make bgt accessible outside of CU
[soc.git] / src / experiment / score6600.py
index 0d334ec1d34b1cfacee40b4dbfd9fd6aeb9cc0bd..9966e9ac06f4a07615923e5a49d21adc886999c0 100644 (file)
@@ -9,14 +9,16 @@ from scoreboard.fu_reg_matrix import FURegDepMatrix
 from scoreboard.global_pending import GlobalPending
 from scoreboard.group_picker import GroupPicker
 from scoreboard.issue_unit import IntFPIssueUnit, RegDecode
+from scoreboard.shadow import ShadowMatrix, WaWGrid
 
 from compalu import ComputationUnitNoDelay
 
-from alu_hier import ALU
+from alu_hier import ALU, BranchALU
 from nmutil.latch import SRLatch
 
 from random import randint
 
+
 class CompUnits(Elaboratable):
 
     def __init__(self, rwid, n_units):
@@ -24,46 +26,79 @@ class CompUnits(Elaboratable):
 
             * :rwid:   bit width of register file(s) - both FP and INT
             * :n_units: number of ALUs
+
+            Note: bgt unit is returned so that a shadow unit can be created
+            for it
+
         """
         self.n_units = n_units
         self.rwid = rwid
 
+        # inputs
         self.issue_i = Signal(n_units, reset_less=True)
         self.go_rd_i = Signal(n_units, reset_less=True)
         self.go_wr_i = Signal(n_units, reset_less=True)
+        self.shadown_i = Signal(n_units, reset_less=True)
+        self.go_die_i = Signal(n_units, reset_less=True)
+
+        # outputs
         self.busy_o = Signal(n_units, reset_less=True)
+        self.rd_rel_o = Signal(n_units, reset_less=True)
         self.req_rel_o = Signal(n_units, reset_less=True)
 
+        # in/out register data (note: not register#, actual data)
         self.dest_o = Signal(rwid, reset_less=True)
         self.src1_data_i = Signal(rwid, reset_less=True)
         self.src2_data_i = Signal(rwid, reset_less=True)
 
+        # Branch ALU
+        self.bgt = BranchALU(self.rwid)
+
     def elaborate(self, platform):
         m = Module()
 
         # 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)
+        bgt = self.bgt
+
+        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)
+        m.submodules.br1 = br1 = ComputationUnitNoDelay(self.rwid, 2, bgt)
+        int_alus = [comp1, comp2, comp3, comp4, br1]
+
+        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
+        m.d.comb += br1.oper_i.eq(Const(0, 2)) # op=bgt
 
         go_rd_l = []
         go_wr_l = []
         issue_l = []
         busy_l = []
         req_rel_l = []
+        rd_rel_l = []
+        shadow_l = []
+        godie_l = []
         for alu in int_alus:
             req_rel_l.append(alu.req_rel_o)
+            rd_rel_l.append(alu.rd_rel_o)
+            shadow_l.append(alu.shadown_i)
+            godie_l.append(alu.go_die_i)
             go_wr_l.append(alu.go_wr_i)
             go_rd_l.append(alu.go_rd_i)
             issue_l.append(alu.issue_i)
             busy_l.append(alu.busy_o)
+        m.d.comb += self.rd_rel_o.eq(Cat(*rd_rel_l))
         m.d.comb += self.req_rel_o.eq(Cat(*req_rel_l))
         m.d.comb += self.busy_o.eq(Cat(*busy_l))
+        m.d.comb += Cat(*godie_l).eq(self.go_die_i)
+        m.d.comb += Cat(*shadow_l).eq(self.shadown_i)
         m.d.comb += Cat(*go_wr_l).eq(self.go_wr_i)
         m.d.comb += Cat(*go_rd_l).eq(self.go_rd_i)
         m.d.comb += Cat(*issue_l).eq(self.issue_i)
@@ -92,13 +127,14 @@ class FunctionUnits(Elaboratable):
         self.src1_i = Signal(n_regs, reset_less=True) # oper1 R# in
         self.src2_i = Signal(n_regs, reset_less=True) # oper2 R# in
 
+        self.g_int_rd_pend_o = Signal(n_regs, reset_less=True)
+        self.g_int_wr_pend_o = Signal(n_regs, reset_less=True)
+
         self.dest_rsel_o = Signal(n_regs, reset_less=True) # dest reg (bot)
         self.src1_rsel_o = Signal(n_regs, reset_less=True) # src1 reg (bot)
         self.src2_rsel_o = Signal(n_regs, reset_less=True) # src2 reg (bot)
 
         self.req_rel_i = Signal(n_int_alus, reset_less = True)
-        self.g_int_rd_pend_o = Signal(n_regs, reset_less=True)
-        self.g_int_wr_pend_o = Signal(n_regs, reset_less=True)
         self.readable_o = Signal(n_int_alus, reset_less=True)
         self.writable_o = Signal(n_int_alus, reset_less=True)
 
@@ -107,6 +143,8 @@ class FunctionUnits(Elaboratable):
         self.req_rel_o = Signal(n_int_alus, reset_less=True)
         self.fn_issue_i = Signal(n_int_alus, reset_less=True)
 
+        # Note: FURegs wr_pend_o is also outputted from here, for use in WaWGrid
+
     def elaborate(self, platform):
         m = Module()
 
@@ -119,11 +157,15 @@ class FunctionUnits(Elaboratable):
         intregdeps = FURegDepMatrix(n_int_fus, self.n_regs)
         m.submodules.intregdeps = intregdeps
 
-        m.d.comb += self.g_int_rd_pend_o.eq(intregdeps.rd_pend_o)
-        m.d.comb += self.g_int_wr_pend_o.eq(intregdeps.wr_pend_o)
+        m.d.comb += self.g_int_rd_pend_o.eq(intregdeps.rd_rsel_o)
+        m.d.comb += self.g_int_wr_pend_o.eq(intregdeps.wr_rsel_o)
 
-        m.d.sync += intfudeps.rd_pend_i.eq(self.g_int_rd_pend_o)
-        m.d.sync += intfudeps.wr_pend_i.eq(self.g_int_wr_pend_o)
+        m.d.comb += intregdeps.rd_pend_i.eq(intregdeps.rd_rsel_o)
+        m.d.comb += intregdeps.wr_pend_i.eq(intregdeps.wr_rsel_o)
+
+        m.d.comb += intfudeps.rd_pend_i.eq(intregdeps.rd_pend_o)
+        m.d.comb += intfudeps.wr_pend_i.eq(intregdeps.wr_pend_o)
+        self.wr_pend_o = intregdeps.wr_pend_o # also output for use in WaWGrid
 
         m.d.comb += intfudeps.issue_i.eq(self.fn_issue_i)
         m.d.comb += intfudeps.go_rd_i.eq(self.go_rd_i)
@@ -166,8 +208,19 @@ class Scoreboard(Elaboratable):
         self.int_dest_i = Signal(max=n_regs, reset_less=True) # Dest R# in
         self.int_src1_i = Signal(max=n_regs, reset_less=True) # oper1 R# in
         self.int_src2_i = Signal(max=n_regs, reset_less=True) # oper2 R# in
+        self.reg_enable_i = Signal(reset_less=True) # enable reg decode
 
+        # outputs
         self.issue_o = Signal(reset_less=True) # instruction was accepted
+        self.busy_o = Signal(reset_less=True) # at least one CU is busy
+
+        # for branch speculation experiment.  branch_direction = 0 if
+        # the branch hasn't been met yet.  1 indicates "success", 2 is "fail"
+        # branch_succ and branch_fail are requests to have the current
+        # instruction be dependent on the branch unit "shadow" capability.
+        self.branch_succ_i = Signal(reset_less=True)
+        self.branch_fail_i = Signal(reset_less=True)
+        self.branch_direction_o = Signal(2, reset_less=True)
 
     def elaborate(self, platform):
         m = Module()
@@ -175,6 +228,11 @@ class Scoreboard(Elaboratable):
         m.submodules.intregs = self.intregs
         m.submodules.fpregs = self.fpregs
 
+        # dummy values
+        m.d.sync += self.branch_succ_i.eq(Const(0))
+        m.d.sync += self.branch_fail_i.eq(Const(0))
+        m.d.sync += self.branch_direction_o.eq(Const(0))
+
         # register ports
         int_dest = self.intregs.write_port("dest")
         int_src1 = self.intregs.read_port("src1")
@@ -185,8 +243,10 @@ class Scoreboard(Elaboratable):
         fp_src2 = self.fpregs.read_port("src2")
 
         # Int ALUs and Comp Units
-        n_int_alus = 2
+        n_int_alus = 5
         m.submodules.cu = cu = CompUnits(self.rwid, n_int_alus)
+        m.d.comb += cu.go_die_i.eq(0)
+        bgt = cu.bgt # get at the branch computation unit
 
         # Int FUs
         m.submodules.intfus = intfus = FunctionUnits(self.n_regs, n_int_alus)
@@ -196,7 +256,7 @@ 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
@@ -205,6 +265,17 @@ class Scoreboard(Elaboratable):
         issueunit = IntFPIssueUnit(self.n_regs, n_int_fus, n_fp_fus)
         m.submodules.issueunit = issueunit
 
+        # Shadow Matrix.  currently n_int_fus shadows, to be used for
+        # write-after-write hazards.  NOTE: there is one extra for branches,
+        # so the shadow width is increased by 1
+        m.submodules.shadows = shadows = ShadowMatrix(n_int_fus, n_int_fus+1)
+        # combined go_rd/wr + go_die (go_die used to reset latches)
+        go_rd_rst = Signal(n_int_fus, reset_less=True)
+        go_wr_rst = Signal(n_int_fus, reset_less=True)
+        # record previous instruction to cast shadow on current instruction
+        fn_issue_prev = Signal(n_int_fus)
+        prev_shadow = Signal(n_int_fus)
+
         #---------
         # ok start wiring things together...
         # "now hear de word of de looord... dem bones dem bones dem dryy bones"
@@ -218,14 +289,14 @@ class Scoreboard(Elaboratable):
                      regdecode.dest_i.eq(self.int_dest_i),
                      regdecode.src1_i.eq(self.int_src1_i),
                      regdecode.src2_i.eq(self.int_src2_i),
-                     regdecode.enable_i.eq(1),
+                     regdecode.enable_i.eq(self.reg_enable_i),
                      issueunit.i.dest_i.eq(regdecode.dest_o),
                      self.issue_o.eq(issueunit.issue_o)
                     ]
         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
@@ -236,34 +307,70 @@ 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.sync += issueunit.i.busy_i.eq(cu.busy_o)
+        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
         #---------
 
-        # Group Picker... done manually for now.  TODO: cat array of pick sigs
+        # Group Picker... done manually for now.
         go_rd_o = intpick1.go_rd_o
         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
+        # NOTE: connect to the shadowed versions so that they can "die" (reset)
+        m.d.comb += go_rd_i[0:n_int_fus].eq(go_rd_rst[0:n_int_fus]) # rd
+        m.d.comb += go_wr_i[0:n_int_fus].eq(go_wr_rst[0:n_int_fus]) # wr
 
         # Connect Picker
         #---------
-        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.sync += intpick1.readable_i[0:2].eq(int_readable_o[0:2])
-        m.d.sync += 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])
+
+        #---------
+        # Shadow Matrix
+        #---------
+
+        m.d.comb += shadows.issue_i.eq(fn_issue_o)
+        # these are explained in ShadowMatrix docstring, and are to be
+        # connected to the FUReg and FUFU Matrices, to get them to reset
+        # NOTE: do NOT connect these to the Computation Units.  The CUs need to
+        # do something slightly different (due to the revolving-door SRLatches)
+        m.d.comb += go_rd_rst.eq(go_rd_o | shadows.go_die_o)
+        m.d.comb += go_wr_rst.eq(go_wr_o | shadows.go_die_o)
+
+        # connect shadows / go_dies to Computation Units
+        m.d.comb += cu.shadown_i[0:n_int_fus].eq(shadows.shadown_o[0:n_int_fus])
+        m.d.comb += cu.go_die_i[0:n_int_fus].eq(shadows.go_die_o[0:n_int_fus])
+
+        # ok connect first n_int_fu shadows to busy lines, to create an
+        # instruction-order linked-list-like arrangement, using a bit-matrix
+        # (instead of e.g. a ring buffer).
+        # XXX TODO
+
+        # when written, the shadow can be cancelled (and was good)
+        m.d.comb += shadows.s_good_i[0:n_int_fus].eq(go_wr_o[0:n_int_fus])
+
+        # work out the current-activated busy unit (by recording the old one)
+        with m.If(fn_issue_o): # only update prev bit if instruction issued
+            m.d.sync += fn_issue_prev.eq(fn_issue_o)
+
+        # *previous* instruction shadows *current* instruction, and, obviously,
+        # if the previous is completed (!busy) don't cast the shadow!
+        m.d.comb += prev_shadow.eq(~fn_issue_o & fn_issue_prev & cu.busy_o)
+        for i in range(n_int_fus):
+            m.d.comb += shadows.shadow_i[i][0:n_int_fus].eq(prev_shadow)
 
         #---------
         # Connect Register File(s)
         #---------
         print ("intregdeps wen len", len(intfus.dest_rsel_o))
-        m.d.sync += int_dest.wen.eq(intfus.dest_rsel_o)
+        m.d.comb += int_dest.wen.eq(intfus.dest_rsel_o)
         m.d.comb += int_src1.ren.eq(intfus.src1_rsel_o)
         m.d.comb += int_src2.ren.eq(intfus.src2_rsel_o)
 
@@ -273,9 +380,9 @@ class Scoreboard(Elaboratable):
         m.d.comb += cu.src2_data_i.eq(int_src2.data_o)
 
         # connect ALU Computation Units
-        m.d.sync += cu.go_rd_i[0:2].eq(go_rd_o[0:2])
-        m.d.sync += cu.go_wr_i[0:2].eq(go_wr_o[0:2])
-        m.d.sync += 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
 
@@ -288,19 +395,21 @@ class Scoreboard(Elaboratable):
         yield self.int_src1_i
         yield self.int_src2_i
         yield self.issue_o
-        #yield from self.int_src1
-        #yield from self.int_dest
-        #yield from self.int_src1
-        #yield from self.int_src2
-        #yield from self.fp_dest
-        #yield from self.fp_src1
-        #yield from self.fp_src2
+        yield self.branch_succ_i
+        yield self.branch_fail_i
+        yield self.branch_direction_o
 
     def ports(self):
         return list(self)
 
 IADD = 0
 ISUB = 1
+IMUL = 2
+ISHF = 3
+IBGT = 4
+IBLT = 5
+IBEQ = 6
+IBNE = 7
 
 class RegSim:
     def __init__(self, rwidth, nregs):
@@ -308,12 +417,26 @@ class RegSim:
         self.regs = [0] * nregs
 
     def op(self, op, src1, src2, dest):
-        src1 = self.regs[src1]
-        src2 = self.regs[src2]
+        maxbits = (1 << self.rwidth) - 1
+        src1 = self.regs[src1] & maxbits
+        src2 = self.regs[src2] & maxbits
         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 & maxbits)
+        elif op == IBGT:
+            val = int(src1 > src2)
+        elif op == IBLT:
+            val = int(src1 < src2)
+        elif op == IBEQ:
+            val = int(src1 == src2)
+        elif op == IBNE:
+            val = int(src1 != src2)
+        val &= maxbits
         self.regs[dest] = val
 
     def setval(self, dest, val):
@@ -333,14 +456,19 @@ class RegSim:
                 yield from self.dump(dut)
                 assert False
 
-def int_instr(dut, alusim, op, src1, src2, dest):
+def int_instr(dut, op, src1, src2, dest, branch_success, branch_fail):
     for i in range(len(dut.int_insn_i)):
         yield dut.int_insn_i[i].eq(0)
     yield dut.int_dest_i.eq(dest)
     yield dut.int_src1_i.eq(src1)
     yield dut.int_src2_i.eq(src2)
     yield dut.int_insn_i[op].eq(1)
-    alusim.op(op, src1, src2, dest)
+    yield dut.reg_enable_i.eq(1)
+
+    # these indicate that the instruction is to be made shadow-dependent on
+    # (either) branch success or branch fail
+    yield dut.branch_fail_i.eq(branch_fail)
+    yield dut.branch_succ_i.eq(branch_success)
 
 
 def print_reg(dut, rnums):
@@ -352,86 +480,226 @@ def print_reg(dut, rnums):
     print ("reg %s: %s" % (','.join(rnums), ','.join(rs)))
 
 
-def scoreboard_sim(dut, alusim):
-    yield dut.int_store_i.eq(0)
+def create_random_ops(n_ops, shadowing=False):
+    insts = []
+    for i in range(n_ops):
+        src1 = randint(1, dut.n_regs-1)
+        src2 = randint(1, dut.n_regs-1)
+        dest = randint(1, dut.n_regs-1)
+        op = randint(0, 3)
 
-    for i in range(1, dut.n_regs):
-        yield dut.intregs.regs[i].reg.eq(i*2)
-        alusim.setval(i, i*2)
+        if shadowing:
+            instrs.append((src1, src2, dest, op, (False, False)))
+        else:
+            instrs.append((src1, src2, dest, op))
+    return insts
 
-    if False:
-        yield from int_instr(dut, alusim, IADD, 4, 3, 5)
-        yield from print_reg(dut, [3,4,5])
-        yield
-        yield from int_instr(dut, alusim, IADD, 5, 2, 5)
-        yield from print_reg(dut, [3,4,5])
-        yield
-        yield from int_instr(dut, alusim, ISUB, 5, 1, 3)
-        yield from print_reg(dut, [3,4,5])
-        yield
-        for i in range(len(dut.int_insn_i)):
-            yield dut.int_insn_i[i].eq(0)
-        yield from print_reg(dut, [3,4,5])
-        yield
-        yield from print_reg(dut, [3,4,5])
-        yield
-        yield from print_reg(dut, [3,4,5])
+
+def wait_for_busy_clear(dut):
+    while True:
+        busy_o = yield dut.busy_o
+        if not busy_o:
+            break
+        print ("busy",)
         yield
 
-        yield from alusim.check(dut)
 
-    for i in range(5):
-        src1 = randint(1, dut.n_regs-1)
-        src2 = randint(1, dut.n_regs-1)
-        while True:
-            dest = randint(1, dut.n_regs-1)
+def wait_for_issue(dut):
+    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)
             break
-            if dest not in [src1, src2]:
-                break
-        #src1 = 7
-        #src2 = 4
-        #dest = 2
-
-        op = randint(0, 1)
-        op = 0
-        print ("random %d: %d %d %d %d\n" % (i, op, src1, src2, dest))
-        yield from int_instr(dut, alusim, op, src1, src2, dest)
-        yield from print_reg(dut, [3,4,5])
-        yield
-        yield from print_reg(dut, [3,4,5])
-        for i in range(len(dut.int_insn_i)):
-            yield dut.int_insn_i[i].eq(0)
-        yield
+        #print ("busy",)
+        #yield from print_reg(dut, [1,2,3])
         yield
+    #yield from print_reg(dut, [1,2,3])
 
+def scoreboard_branch_sim(dut, alusim):
 
-    yield
-    yield from print_reg(dut, [3,4,5])
-    yield
-    yield from print_reg(dut, [3,4,5])
-    yield
-    yield
-    yield
-    yield
-    yield from alusim.check(dut)
-    yield from alusim.dump(dut)
+    yield dut.int_store_i.eq(1)
 
+    for i in range(2):
 
-def explore_groups(dut):
-    from nmigen.hdl.ir import Fragment
-    from nmigen.hdl.xfrm import LHSGroupAnalyzer
+        # set random values in the registers
+        for i in range(1, dut.n_regs):
+            val = 31+i*3
+            val = randint(0, (1<<alusim.rwidth)-1)
+            yield dut.intregs.regs[i].reg.eq(val)
+            alusim.setval(i, val)
 
-    fragment = dut.elaborate(platform=None)
-    fr = Fragment.get(fragment, platform=None)
+        # create some instructions: branches create a tree
+        insts = create_random_ops(5)
 
-    groups = LHSGroupAnalyzer()(fragment._statements)
+        src1 = randint(1, dut.n_regs-1)
+        src2 = randint(1, dut.n_regs-1)
+        op = randint(4, 7)
+
+        branch_ok = create_random_ops(5)
+        branch_fail = create_random_ops(5)
+
+        insts.append((src1, src2, (branch_ok, branch_fail), op, (0, 0)))
+
+        # issue instruction(s)
+        i = -1
+        instrs = insts
+        branch_direction = 0
+        while instrs:
+            i += 1
+            (src1, src2, dest, op, (shadow_on, shadow_off)) = insts.pop()
+            if branch_direction == 1 and shadow_off:
+                continue # branch was "success" and this is a "failed"... skip
+            if branch_direction == 2 and shadow_on:
+                continue # branch was "fail" and this is a "success"... skip
+            is_branch = op >= 4
+            if is_branch:
+                branch_ok, branch_fail = dest
+                dest = None
+                # ok zip up the branch success / fail instructions and
+                # drop them into the queue, one marked "to have branch success"
+                # the other to be marked shadow branch "fail".
+                # one out of each of these will be cancelled
+                for ok, fl in zip(branch_ok, branch_fail):
+                    instrs.append((ok[0], ok[1], ok[2], ok[3], (1, 0)))
+                    instrs.append((fl[0], fl[1], fl[2], fl[3], (0, 1)))
+            print ("instr %d: (%d, %d, %d, %d)" % (i, src1, src2, dest, op))
+            yield from int_instr(dut, op, src1, src2, dest,
+                  shadow_on, shadow_off)
+            yield
+            yield from wait_for_issue(dut)
+            branch_direction = dut.branch_direction_o # which way branch went
+
+        # wait for all instructions to stop before checking
+        yield
+        yield from wait_for_busy_clear(dut)
+
+        for (src1, src2, dest, op, (shadow_on, shadow_off)) in insts:
+            is_branch = op >= 4
+            if is_branch:
+                branch_ok, branch_fail = dest
+                dest = None
+            branch_res = alusim.op(op, src1, src2, dest)
+            if is_branch:
+                if branch_res:
+                    insts.append(branch_ok)
+                else:
+                    insts.append(branch_fail)
+
+        # check status
+        yield from alusim.check(dut)
+        yield from alusim.dump(dut)
 
-    print (groups)
+
+def scoreboard_sim(dut, alusim):
+
+    yield dut.int_store_i.eq(1)
+
+    for i in range(20):
+
+        # set random values in the registers
+        for i in range(1, dut.n_regs):
+            val = 31+i*3
+            val = randint(0, (1<<alusim.rwidth)-1)
+            yield dut.intregs.regs[i].reg.eq(val)
+            alusim.setval(i, val)
+
+        # create some instructions (some random, some regression tests)
+        instrs = []
+        if True:
+            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, 4)
+                #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 False:
+            # very weird failure
+            instrs.append( (5, 2, 5, 2) )
+            instrs.append( (2, 6, 3, 0) )
+            instrs.append( (4, 2, 2, 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))
+            alusim.op(op, src1, src2, dest)
+            yield from int_instr(dut, op, src1, src2, dest, 0, 0)
+            yield
+            yield from wait_for_issue(dut)
+
+        # wait for all instructions to stop before checking
+        yield
+        yield from wait_for_busy_clear(dut)
+
+        # check status
+        yield from alusim.check(dut)
+        yield from alusim.dump(dut)
 
 
 def test_scoreboard():
-    dut = Scoreboard(32, 8)
-    alusim = RegSim(32, 8)
+    dut = Scoreboard(16, 8)
+    alusim = RegSim(16, 8)
     vl = rtlil.convert(dut, ports=dut.ports())
     with open("test_scoreboard6600.il", "w") as f:
         f.write(vl)