bug 1034: update spec page on bin/tern lut2/lut3
[libreriscv.git] / openpower / sv.mdwn
index 3e34f0212bc73024c3f12638bb47c901e2139628..23b9e811b5641af5f37dc558f0e0a4f80e51dd79 100644 (file)
@@ -83,7 +83,7 @@ Comparative instruction count:
 * ARM NEON SIMD: around 2,000 instructions, prerequisite: ARM Scalar.
 * ARM SVE: around 4,000 instructions, prerequisite: NEON and ARM Scalar 
 * ARM SVE2: around 1,000 instructions, prerequisite: SVE, NEON, and
-  ARM Scalar
+  ARM Scalar for a grand total of well over 7,000 instructions.
 * Intel AVX-512: around 4,000 instructions, prerequisite AVX, AVX2,
   AVX-128 and AVX-256 which in turn critically rely on the rest of
   x86, for a grand total of well over 10,000 instructions.
@@ -132,12 +132,16 @@ Pages being developed and examples
 * [[sv/compliancy_levels]] for minimum subsets through to Advanced
   Supercomputing.
 * [[sv/implementation]] implementation planning and coordination
+* [[sv/po9_encoding]] a new DRAFT 64-bit space similar to EXT1xx,
+  introducing new areas EXT232-63 and EXT300-363
 * [[sv/svp64]] contains the packet-format *only*, the [[svp64/appendix]]
   contains explanations and further details
+* [[sv/svp64-single]] still under development
 * [[sv/svp64_quirks]] things in SVP64  that slightly break the rules
   or are not immediately apparent despite the RISC paradigm
 * [[opcode_regs_deduped]] autogenerated table of SVP64 decoder augmentation
 * [[sv/sprs]] SPRs
+* [[sv/rfc]] RFCs to the [OPF ISA WG](https://openpower.foundation/isarfc/)
 
 SVP64 "Modes":
 
@@ -174,15 +178,20 @@ It requires certain guarantees to be provided.
 
 * Firstly: that instructions will never be ambiguously-defined.
 * Secondly, that no instruction shall change meaning to produce
-  different results on different hardware (present or future)
-* Thirdly, that implementors are not permitted to either add
+  different results on different hardware (present or future).
+* Thirdly, that Scalar "defined words" (32 bit instruction
+  encodings) if Vectorised will also always be implemented as
+  identical Scalar instructions (the sole semi-exception being
+  Vectorised Branch-Conditional)
+* Fourthly, that implementors are not permitted to either add
   arbitrary features nor implement features in an incompatible
   way. *(Performance may differ, but differing results are
   not permitted)*.
-* Fourthly, that any part of Simple-V not implemented by
+* Fifthly, that any part of Simple-V not implemented by
   a lower Compliancy Level is *required* to raise an illegal
-  instruction trap (allowing soft-emulation).
-* Fifthly, that any `UNDEFINED` behaviour for practical implementation
+  instruction trap (allowing soft-emulation), including if
+  Simple-V is not implemented at all.
+* Sixthly, that any `UNDEFINED` behaviour for practical implementation
   reasons is clearly documented for both programmers and hardware
   implementors.
 
@@ -193,12 +202,14 @@ different results on different hardware depending on a
 "Silicon Partner" hardware choice. This choice catastrophically
 and irrevocably causes binary non-interoperability *despite being
 a "feature"*.  Explained in <https://m.youtube.com/watch?v=HNEm8zmkjBU>
+it is the exact same binary-incompatibility issue faced by Power ISA
+on its 32- to 64-bit transition: 32-bit hardware was **unable** to
+trap-and-emulate 64-bit binaries because the opcodes were (are) the same.
 
 It is therefore *guaranteed* that extensions to the register file
 width and quantity in Simple-V shall only be made in future by
 explicit means, ensuring binary compatibility.
 
-
 # Optional Scalar instructions
 
 **Additional Instructions for specific purposes (not SVP64)**
@@ -214,10 +225,10 @@ Some of these Scalar instructions happen also designed to make
 Scalable Vector binaries more efficient, such
 as the crweird group.  Others are to bring the Scalar Power ISA
 up-to-date within specific workloads,
-such as a Javascript Rounding instruction
-(which saves 35 instructions including 5 branches). None of them are strictly
-necessary but performance and power consumption may be (or, is already)
-compromised
+such as a JavaScript Rounding instruction
+(which saves 32 scalar instructions including seven branch instructions).
+None of them are strictly necessary but performance and power consumption may
+be (or, is already) compromised
 in certain workloads and use-cases without them.
 
 Vector-related but still Scalar:
@@ -235,6 +246,7 @@ Stand-alone Scalar Instructions:
 * [[sv/fclass]] detect class of FP numbers
 * [[sv/int_fp_mv]] Move and convert GPR <-> FPR, needed for !VSX
 * [[sv/av_opcodes]] scalar opcodes for Audio/Video
+* [[prefix_codes]] Decode/encode prefix-codes, used by JPEG, DEFLATE, etc.
 * TODO: OpenPOWER adaptation [[openpower/transcendentals]]
 
 Twin targetted instructions (two registers out, one implicit, just like
@@ -247,6 +259,95 @@ Load-with-Update).
 Explanation of the rules for twin register targets
 (implicit RS, FRS) explained in SVP64 [[svp64/appendix]]
 
+# Architectural Note
+
+This section is primarily for the ISA Working Group and for IBM
+in their capacity and responsibility for allocating "Architectural
+Resources" (opcodes), but it is also useful for general understanding
+of Simple-V.
+
+Simple-V is effectively a type of "Zero-Overhead Loop Control" to which
+an entire 24 bits are exclusively dedicated in a fully RISC-abstracted
+manner. Within those 24-bits there are no Scalar instructions, and
+no Vector instructions: there is *only* "Loop Control".
+
+This is why there are no actual Vector operations in Simple-V: *all* suitable
+Scalar Operations are Vectorised or not at all.  This has some extremely
+important implications when considering adding new instructions, and
+especially when allocating the Opcode Space for them.
+To protect SVP64 from damage, a "Hard Rule" has to be set:
+
+     Scalar Instructions must be simultaneously added in the corresponding
+     SVP64 opcode space with the exact same 32-bit "Defined Word" or they
+     must not be added at all.  Likewise, instructions planned for addition
+     in what is considered (wrongly) to be the exclusive "Vector" domain
+     must correspondingly be added in the Scalar space with the exact same
+     32-bit "Defined Word", or they must not be added at all.
+
+Some explanation of the above is needed.  Firstly, "Defined Word" is a term
+used in Section 1.6.3 of the Power ISA v3 1 Book I: it means, in short,
+"a 32 bit instruction", which can then be Prefixed by EXT001 to extend it
+to 64-bit (named EXT100-163).
+Prefixed-Prefixed (96-bit Variable-Length) encodings are
+prohibited in v3.1 and they are just as prohibited in Simple-V: it's too
+complex in hardware.  This means that **only** 32-bit "Defined Words"
+may be Vectorised, and in particular it means that no 64-bit instruction
+(EXT100-163) may **ever** be Vectorised.
+
+Secondly, the term "Vectoriseable" was used.  This refers to "instructions
+which if SVP64-Prefixed are actually meaningful". `sc` is meaningless
+to Vectorise, for example, as is `sync` and `mtmsr` (there is only ever
+going to be one MSR).
+
+The problem comes if the rationale is applied, "if unused,
+Unvectoriseable opcodes
+can therefore be allocated to alternative instructions mixing inside
+the SVP64
+Opcode space",
+which unfortunately results in huge inadviseable complexity in HDL at the
+Decode Phase, attempting to discern between the two types.  Worse than that,
+if the alternate 64-bit instruction is Vectoriseable but the 32-bit Scalar
+"Defined Word" is already allocated, how can there ever be a Scalar version
+of the alternate instruction? It would have to be added as a **completely
+different** 32-bit "Defined Word", and things go rapidly downhill in the
+Decoder as well as the ISA from there.
+
+Therefore to avoid risk and long-term damage to the Power ISA:
+
+* *even Unvectoriseable* "Defined Words" (`mtmsr`) must have the
+  corresponding SVP64 Prefixed Space `RESERVED`, permanently requiring
+  Illegal Instruction to be raised (the 64-bit encoding corresponding
+  to an illegal `sv.mtmsr` if ever incorrectly attempted must be
+  **defined** to raise an Exception)
+* *Even instructions that may not be Scalar* (although for various
+  practical reasons this is extremely rare if not impossible,
+  if not just generally "strongly discouraged")
+  which have no meaning or use as a 32-bit Scalar "Defined Word", **must**
+  still have the Scalar "Defined Word" `RESERVED` in the scalar
+  opcode space, as an Illegal Instruction.
+
+A good example of the former is `mtmsr` because there is only one
+MSR register (`sv.mtmsr` is meaningless, as is `sv.sc`),
+and a good example of the latter is [[sv/mv.x]]
+which is so deeply problematic to add to any Scalar ISA that it was
+rejected outright and an alternative route taken (Indexed REMAP).
+
+Another good example would be Cross Product which has no meaning
+at all in a Scalar ISA (Cross Product as a concept only applies
+to Mathematical Vectors). If any such Vector operation were ever added,
+it would be **critically** important to reserve the exact same *Scalar*
+opcode with the exact same "Defined Word" in the *Scalar* Power ISA
+opcode space, as an Illegal Instruction.  There are
+good reasons why Cross Product has not been proposed, but it serves
+to illustrate the point as far as Architectural Resource Allocation is
+concerned.
+
+Bottom line is that whilst this seems wasteful the alternatives are a
+destabilisation of the Power ISA and impractically-complex Hardware
+Decoders. With the Scalar Power ISA (v3.0, v3.1) already being comprehensive
+in the number of instructions, keeping further Decode complexity down is a 
+high priority.
+
 # Other Scalable Vector ISAs
 
 These Scalable Vector ISAs are listed to aid in understanding and
@@ -342,21 +443,12 @@ would become a whopping 96-bit long instruction. Avoiding this
 situation is a high priority which in turn by necessity puts pressure
 on the 32-bit Major Opcode space.
 
-SVP64 itself is already under pressure, being only 24 bits.  If it is
-not permitted to take up 25% of EXT001 then it would have to be proposed
-in its own Major Opcode, which on first consideration would be beneficial
-for SVP64 due to the availability of 2 extra bits.
-However when combined with the bitmanip scalar instructions
-requiring two Major opcodes this would come to a grand total of 3 precious
-Major opcodes. On balance, then, sacrificing 25% of EXT001 is the "least
-difficult" choice.
-
 Note also that EXT022, the Official Architectural Sandbox area
 available for "Custom non-approved purposes" according to the Power
 ISA Spec,
 is under severe design pressure as it is insufficient to hold
 the full extent of the instruction additions required to create
-a Hybrid 3D CPU-VPU-GPU.  Akthough the wording of the Power ISA
+a Hybrid 3D CPU-VPU-GPU.  Although the wording of the Power ISA
 Specification leaves open the *possibility* of not needing to
 propose ISA Extensions to the ISA WG, it is clear that EXT022
 is an inappropriate location for a large high-profile Extension