read-after-write self-referring hazard
[soc.git] / src / experiment / score6600.py
index cab033bee236b19bd4c857ad3f5e428d7f9d8a08..1c0caca0a74acf1f3139fd823bbcc18bcce78440 100644 (file)
@@ -45,12 +45,18 @@ class CompUnits(Elaboratable):
         # Int ALUs
         add = ALU(self.rwid)
         sub = ALU(self.rwid)
-        m.submodules.comp1 = comp1 = ComputationUnitNoDelay(self.rwid, 1, add)
-        m.submodules.comp2 = comp2 = ComputationUnitNoDelay(self.rwid, 1, sub)
-        int_alus = [comp1, comp2]
-
-        m.d.comb += comp1.oper_i.eq(Const(0)) # temporary/experiment: op=add
-        m.d.comb += comp2.oper_i.eq(Const(1)) # temporary/experiment: op=sub
+        mul = ALU(self.rwid)
+        shf = ALU(self.rwid)
+        m.submodules.comp1 = comp1 = ComputationUnitNoDelay(self.rwid, 2, add)
+        m.submodules.comp2 = comp2 = ComputationUnitNoDelay(self.rwid, 2, sub)
+        m.submodules.comp3 = comp3 = ComputationUnitNoDelay(self.rwid, 2, mul)
+        m.submodules.comp4 = comp4 = ComputationUnitNoDelay(self.rwid, 2, shf)
+        int_alus = [comp1, comp2, comp3, comp4]
+
+        m.d.comb += comp1.oper_i.eq(Const(0, 2)) # op=add
+        m.d.comb += comp2.oper_i.eq(Const(1, 2)) # op=sub
+        m.d.comb += comp3.oper_i.eq(Const(2, 2)) # op=mul
+        m.d.comb += comp4.oper_i.eq(Const(3, 2)) # op=shf
 
         go_rd_l = []
         go_wr_l = []
@@ -177,6 +183,7 @@ class Scoreboard(Elaboratable):
         self.reg_enable_i = Signal(reset_less=True) # enable reg decode
 
         self.issue_o = Signal(reset_less=True) # instruction was accepted
+        self.busy_o = Signal(reset_less=True) # at least one CU is busy
 
     def elaborate(self, platform):
         m = Module()
@@ -194,7 +201,7 @@ class Scoreboard(Elaboratable):
         fp_src2 = self.fpregs.read_port("src2")
 
         # Int ALUs and Comp Units
-        n_int_alus = 2
+        n_int_alus = 4
         m.submodules.cu = cu = CompUnits(self.rwid, n_int_alus)
 
         # Int FUs
@@ -205,7 +212,7 @@ class Scoreboard(Elaboratable):
         n_fp_fus = 0 # for now
 
         # Integer Priority Picker 1: Adder + Subtractor
-        intpick1 = GroupPicker(2) # picks between add and sub
+        intpick1 = GroupPicker(n_int_fus) # picks between add, sub, mul and shf
         m.submodules.intpick1 = intpick1
 
         # INT/FP Issue Unit
@@ -233,8 +240,8 @@ class Scoreboard(Elaboratable):
                     ]
         self.int_insn_i = issueunit.i.insn_i # enabled by instruction decode
 
-        # connect global rd/wr pending vectors
-        m.d.comb += issueunit.i.g_wr_pend_i.eq(intfus.g_int_wr_pend_o)
+        # connect global rd/wr pending vector (for WaW detection)
+        m.d.sync += issueunit.i.g_wr_pend_i.eq(intfus.g_int_wr_pend_o)
         # TODO: issueunit.f (FP)
 
         # and int function issue / busy arrays, and dest/src1/src2
@@ -245,8 +252,8 @@ class Scoreboard(Elaboratable):
         fn_issue_o = issueunit.i.fn_issue_o
 
         m.d.comb += intfus.fn_issue_i.eq(fn_issue_o)
-        # XXX sync, so as to stop a simulation infinite loop
         m.d.comb += issueunit.i.busy_i.eq(cu.busy_o)
+        m.d.comb += self.busy_o.eq(cu.busy_o.bool())
 
         #---------
         # connect fu-fu matrix
@@ -257,19 +264,17 @@ class Scoreboard(Elaboratable):
         go_wr_o = intpick1.go_wr_o
         go_rd_i = intfus.go_rd_i
         go_wr_i = intfus.go_wr_i
-        m.d.comb += go_rd_i[0:2].eq(go_rd_o[0:2]) # add rd
-        m.d.comb += go_wr_i[0:2].eq(go_wr_o[0:2]) # add wr
+        m.d.comb += go_rd_i[0:n_int_fus].eq(go_rd_o[0:n_int_fus]) # rd
+        m.d.comb += go_wr_i[0:n_int_fus].eq(go_wr_o[0:n_int_fus]) # wr
 
         # Connect Picker
         #---------
-        #m.d.comb += intpick1.rd_rel_i[0:2].eq(~go_rd_i[0:2] & cu.busy_o[0:2])
-        m.d.comb += intpick1.rd_rel_i[0:2].eq(cu.rd_rel_o[0:2])
-        #m.d.comb += intpick1.go_rd_i[0:2].eq(cu.req_rel_o[0:2])
-        m.d.comb += intpick1.req_rel_i[0:2].eq(cu.req_rel_o[0:2])
-        int_readable_o = intfus.readable_o
-        int_writable_o = intfus.writable_o
-        m.d.comb += intpick1.readable_i[0:2].eq(int_readable_o[0:2])
-        m.d.comb += intpick1.writable_i[0:2].eq(int_writable_o[0:2])
+        m.d.comb += intpick1.rd_rel_i[0:n_int_fus].eq(cu.rd_rel_o[0:n_int_fus])
+        m.d.comb += intpick1.req_rel_i[0:n_int_fus].eq(cu.req_rel_o[0:n_int_fus])
+        int_rd_o = intfus.readable_o
+        int_wr_o = intfus.writable_o
+        m.d.comb += intpick1.readable_i[0:n_int_fus].eq(int_rd_o[0:n_int_fus])
+        m.d.comb += intpick1.writable_i[0:n_int_fus].eq(int_wr_o[0:n_int_fus])
 
         #---------
         # Connect Register File(s)
@@ -285,9 +290,9 @@ class Scoreboard(Elaboratable):
         m.d.comb += cu.src2_data_i.eq(int_src2.data_o)
 
         # connect ALU Computation Units
-        m.d.comb += cu.go_rd_i[0:2].eq(go_rd_o[0:2])
-        m.d.comb += cu.go_wr_i[0:2].eq(go_wr_o[0:2])
-        m.d.comb += cu.issue_i[0:2].eq(fn_issue_o[0:2])
+        m.d.comb += cu.go_rd_i[0:n_int_fus].eq(go_rd_o[0:n_int_fus])
+        m.d.comb += cu.go_wr_i[0:n_int_fus].eq(go_wr_o[0:n_int_fus])
+        m.d.comb += cu.issue_i[0:n_int_fus].eq(fn_issue_o[0:n_int_fus])
 
         return m
 
@@ -313,6 +318,8 @@ class Scoreboard(Elaboratable):
 
 IADD = 0
 ISUB = 1
+IMUL = 2
+ISHF = 3
 
 class RegSim:
     def __init__(self, rwidth, nregs):
@@ -323,9 +330,14 @@ class RegSim:
         src1 = self.regs[src1]
         src2 = self.regs[src2]
         if op == IADD:
-            val = (src1 + src2) & ((1<<(self.rwidth))-1)
+            val = (src1 + src2)
         elif op == ISUB:
-            val = (src1 - src2) & ((1<<(self.rwidth))-1)
+            val = (src1 - src2)
+        elif op == IMUL:
+            val = (src1 * src2)
+        elif op == ISHF:
+            val = (src1 << (src2 & self.rwidth))
+        val &= ((1<<(self.rwidth))-1)
         self.regs[dest] = val
 
     def setval(self, dest, val):
@@ -366,74 +378,126 @@ def print_reg(dut, rnums):
 
 
 def scoreboard_sim(dut, alusim):
-    yield dut.int_store_i.eq(0)
 
-    for i in range(1, dut.n_regs):
-        yield dut.intregs.regs[i].reg.eq(4+i*2)
-        alusim.setval(i, 4+i*2)
+    yield dut.int_store_i.eq(0)
 
-    instrs = []
-    if False:
-        for i in range(2):
-            src1 = randint(1, dut.n_regs-1)
-            src2 = randint(1, dut.n_regs-1)
+    for i in range(1):
+
+        # set random values in the registers
+        for i in range(1, dut.n_regs):
+            yield dut.intregs.regs[i].reg.eq(31+i*3)
+            alusim.setval(i, 31+i*3)
+
+        # create some instructions (some random, some regression tests)
+        instrs = []
+        if False:
+            for i in range(10):
+                src1 = randint(1, dut.n_regs-1)
+                src2 = randint(1, dut.n_regs-1)
+                while True:
+                    dest = randint(1, dut.n_regs-1)
+                    break
+                    if dest not in [src1, src2]:
+                        break
+                #src1 = 2
+                #src2 = 3
+                #dest = 2
+
+                op = randint(0, 2)
+                #op = i % 2
+                #op = 0
+
+                instrs.append((src1, src2, dest, op))
+
+        if False:
+            instrs.append((2, 3, 3, 0))
+            instrs.append((5, 3, 3, 1))
+
+        if False:
+            instrs.append((5, 6, 2, 1))
+            instrs.append((2, 2, 4, 0))
+            #instrs.append((2, 2, 3, 1))
+
+        if False:
+            instrs.append((2, 1, 2, 3))
+
+        if False:
+            instrs.append((2, 6, 2, 1))
+            instrs.append((2, 1, 2, 0))
+
+        if False:
+            instrs.append((1, 2, 7, 2))
+            instrs.append((7, 1, 5, 0))
+            instrs.append((4, 4, 1, 1))
+
+        if False:
+            instrs.append((5, 6, 2, 2))
+            instrs.append((1, 1, 4, 1))
+            instrs.append((6, 5, 3, 0))
+
+        if False:
+            # Write-after-Write Hazard
+            instrs.append( (3, 6, 7, 2) )
+            instrs.append( (4, 4, 7, 1) )
+
+        if False:
+            # self-read/write-after-write followed by Read-after-Write
+            instrs.append((1, 1, 1, 1))
+            instrs.append((1, 5, 3, 0))
+
+        if False:
+            # Read-after-Write followed by self-read-after-write
+            instrs.append((5, 6, 1, 2))
+            instrs.append((1, 1, 1, 1))
+
+        if False:
+            # self-read-write sandwich
+            instrs.append((5, 6, 1, 2))
+            instrs.append((1, 1, 1, 1))
+            instrs.append((1, 5, 3, 0))
+
+        if True:
+            instrs.append( (7, 1, 2, 0) )
+            instrs.append( (1, 1, 4, 2) )
+            instrs.append( (2, 3, 2, 2) )
+            instrs.append( (5, 3, 1, 0) )
+            instrs.append( (7, 3, 5, 2) )
+            instrs.append( (1, 2, 6, 2) )
+            instrs.append( (5, 2, 5, 2) )
+            instrs.append( (2, 2, 3, 0) )
+            instrs.append( (4, 2, 2, 1) )
+            instrs.append( (2, 4, 6, 1) )
+
+        # issue instruction(s), wait for issue to be free before proceeding
+        for i, (src1, src2, dest, op) in enumerate(instrs):
+
+            print ("instr %d: (%d, %d, %d, %d)" % (i, src1, src2, dest, op))
+            yield from int_instr(dut, alusim, op, src1, src2, dest)
+            yield
             while True:
-                dest = randint(1, dut.n_regs-1)
-                break
-                if dest not in [src1, src2]:
+                issue_o = yield dut.issue_o
+                if issue_o:
+                    for i in range(len(dut.int_insn_i)):
+                        yield dut.int_insn_i[i].eq(0)
+                        yield dut.reg_enable_i.eq(0)
                     break
-            #src1 = 2
-            #src2 = 3
-            #dest = 2
-
-            op = randint(0, 1)
-            op = i % 2
-            op = 0
-        instrs.append((src1, src2, dest, op))
+                #print ("busy",)
+                #yield from print_reg(dut, [1,2,3])
+                yield
+            #yield from print_reg(dut, [1,2,3])
 
-    if False:
-        instrs.append((2, 3, 3, 0))
-        instrs.append((5, 3, 3, 1))
-
-    if True:
-        instrs.append((5, 6, 2, 1))
-        instrs.append((2, 2, 4, 0))
-        #instrs.append((2, 2, 3, 1))
-
-    for i, (src1, src2, dest, op) in enumerate(instrs):
-
-        print ("instr %d: %d %d %d %d\n" % (i, op, src1, src2, dest))
-        yield from int_instr(dut, alusim, op, src1, src2, dest)
+        # wait for all instructions to stop before checking
         yield
         while True:
-            issue_o = yield dut.issue_o
-            if issue_o:
-                for i in range(len(dut.int_insn_i)):
-                    yield dut.int_insn_i[i].eq(0)
-                    yield dut.reg_enable_i.eq(0)
+            busy_o = yield dut.busy_o
+            if not busy_o:
                 break
             print ("busy",)
-            yield from print_reg(dut, [1,2,3])
             yield
-        yield from print_reg(dut, [1,2,3])
-        yield
-        yield
-        yield
 
-    yield
-    yield from print_reg(dut, [1,2,3])
-    yield
-    yield from print_reg(dut, [1,2,3])
-    yield
-    yield from print_reg(dut, [1,2,3])
-    yield
-    yield from print_reg(dut, [1,2,3])
-    yield
-    yield
-    yield
-    yield
-    yield from alusim.check(dut)
-    yield from alusim.dump(dut)
+        # check status
+        yield from alusim.check(dut)
+        yield from alusim.dump(dut)
 
 
 def explore_groups(dut):