        |
+| `RM[2:23]` | `10:31` |       | Bits 2-23 of Remapped Encoding |
 
 
 # Remapped Encoding Fields
@@ -84,50 +134,53 @@ is based on whether the number of src operands is 2 or 3.
 
 ## RM-1P-3S1D
 
-| Field Name | Field bits | Description                                     |
-|------------|------------|------------------------------------------------|
-| MASK\_KIND  | `0`        | Execution Mask Kind                             |
-| MASK       | `1:3`      | Execution Mask                                  |
-| ELWIDTH    | `4:5`      | Element Width                                    |
-| SUBVL      | `6:7`      | Sub-vector length                               |
-| Rdest\_EXTRA2 | `8:9`   | extra bits for Rdest (R\*\_EXTRA2 Encoding)   |
-| Rsrc1\_EXTRA2 | `10:11` | extra bits for Rsrc1 (R\*\_EXTRA2 Encoding)   |
-| Rsrc2\_EXTRA2 | `12:13` | extra bits for Rsrc2 (R\*\_EXTRA2 Encoding)   |
-| Rsrc3\_EXTRA2 | `14:15` | extra bits for Rsrc3 (R\*\_EXTRA2 Encoding|
-| reserved     | `16`    | reserved     |
-| MODE         | `19:23`    | changes Vector behaviour                       |
+| Field Name | Field bits | Description                            |
+|------------|------------|----------------------------------------|
+| MASK\_KIND    | `0`        | Execution Mask Kind                 |
+| MASK          | `1:3`      | Execution Mask                      |
+| ELWIDTH       | `4:5`      | Element Width                       |
+| SUBVL         | `6:7`      | Sub-vector length                   |
+| Rdest\_EXTRA2 | `8:9`   | extends Rdest (R\*\_EXTRA2 Encoding)   |
+| Rsrc1\_EXTRA2 | `10:11` | extends Rsrc1 (R\*\_EXTRA2 Encoding)   |
+| Rsrc2\_EXTRA2 | `12:13` | extends Rsrc2 (R\*\_EXTRA2 Encoding)   |
+| Rsrc3\_EXTRA2 | `14:15` | extends Rsrc3 (R\*\_EXTRA2 Encoding)   |
+| reserved      | `16`    | reserved                               |
+| MODE          | `19:23` | changes Vector behaviour               |
 
 ## RM-1P-2S1D
 
-| Field Name | Field bits | Description                                     |
-|------------|------------|------------------------------------------------|
-| MASK\_KIND  | `0`        | Execution Mask Kind                             |
-| MASK       | `1:3`      | Execution Mask                                  |
-| ELWIDTH    | `4:5`      | Element Width                                    |
-| SUBVL      | `6:7`      | Sub-vector length                     |
-| Rdest\_EXTRA3 | `8:10`  | extra bits for Rdest (Uses R\*\_EXTRA3 Encoding) |
-| Rsrc1\_EXTRA3 | `11:13` | extra bits for Rsrc1 (Uses R\*\_EXTRA3 Encoding) |
-| Rsrc2\_EXTRA3 | `14:16` | extra bits for Rsrc3 (Uses R\*\_EXTRA3 Encoding) |
-| MODE         | `19:23`    | changes Vector behaviour                       |
+| Field Name | Field bits | Description                               |
+|------------|------------|-------------------------------------------|
+| MASK\_KIND    | `0`     | Execution Mask Kind                       |
+| MASK          | `1:3`   | Execution Mask                            |
+| ELWIDTH       | `4:5`   | Element Width                             |
+| SUBVL         | `6:7`   | Sub-vector length                         |
+| Rdest\_EXTRA3 | `8:10`  | extends Rdest  |
+| Rsrc1\_EXTRA3 | `11:13` | extends Rsrc1  |
+| Rsrc2\_EXTRA3 | `14:16` | extends Rsrc3    |
+| ELWIDTH_SRC   | `17:18` | Element Width for Source      |
+| MODE          | `19:23` | changes Vector behaviour                  |
 
 These are for 2 operand 1 dest instructions, such as `add RT, RA,
-RB`. However also included are unusual instructions with the same src
-and dest, such as `rlwinmi`.
+RB`. However also included are unusual instructions with an implicit dest
+that is identical to its src reg, such as `rlwinmi`.
 
-Normally, the scalar v3.0B ISA would not have sufficient bits to allow
+Normally, with instructions such as `rlwinmi`, the scalar v3.0B ISA would not have sufficient bit fields to allow
 an alternative destination.  With SV however this becomes possible.
 Therefore, the fact that the dest is implicitly also a src should not
 mislead: due to the *prefix* they are different SV regs.
 
-* `rlwimi RA, RS, ...` 
+* `rlwimi RA, RS, ...`
 * Rsrc1_EXTRA3 applies to RS as the first src
 * Rsrc2_EXTRA3 applies to RA as the secomd src
 * Rdest_EXTRA3 applies to RA to create an **independent** dest.
 
-Otherwise the normal SV hardware for-loop applies.  The three registers
-each may be independently made vector or scalar, and may independently
+With the addition of the EXTRA bits, the three registers
+each may be *independently* made vector or scalar, and be independently
 augmented to 7 bits in length.
 
+Note that if ELWIDTH != ELWIDTH_SRC this may result in reduced performance or increased latency in some implementations due to lane-crossing. 
+
 ## RM-2P-1S1D
 
 | Field Name | Field bits | Description                                 |
@@ -136,15 +189,13 @@ augmented to 7 bits in length.
 | MASK       | `1:3`      | Execution Mask                               |
 | ELWIDTH    | `4:5`      | Element Width                                |
 | SUBVL      | `6:7`      | Sub-vector length                           |
-| Rdest_EXTRA3 | `8:10`     | extra bits for Rdest                     |
-| Rsrc1_EXTRA3 | `11:13`    | extra bits for Rsrc1                      |
+| Rdest_EXTRA3 | `8:10`     | extends Rdest                     |
+| Rsrc1_EXTRA3 | `11:13`    | extends Rsrc1                      |
 | MASK_SRC     | `14:16`    | Execution Mask for Source     |
 | ELWIDTH_SRC  | `17:18`    | Element Width for Source      |
 | MODE         | `19:23`    | changes Vector behaviour                       |
 
-note in [[discussion]]: TODO, evaluate if 2nd SUBVL should be added.
-conclusion: no.  2nd SUBVL makes no sense except for mv, and that is
-covered by [[mv.vec]]
+Note that if ELWIDTH != ELWIDTH_SRC this may result in reduced performance or increased latency in some implementations due to lane-crossing. 
 
 ## RM-2P-2S1D/1S2D
 
@@ -159,9 +210,9 @@ RM-2P-2S1D:
 | MASK       | `1:3`      | Execution Mask                               |
 | ELWIDTH    | `4:5`      | Element Width                                |
 | SUBVL      | `6:7`      | Sub-vector length                           |
-| Rdest_EXTRA2 | `8:9`   | extra bits for Rdest (R\*\_EXTRA2 Encoding)   |
-| Rsrc1_EXTRA2 | `10:11` | extra bits for Rsrc1 (R\*\_EXTRA2 Encoding)   |
-| Rsrc2_EXTRA2 | `12:13` | extra bits for Rsrc2 (R\*\_EXTRA2 Encoding)   |
+| Rdest_EXTRA2 | `8:9`   | extends Rdest (R\*\_EXTRA2 Encoding)   |
+| Rsrc1_EXTRA2 | `10:11` | extends Rsrc1 (R\*\_EXTRA2 Encoding)   |
+| Rsrc2_EXTRA2 | `12:13` | extends Rsrc2 (R\*\_EXTRA2 Encoding)   |
 | MASK_SRC     | `14:16`    | Execution Mask for Source     |
 | ELWIDTH_SRC  | `17:18`    | Element Width for Source      |
 | MODE         | `19:23`    | changes Vector behaviour                       |
@@ -174,6 +225,7 @@ Note also that LD with update indexed, which takes 2 src and 2 dest
 Twin Predication.  therefore these are treated as RM-2P-2S1D and the
 src spec for RA is also used for the same RA as a dest.
 
+Note that if ELWIDTH != ELWIDTH_SRC this may result in reduced performance or increased latency in some implementations due to lane-crossing. 
 
 # Mode
 
@@ -181,20 +233,24 @@ Mode is an augmentation of SV behaviour.  Some of these alterations are element-
 
 These are the modes:
 
-
-
 * **normal** mode is straight vectorisation.  no augmentations: the vector comprises an array of independently created results.
 * **ffirst** or data-dependent fail-on-first: see separate section.  the vector may be truncated depending on certain criteria.
-* **sat mode** or saturation: clamps each elemrnt result to a min/max rather than overflows / wraps.  allows signed and unsigned clamping.
-* **reduce mode**.  when M=1 a mapreduce is performed.  the result is a scalar.  a vector however is required, as it may be used to store intermediary computations.  the result is in the first element with a nonzero predicate bit.
-  note that reduce mode only applies to 2 src operations.
-* **pred-result** will test the result (CR testing selects a bit of CR and inverts it, just like branch testing) and if the test fails it is as if the predicate bit was zero.  When Rc=1 the CR element (CR0) however is still stored in the CR regfile.  This scheme does not apply to crops (crand, cror).
+  *VL is altered as a result*.
+* **sat mode** or saturation: clamps each elemrnt result to a min/max rather than overflows / wraps.  allows signed and unsigned clamping. 
+* **reduce mode**. a mapreduce is performed.  the result is a scalar.  a result vector however is required, as the upper elements may be used to store intermediary computations.  the result of the mapreduce is in the first element with a nonzero predicate bit.  see separate section below.
+  note that there are comprehensive caveats when using this mode.
+* **pred-result** will test the result (CR testing selects a bit of CR and inverts it, just like branch testing) and if the test fails it is as if the predicate bit was zero.  When Rc=1 the CR element however is still stored in the CR regfile, even if the test failed.  This scheme does not apply to crops (crand, cror).  See appendix for details.
+
+Note that ffirst and reduce modes are not anticipated to be high-performance in some implementations.  ffirst due to interactions with VL, and reduce due to it requiring additional operations to produce a result.  normal, saturate and pred-result are however independent and may easily be parallelised to give high performance, regardless of the value of VL.
+
+The Mode table is laid out as follows:
 
 | 0-1 |  2  |  3   4  |  description              |
 | --- | --- |---------|-------------------------- |
-| 00  |   0 |  sz  dz | normal mode              |
-| 00  |   1 |  sz CRM | reduce mode (mapreduce) |
-| 01  | inv | CR-bit  | Rc=1: ffirst CR sel |
+| 00  |   0 |  sz  dz | normal mode                      |
+| 00  |   1 | sz CRM  | reduce mode (mapreduce), SUBVL=1 |
+| 00  |   1 | SVM CRM | subvector reduce mode, SUBVL>1   |
+| 01  | inv | CR-bit  | Rc=1: ffirst CR sel              |
 | 01  | inv | sz   dz |  Rc=0: ffirst z/nonz |
 | 10  |   N | sz   dz |  sat mode: N=0/1 u/s |
 | 11  | inv | CR-bit  |  Rc=1: pred-result CR sel |
@@ -204,59 +260,17 @@ Fields:
 
 * **sz / dz**  if predication is enabled will put zeros into the dest (or as src in the case of twin pred) when the predicate bit is zero.  otherwise the element is ignored or skipped, depending on context.
 * **inv CR bit** just as in branches (BO) these bits allow testing of a CR bit and whether it is set (inv=0) or unset (inv=1)
+* **CRM** affects the CR on reduce mode when Rc=1
+* **SVM** sets "subvector" reduce mode
+* **N** sets signed/unsigned saturation.
 
-## Notes about rounding, clamp and saturate
-
-When N=0 the result is saturated to within the maximum range of an unsigned value.  For integer ops this will be 0 to 2^elwidth-1. Similar logic applies to FP operations, with the result being saturated to maximum rather than returning INF.
-
-When N=1 the same occurs except that the result is saturated to the min or max of a signed result.
-
-One of the issues with vector ops is that in integer DSP ops for example in Audio the operation must clamp or saturate rather than overflow or ignore the upper bits and become a modulo operation.  This for Audio is extremely important, also to provide an indicator as to whether saturation occurred.  see  [[av_opcodes]].
-
-
-## Notes about reduce mode
-
-1. limited to single predicated dual src operations (add RT, RA, RB) and to triple source operations where one of the inputs is set to a scalar (these are rare)
-2. limited to operations that make sense.  divide is excluded, as is subtract (X - Y - Z produces different answers depending on the order).  sane operations: multiply, add, logical bitwise OR, CR operations.  operations that do not return the same register type are also excluded (isel, cmp)
-3. the destination is a vector but the result is stored, ultimately, in the first nonzero predicated element.  all other nonzero predicated elements are undefined. *this includes the CR vector* when Rc=1
-4. implementations may use any ordering and any algorithm to reduce down to a single result.  However it must be equivalent to a straight application of mapreduce.  The destination vector (except masked out elements) may be used for storing any intermediate results. these may be left in the vector (undefined).
-5. CRM applies when Rc=1.  When CRM is zero, the CR associated with the result is regarded as a "some results met standard CR result criteria". When CRM is one, this changes to "all results met standard CR criteria".
-6. implementations MAY use destoffs as well as srcoffs (see [[sv/sprs]]) in order to store sufficient state to resume operation should an interrupt occur. this is also why implementations are permitted to use the destination vector to store intermediary computations 
-
-TODO: Rc=1 on Scalar Logical Operations? is this possible? was space reserved in Logical Ops?
-
-Pseudocode for the case where RA==RB:
-
-    result = op(iregs[RA], iregs[RA+1])
-    CR = analyse(result)
-    for i in range(2, VL):
-        result = op(result, iregs[RA+i])
-        CRnew = analyse(result)
-        if Rc=1
-            if CRM:
-                 CR = CR bitwise or CRnew
-            else:
-                 CR = CR bitwise AND CRnew
-
-TODO: case where RA!=RB which involves first a vector of 2-operand results followed by a mapreduce on the intermediates.
-
-## Fail-on-first
-
-Data-dependent fail-on-first has two distinct variants: one for LD/ST, the other for arithmetic operations (actually, CR-driven).  Note in each case the assumption is that vector elements are required appear to be executed in sequential Program Order, element 0 being the first.
-
-* LD/ST ffirst treats the first LD/ST in a vector (element 0) as an ordinary one.  Exceptions occur "as normal".  However for elements 1 and above, if an exception would occur, then VL is **truncated** to the previous element.
-* Data-driven (CR-driven) fail-on-first activates when Rc=1 or other CR-creating operation produces a result (including cmp).  Similar to branch, an analysis of the CR is performed and if the test fails, the vector operation terminates and discards all element operations at and above the current one, and VL is truncated to the *previous* element.  Thus the new VL comprises a contiguous vector of results, all of which pass the testing criteria (equal to zero, less than zero).
-
-The CR-based data-driven fail-on-first is new and not found in ARM SVE or RVV. It is extremely useful for reducing instruction count, however requires speculative execution involving modifications of VL to get high performance implementations.
-
-In CR-based data-driven fail-on-first there is only the option to select and test one bit of each CR (just as with branch BO).  For more complex tests this may be insufficient.  If that is the case, a vectorised crops (crand, cror) may be used, and ffirst applied to the crop instead of to the arithmetic vector.
-
-One extremely important aspect of ffirst is:
+# R\*\_EXTRA2 and R\*\_EXTRA3 Encoding
 
-* LDST ffirst may never set VL equal to zero.  This because on the first element an exception must be raised "as normal".
-* CR-based data-dependent ffirst **can** set VL equal to zero. This is the only means in the entirety of SV that VL may be set to zero (with the exception of via the SV.STATE SPR).  When VL is set zero due to the first element failing the CR bit-test, all subsequent vectorised operations are effectively `nops` which is *precisely the desired and intended behaviour*.
+EXTRA is the means by which two things are achieved:
 
-# R\*_EXTRA2 and R\*_EXTRA3 Encoding
+1. Registers are marked as either Vector *or Scalar*
+2. Register field numbers (limited typically to 5 bit)
+   are extended in range, both for Scalar and Vector.
 
 In the following tables register numbers are constructed from the
 standard v3.0B / v3.1B 32 bit register field (RA, FRA) and the EXTRA2
@@ -264,7 +278,18 @@ or EXTRA3 field from the SV Prefix.  The prefixing is arranged so that
 interoperability between prefixing and nonprefixing of scalar registers
 is direct and convenient (when the EXTRA field is all zeros).
 
-3 bit version
+A pseudocode algorithm explains the relationship, for INT/FP (see separate section for CRs)
+
+    if extra3_mode:
+        spec = EXTRA3
+    else:
+        spec = EXTRA2 << 1 # same as EXTRA3, shifted
+    if spec[2]: # vector
+         return (RA << 2) | spec[0:1]
+    else:         # scalar
+         return (spec[0:1] << 5) | RA
+
+## INT/FP EXTRA3
 
 alternative which is understandable and, if EXTRA3 is zero, maps to
 "no effect" (scalar OpenPOWER ISA field naming).  also, these are the
@@ -272,7 +297,7 @@ encodings used in the original SV Prefix scheme.  the reason why they
 were chosen is so that scalar registers in v3.0B and prefixed scalar
 registers have access to the same 32 registers.
 
-| R\*\_EXTRA3 | Mode | Range | Encoded as |
+| R\*\_EXTRA3 | Mode | Range | MSB downto LSB |
 |-----------|-------|---------------|---------------------|
 | 000       | Scalar | `r0-r31` | `0b00 RA`      |
 | 001       | Scalar | `r32-r63` | `0b01 RA`      |
@@ -283,34 +308,47 @@ registers have access to the same 32 registers.
 | 110       | Vector | `r2-r126` | `RA 0b10`      |
 | 111       | Vector | `r3-r127` | `RA 0b11`      |
 
-algorithm for original version:
-
-    spec = EXTRA3
-    if spec[2]: # vector
-         return RA << 2 + spec[0:1]
-    else:         # scalar
-         return RA + spec[0:1] << 5
-
-2 bit version
+## INT/FP EXTRA2
 
 alternative which is understandable and, if EXTRA2 is zero will map to
 "no effect" i.e Scalar OpenPOWER register naming:
 
-| R\*\_EXTRA2 | Mode | Range | Encoded as |
+| R\*\_EXTRA2 | Mode | Range | MSB down to LSB |
 |-----------|-------|---------------|---------------------|
 | 00       | Scalar | `r0-r31` | `0b00 RA`                |
 | 01       | Scalar | `r32-r63` | `0b01 RA`      |
 | 10       | Vector | `r0-r124` | `RA 0b00`      |
 | 11       | Vector | `r2-r126` | `RA 0b10`   |
 
-algorithm for original version is identical to the 3 bit version except
-that the spec is shifted up by one bit
+## CR EXTRA3
 
-    spec = EXTRA2 << 1 # same as EXTRA3, shifted
-    if spec[2]: # vector
-         return RA << 2 + spec[0:1]
-    else:         # scalar
-         return RA + spec[0:1] << 5
+CR encoding is essentially the same but made more complex due to CRs being bit-based.  See separate section for explanation and pseudocode.
+
+ Encoding shown MSB down to LSB
+
+| R\*\_EXTRA3 | Mode | 7..5    | 4..2    | 1..0    |
+|-------------|------|---------| --------|---------|
+| 000       | Scalar | 0b000   | BA[4:2] | BA[1:0] |
+| 001       | Scalar | 0b001   | BA[4:2] | BA[1:0] |
+| 010       | Scalar | 0b010   | BA[4:2] | BA[1:0] |
+| 011       | Scalar | 0b011   | BA[4:2] | BA[1:0] |
+| 100       | Vector | BA[4:2] | 0b000   | BA[1:0] |
+| 101       | Vector | BA[4:2] | 0b010   | BA[1:0] |
+| 110       | Vector | BA[4:2] | 0b100   | BA[1:0] |
+| 111       | Vector | BA[4:2] | 0b110   | BA[1:0] |
+
+## CR EXTRA2
+
+CR encoding is essentially the same but made more complex due to CRs being bit-based.  See separate section for explanation and pseudocode.
+
+Encoding shown MSB down to LSB
+
+| R\*\_EXTRA2 | Mode   | 7..5    | 4..2    | 1..0    |
+|-------------|--------|---------|---------|---------|
+| 00          | Scalar | 0b000   | BA[4:2] | BA[1:0] |
+| 01          | Scalar | 0b001   | BA[4:2] | BA[1:0] |
+| 10          | Vector | BA[4:2] | 0b000   | BA[1:0] |
+| 11          | Vector | BA[4:2] | 0b100   | BA[1:0] |
 
 # ELWIDTH Encoding
 
@@ -368,9 +406,9 @@ the default for SUBVL is 1 and its encoding is 0b00 to indicate that
 SUBVL is effectively disabled (a SUBVL for-loop of only one element). this
 lines up in combination with all other "default is all zeros" behaviour.
 
-| Value | Mnemonic  | xxx     | Description            |
+| Value | Mnemonic  | Subvec  | Description            |
 |-------|-----------|---------|------------------------|
-| 00    | `SUBVL=1` | default | Sub-vector length of 1 |
+| 00    | `SUBVL=1` | single  | Sub-vector length of 1 |
 | 01    | `SUBVL=2` | vec2    | Sub-vector length of 2 |
 | 10    | `SUBVL=3` | vec3    | Sub-vector length of 3 |
 | 11    | `SUBVL=4` | vec4    | Sub-vector length of 4 |
@@ -405,12 +443,12 @@ a different test to be applied.
 
 ## Integer Predication (MASK_KIND=0)
 
-When the predicate mode bit is zero the 3 bits are interpreted as below. 
+When the predicate mode bit is zero the 3 bits are interpreted as below.
 Twin predication has an identical 3 bit field similarly encoded.
 
 | Value | Mnemonic | Element `i` enabled if:      |
 |-------|----------|------------------------------|
-| 000   | ALWAYS   | (Operation is not masked)    |
+| 000   | ALWAYS   | predicate effectively all 1s |
 | 001   | 1 << R3  | `i == R3`                    |
 | 010   | R3       | `R3 & (1 << i)` is non-zero  |
 | 011   | ~R3      | `R3 & (1 << i)` is zero      |
@@ -424,16 +462,16 @@ Twin predication has an identical 3 bit field similarly encoded.
 When the predicate mode bit is one the 3 bits are interpreted as below.
 Twin predication has an identical 3 bit field similarly encoded
 
-| Value | Mnemonic | Description                                     |
-|-------|----------|-------------------------------------------------|
-| 000   | lt       | Element `i` is enabled if `CR[6+i].LT` is set   |
-| 001   | nl/ge    | Element `i` is enabled if `CR[6+i].LT` is clear |
-| 010   | gt       | Element `i` is enabled if `CR[6+i].GT` is set   |
-| 011   | ng/le    | Element `i` is enabled if `CR[6+i].GT` is clear |
-| 100   | eq       | Element `i` is enabled if `CR[6+i].EQ` is set   |
-| 101   | ne       | Element `i` is enabled if `CR[6+i].EQ` is clear |
-| 110   | so/un    | Element `i` is enabled if `CR[6+i].FU` is set   |
-| 111   | ns/nu    | Element `i` is enabled if `CR[6+i].FU` is clear |
+| Value | Mnemonic | Element `i` is enabled if     |
+|-------|----------|--------------------------|
+| 000   | lt       | `CR[offs+i].LT` is set   |
+| 001   | nl/ge    | `CR[offs+i].LT` is clear |
+| 010   | gt       | `CR[offs+i].GT` is set   |
+| 011   | ng/le    | `CR[offs+i].GT` is clear |
+| 100   | eq       | `CR[offs+i].EQ` is set   |
+| 101   | ne       | `CR[offs+i].EQ` is clear |
+| 110   | so/un    | `CR[offs+i].FU` is set   |
+| 111   | ns/nu    | `CR[offs+i].FU` is clear |
 
 CR based predication.  TODO: select alternate CR for twin predication? see
 [[discussion]]  Overlap of the two CR based predicates must be taken
@@ -442,7 +480,11 @@ high, or accept that for twin predication VL must not exceed the range
 where overlap will occur, *or* that they use the same starting point
 but select different *bits* of the same CRs
 
-# Twin Predication
+`offs` is defined as CR32 (4x8) so as to mesh cleanly with Vectorised Rc=1 operations (see below).  Rc=1 operations start from CR8 (TBD).
+
+# Appendix
+
+## Twin Predication
 
 This is a novel concept that allows predication to be applied to a single
 source and a single dest register.  The following types of traditional
@@ -470,60 +512,261 @@ This is a huge list that creates extremely powerful combinations,
 particularly given that one of the predicate options is `(1<<r3)`
 
 Additional unusual capabilities of Twin Predication include a back-to-back
-version of VCOMPRESS-VEXPAND which is effectively the ability to do an
-ordered multiple VINSERT.
+version of VCOMPRESS-VEXPAND which is effectively the ability to do 
+sequentially ordered multiple VINSERTs.  The source predicate selects a 
+sequentially ordered subset of elements to be inserted; the destination predicate specifies the sequentially ordered recipient locations.
+
+## Rounding, clamp and saturate
+
+One of the issues with vector ops is that in integer DSP ops for example
+in Audio the operation must clamp or saturate rather than overflow or
+ignore the upper bits and become a modulo operation.  This for Audio
+is extremely important, also to provide an indicator as to whether
+saturation occurred.  see  [[av_opcodes]].
+
+To help ensure that audio quality is not compromised by overflow,
+"saturation" is provided, as well as a way to detect when saturation
+occurred (Rc=1). When Rc=1 there will be a *vector* of CRs, one CR per
+element in the result (Note: this is different from VSX which has a
+single CR per block).
+
+When N=0 the result is saturated to within the maximum range of an
+unsigned value.  For integer ops this will be 0 to 2^elwidth-1. Similar
+logic applies to FP operations, with the result being saturated to
+maximum rather than returning INF.
+
+When N=1 the same occurs except that the result is saturated to the min
+or max of a signed result.
+
+When Rc=1, the CR "overflow" bit is set on the CR associated with the
+element, to indicate whether saturation occurred.  Note that due to
+the hugely detrimental effect it has on parallel processing, XER.SO is
+**ignored** completely and is **not** brought into play here.  The CR
+overflow bit is therefore simply set to zero if saturation did not occur,
+and to one if it did.
+
+Post-analysis of the Vector of CRs to find out if any given element hit
+saturation may be done using a mapreduced CR op (cror), or by using the
+new crweird instruction, transferring the relevant CR bits to a scalar
+integer and testing it for nonzero.  see [[sv/cr_int_predication]]
+
+Note that the operation takes place at the maximum bitwidth (max of src and dest elwidth) and that truncation occurs to the range of the dest elwidth.
+
+## Reduce mode
+
+1. limited to single predicated dual src operations (add RT, RA, RB).
+   triple source operations are prohibited (fma).
+2. limited to operations that make sense.  divide is excluded, as is
+   subtract (X - Y - Z produces different answers depending on the order)
+   and asymmetric CRops (crandc, crorc). sane  operations:
+   multiply, min/max, add, logical bitwise OR, most other CR ops.
+   operations that do have the same source and dest register type are
+   also excluded (isel, cmp)
+3. the destination is a vector but the result is stored, ultimately,
+   in the first nonzero predicated element.  all other nonzero predicated
+   elements are undefined. *this includes the CR vector* when Rc=1
+4. implementations may use any ordering and any algorithm to reduce
+   down to a single result.  However it must be equivalent to a straight
+   application of mapreduce.  The destination vector (except masked out
+   elements) may be used for storing any intermediate results. these may
+   be left in the vector (undefined).
+5. CRM applies when Rc=1.  When CRM is zero, the CR associated with
+   the result is regarded as a "some results met standard CR result
+   criteria". When CRM is one, this changes to "all results met standard
+   CR criteria".
+6. implementations MAY use destoffs as well as srcoffs (see [[sv/sprs]])
+   in order to store sufficient state to resume operation should an
+   interrupt occur. this is also why implementations are permitted to use
+   the destination vector to store intermediary computations
+7. *Predication may be applied*.  zeroing mode is not an option.  masked-out
+   inputs are ignored; masked-out elements in the destination vector are
+   unaltered (not used for the purposes of intermediary storage); the
+   scalar result is placed in the first available unmasked element.
+
+TODO: Rc=1 on Scalar Logical Operations? is this possible? was space
+reserved in Logical Ops?
 
-# Register Naming
+Pseudocode for the case where RA==RB:
 
-SV Registers are simply the INT, FP and CR register files extended
-linearly to larger sizes.  Thus, the integer regfile in standard scalar
-OpenPOWER v3.0B and v3.1B is r0 to r31: SV extends this as r0 to r127.
-Likewise FP registers are extended to 128 (fp0 to fp127), and CRs are
-extended to 64 entries, CR0 thru CR63.
+    result = op(iregs[RA], iregs[RA+1])
+    CR = analyse(result)
+    for i in range(2, VL):
+        result = op(result, iregs[RA+i])
+        CRnew = analyse(result)
+        if Rc=1
+            if CRM:
+                 CR = CR bitwise or CRnew
+            else:
+                 CR = CR bitwise AND CRnew
 
-The names of the registers therefore reflects a simple linear extension
-of the OpenPOWER v3.0B / v3.1B register naming, and in hardware this
-would be reflected by a linear increase in the size of the underlying
-SRAM used for the regfiles.
+TODO: case where RA!=RB which involves first a vector of 2-operand
+results followed by a mapreduce on the intermediates.
 
-Note: when the EXTRA fields are all zero, SV is deliberately designed
-so that the register fields are identical to as if SV was not in effect
-i.e. under these circumstances (EXTRA=0) the register field names RA,
-RB etc. are interpreted as v3.0B / v3.1B scalar registers.  This is termed
-`scalar identity behaviour`
+Note that when SVM is clear and SUBVL!=1 the sub-elements are *independent*, i.e. they
+are mapreduced per *sub-element* as a result.  illustration with a vec2:
 
-# CR Operations
+    result.x = op(iregs[RA].x, iregs[RA+1].x)
+    result.y = op(iregs[RA].y, iregs[RA+1].y)
+    for i in range(2, VL):
+        result.x = op(result.x, iregs[RA+i].x)
+        result.y = op(result.y, iregs[RA+i].y)
 
-## EXTRA mapping algorithm
+When SVM is set and SUBVL!=1, another variant is enabled.
 
-Numbering relationships for CR fields are already complex due to bring in BE format.  In OpenPOWER v3.0/1, BFA is 5 bits in order to select one of 4 bits from one of the 8 CRs.  The numbering was determined - after 4 months - to be as follows:
+    for i in range(VL):
+        result = op(iregs[RA+i].x, iregs[RA+i].x)
+        result = op(result, iregs[RA+i].z)
+        result = op(result, iregs[RA+i].z)
+        iregs[RT+i] = result
 
-    CR_index = 7-BFA>>2        # top 3 bits but BE
-    bit_index = 3-(BFA & 0b11) # low 2 bits but BE
+## Fail-on-first
+
+Data-dependent fail-on-first has two distinct variants: one for LD/ST,
+the other for arithmetic operations (actually, CR-driven).  Note in each
+case the assumption is that vector elements are required appear to be
+executed in sequential Program Order, element 0 being the first.
+
+* LD/ST ffirst treats the first LD/ST in a vector (element 0) as an
+  ordinary one.  Exceptions occur "as normal".  However for elements 1
+  and above, if an exception would occur, then VL is **truncated** to the
+  previous element.
+* Data-driven (CR-driven) fail-on-first activates when Rc=1 or other
+  CR-creating operation produces a result (including cmp).  Similar to
+  branch, an analysis of the CR is performed and if the test fails, the
+  vector operation terminates and discards all element operations at and
+  above the current one, and VL is truncated to the *previous* element.
+  Thus the new VL comprises a contiguous vector of results, all of which
+  pass the testing criteria (equal to zero, less than zero).
+
+The CR-based data-driven fail-on-first is new and not found in ARM SVE
+or RVV. It is extremely useful for reducing instruction count, however
+requires speculative execution involving modifications of VL to get high
+performance implementations.
+
+In CR-based data-driven fail-on-first there is only the option to select
+and test one bit of each CR (just as with branch BO).  For more complex
+tests this may be insufficient.  If that is the case, a vectorised crops
+(crand, cror) may be used, and ffirst applied to the crop instead of to
+the arithmetic vector.
+
+One extremely important aspect of ffirst is:
+
+* LDST ffirst may never set VL equal to zero.  This because on the first
+  element an exception must be raised "as normal".
+* CR-based data-dependent ffirst on the other hand **can** set VL equal
+  to zero. This is the only means in the entirety of SV that VL may be set
+  to zero (with the exception of via the SV.STATE SPR).  When VL is set
+  zero due to the first element failing the CR bit-test, all subsequent
+  vectorised operations are effectively `nops` which is
+  *precisely the desired and intended behaviour*.
+
+## pred-result mode
+
+This mode merges common CR testing with predication, saving on instruction count. Below is the pseudocode excluding predicate zeroing and elwidth overrides.
+
+    for i in range(VL):
+        # predication test, skip all masked out elements.
+        if predicate_masked_out(i):
+             continue
+        result = op(iregs[RA+i], iregs[RB+i])
+        CRnew = analyse(result) # calculates eq/lt/gt
+        # Rc=1 always stores the CR
+        if Rc=1:
+            crregs[offs+i] = CRnew
+        # now test CR, similar to branch
+        if CRnew[BO[0:1]] != BO[2]:
+            continue # test failed: cancel store
+        # result optionally stored but CR always is
+        iregs[RT+i] = result
+
+The reason for allowing the CR element to be stored is so that post-analysis
+of the CR Vector may be carried out.  For example: Saturation may have occurred (and been prevented from updating, by the test) but it is desirable to know *which* elements fail saturation.
+
+Note that predication is still respected: predicate zeroing is slightly different: elements that fail the CR test *or* are masked out are zero'd.
+
+## CR Operations
+
+CRs are slightly more involved than INT or FP registers due to the
+possibility for indexing individual bits (crops BA/BB/BT).  Again however
+the access pattern needs to be understandable in relation to v3.0B / v3.1B
+numbering, with a clear linear relationship and mapping existing when
+SV is applied.
+
+### CR EXTRA mapping table and algorithm
+
+Numbering relationships for CR fields are already complex due to being
+in BE format (*the relationship is not clearly explained in the v3.0B
+or v3.1B specification*).  However with some care and consideration
+the exact same mapping used for INT and FP regfiles may be applied,
+just to the upper bits, as explained below.
+
+In OpenPOWER v3.0/1, BF/BT/BA/BB are all 5 bits.  The top 3 bits (2:4)
+select one of the 8 CRs; the bottom 2 bits (0:1) select one of 4 bits
+*in* that CR.  The numbering was determined (after 4 months of
+analysis and research) to be as follows:
+
+    CR_index = 7-(BA>>2)      # top 3 bits but BE
+    bit_index = 3-(BA & 0b11) # low 2 bits but BE
+    CR_reg = CR[CR_index]      # get the CR
+    # finally get the bit from the CR.
+    CR_bit = (CR_reg & (1<<bit_index)) != 0
+
+When it comes to applying SV, it is the CR\_reg number to which SV EXTRA2/3
+applies, **not** the CR\_bit portion (bits 0:1):
+
+    if extra3_mode:
+        spec = EXTRA3
+    else:
+        spec = EXTRA2<<1 | 0b0
+    if spec[2]:
+       # vector constructs "BA[2:4] spec[0:1] 0 BA[0:1]"
+       return ((BA >> 2)<<5) | # hi 3 bits shifted up
+              (spec[0:1]<<3) |  # to make room for these
+              (BA & 0b11)      # CR_bit on the end
+    else:
+       # scalar constructs "0 spec[0:1] BA[0:4]"
+       return (spec[0:1] << 5) | BA
+
+Thus, for example, to access a given bit for a CR in SV mode, the v3.0B
+algorithm to determin CR\_reg is modified to as follows:
+
+    CR_index = 7-(BA>>2)      # top 3 bits but BE
+    if spec[2]:
+        # vector mode
+        CR_index = (CR_index<<3) | (spec[0:1] << 1)
+    else:
+        # scalar mode
+        CR_index = (spec[0:1]<<3) | CR_index
+    # same as for v3.0/v3.1 from this point onwards
+    bit_index = 3-(BA & 0b11) # low 2 bits but BE
     CR_reg = CR[CR_index]      # get the CR
-    # finally get the bit from the CR
+    # finally get the bit from the CR.
     CR_bit = (CR_reg & (1<<bit_index)) != 0
 
-When it comes to applying SV, it is the CR_reg number to which SV EXTRA2/3 applies, **not** the CR_bit portion.
+Note here that the decoding pattern to determine CR\_bit does not change.
 
-    spec = EXTRA3
-    if spec[2]: # vector
-       return ((BFA >> 2)<<4) | # hi 3 bits shifted up
-              (spec[0:1]<<2) |  # to make room for these
-              (BFA & 0b11)      # CR_bit on the end
-    else:         # scalar
-       return BFA + spec[0:1] << 7
+Note: high-performance implementations may read/write Vectors of CRs in
+batches of aligned 32-bit chunks (CR0-7, CR7-15).  This is to greatly
+simplify internal design.  If instructions are issued where CR Vectors
+do not start on a 32-bit aligned boundary, performance may be affected.
+
+### CR fields as inputs/outputs of vector operations
 
-## CR fields as inputs/outputs of vector operations
+CRs (or, the arithmetic operations associated with them)
+may be marked as Vectorised or Scalar.  When Rc=1 in arithmetic operations that have no explicit EXTRA to cover the CR, the CR is Vectorised if the destination is Vectorised.  Likewise if the destination is scalar then so is the CR.
 
 When vectorized, the CR inputs/outputs are sequentially read/written
 to 4-bit CR fields.  Vectorised Integer results, when Rc=1, will begin
-writing to CR8 (TBD evaluate) and increase sequentially from there.  Vectorised FP
-results, when Rc=1, start from CR32 (TBD evaluate).  This is so that:
+writing to CR8 (TBD evaluate) and increase sequentially from there.
+This is so that:
 
-* implementations may rely on the Vector CRs being aligned to 8. This means that CRs may be read or written in aligned batches of 32 bits (8 CRs per batch), for high performance implementations.
-* scalar Rc=1 operation (CR0, CR1) and callee-saved CRs (CR2-4) are not overwritten by vector Rc=1 operations except for very large VL
-* Vector FP and Integer Rc=1 operations do not overwrite each other except for large VL.
+* implementations may rely on the Vector CRs being aligned to 8. This
+  means that CRs may be read or written in aligned batches of 32 bits
+  (8 CRs per batch), for high performance implementations.
+* scalar Rc=1 operation (CR0, CR1) and callee-saved CRs (CR2-4) are not
+  overwritten by vector Rc=1 operations except for very large VL
+* CR-based predication, from CR32, is also not interfered with
+  (except by large VL).
 
 However when the SV result (destination) is marked as a scalar by the
 EXTRA field the *standard* v3.0B behaviour applies: the accompanying
@@ -544,13 +787,30 @@ CR element*.  Greatly simplified pseudocode:
          CRs[8+i].gt = iregs[RT+i] > 0
          ... etc
 
-If a "cumulated" CR based analysis of results is desired (a la VSX CR6) then a followup instruction must be performed, setting "reduce" mode on the Vector of CRs, using cr ops (crand, crnor)to do so.  This provides far more flexibility in analysing vectors than standard Vector ISAs.  Normal Vector ISAs are typically restricted to "were all results nonzero" and "were some results nonzero". The application of mapreduce to Vectorised cr operations allows far more sophisticated analysis, particularly in conjunction with the new crweird operations see [[sv/cr_int_predication]].
+If a "cumulated" CR based analysis of results is desired (a la VSX CR6)
+then a followup instruction must be performed, setting "reduce" mode on
+the Vector of CRs, using cr ops (crand, crnor)to do so.  This provides far
+more flexibility in analysing vectors than standard Vector ISAs.  Normal
+Vector ISAs are typically restricted to "were all results nonzero" and
+"were some results nonzero". The application of mapreduce to Vectorised
+cr operations allows far more sophisticated analysis, particularly in
+conjunction with the new crweird operations see [[sv/cr_int_predication]].
 
-Note in particular that the use of a separate instruction in this way ensures that high performance multi-issue OoO inplementations do not have the computation of the cumulative analysis CR as a bottleneck and hindrance, regardless of the length of VL.
+Note in particular that the use of a separate instruction in this way
+ensures that high performance multi-issue OoO inplementations do not
+have the computation of the cumulative analysis CR as a bottleneck and
+hindrance, regardless of the length of VL.
 
 (see [[discussion]].  some alternative schemes are described there)
 
-## Table of CR fields
+### Rc=1 when SUBVL!=1
+
+sub-vectors are effectively a form of SIMD (length 2 to 4). Only 1 bit of predicate is allocated per subvector; likewise only one CR is allocated
+per subvector.
+
+This leaves a conundrum as to how to apply CR computation per subvector, when normally Rc=1 is exclusively applied to scalar elements.  A solution is to perform a bitwise OR or AND of the subvector tests.  Given that OE is ignored, rhis field may (when available) be used to select OR or AND behavior.
+
+### Table of CR fields
 
 CR[i] is the notation used by the OpenPower spec to refer to CR field #i,
 so FP instructions with Rc=1 write to CR[1] aka SVCR1_000.
@@ -566,7 +826,7 @@ overwhelm this one). [[svp64/cr_names]]
 
 
 
-# Register Profiles
+## Register Profiles
 
 **NOTE THIS TABLE SHOULD NO LONGER BE HAND EDITED** see
 <https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=548> for details.