move add to ieee754 directory
[ieee754fpu.git] / src / ieee754 / add / stageapi.py
diff --git a/src/ieee754/add/stageapi.py b/src/ieee754/add/stageapi.py
new file mode 100644 (file)
index 0000000..9651bf7
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,271 @@
+""" Stage API
+
+    Associated development bugs:
+    * http://bugs.libre-riscv.org/show_bug.cgi?id=64
+    * http://bugs.libre-riscv.org/show_bug.cgi?id=57
+
+    Stage API:
+    ---------
+
+    stage requires compliance with a strict API that may be
+    implemented in several means, including as a static class.
+
+    Stages do not HOLD data, and they definitely do not contain
+    signalling (ready/valid).  They do however specify the FORMAT
+    of the incoming and outgoing data, and they provide a means to
+    PROCESS that data (from incoming format to outgoing format).
+
+    Stage Blocks really should be combinatorial blocks (Moore FSMs).
+    It would be ok to have input come in from sync'd sources
+    (clock-driven, Mealy FSMs) however by doing so they would no longer
+    be deterministic, and chaining such blocks with such side-effects
+    together could result in unexpected, unpredictable, unreproduceable
+    behaviour.
+
+    So generally to be avoided, then unless you know what you are doing.
+    https://en.wikipedia.org/wiki/Moore_machine
+    https://en.wikipedia.org/wiki/Mealy_machine
+
+    the methods of a stage instance must be as follows:
+
+    * ispec() - Input data format specification.  Takes a bit of explaining.
+                The requirements are: something that eventually derives from
+                nmigen Value must be returned *OR* an iterator or iterable
+                or sequence (list, tuple etc.) or generator must *yield*
+                thing(s) that (eventually) derive from the nmigen Value class.
+
+                Complex to state, very simple in practice:
+                see test_buf_pipe.py for over 25 worked examples.
+
+    * ospec() - Output data format specification.
+                format requirements identical to ispec.
+
+    * process(m, i) - Optional function for processing ispec-formatted data.
+                returns a combinatorial block of a result that
+                may be assigned to the output, by way of the "nmoperator.eq"
+                function.  Note that what is returned here can be
+                extremely flexible.  Even a dictionary can be returned
+                as long as it has fields that match precisely with the
+                Record into which its values is intended to be assigned.
+                Again: see example unit tests for details.
+
+    * setup(m, i) - Optional function for setting up submodules.
+                may be used for more complex stages, to link
+                the input (i) to submodules.  must take responsibility
+                for adding those submodules to the module (m).
+                the submodules must be combinatorial blocks and
+                must have their inputs and output linked combinatorially.
+
+    Both StageCls (for use with non-static classes) and Stage (for use
+    by static classes) are abstract classes from which, for convenience
+    and as a courtesy to other developers, anything conforming to the
+    Stage API may *choose* to derive.  See Liskov Substitution Principle:
+    https://en.wikipedia.org/wiki/Liskov_substitution_principle
+
+    StageChain:
+    ----------
+
+    A useful combinatorial wrapper around stages that chains them together
+    and then presents a Stage-API-conformant interface.  By presenting
+    the same API as the stages it wraps, it can clearly be used recursively.
+
+    StageHelper:
+    ----------
+
+    A convenience wrapper around a Stage-API-compliant "thing" which
+    complies with the Stage API and provides mandatory versions of
+    all the optional bits.
+"""
+
+from abc import ABCMeta, abstractmethod
+import inspect
+
+import nmoperator
+
+
+def _spec(fn, name=None):
+    """ useful function that determines if "fn" has an argument "name".
+        if so, fn(name) is called otherwise fn() is called.
+
+        means that ispec and ospec can be declared with *or without*
+        a name argument.  normally it would be necessary to have
+        "ispec(name=None)" to achieve the same effect.
+    """
+    if name is None:
+        return fn()
+    varnames = dict(inspect.getmembers(fn.__code__))['co_varnames']
+    if 'name' in varnames:
+        return fn(name=name)
+    return fn()
+
+
+class StageCls(metaclass=ABCMeta):
+    """ Class-based "Stage" API.  requires instantiation (after derivation)
+
+        see "Stage API" above..  Note: python does *not* require derivation
+        from this class.  All that is required is that the pipelines *have*
+        the functions listed in this class.  Derivation from this class
+        is therefore merely a "courtesy" to maintainers.
+    """
+    @abstractmethod
+    def ispec(self): pass       # REQUIRED
+    @abstractmethod
+    def ospec(self): pass       # REQUIRED
+    #@abstractmethod
+    #def setup(self, m, i): pass # OPTIONAL
+    #@abstractmethod
+    #def process(self, i): pass  # OPTIONAL
+
+
+class Stage(metaclass=ABCMeta):
+    """ Static "Stage" API.  does not require instantiation (after derivation)
+
+        see "Stage API" above.  Note: python does *not* require derivation
+        from this class.  All that is required is that the pipelines *have*
+        the functions listed in this class.  Derivation from this class
+        is therefore merely a "courtesy" to maintainers.
+    """
+    @staticmethod
+    @abstractmethod
+    def ispec(): pass
+
+    @staticmethod
+    @abstractmethod
+    def ospec(): pass
+
+    #@staticmethod
+    #@abstractmethod
+    #def setup(m, i): pass
+
+    #@staticmethod
+    #@abstractmethod
+    #def process(i): pass
+
+
+class StageHelper(Stage):
+    """ a convenience wrapper around something that is Stage-API-compliant.
+        (that "something" may be a static class, for example).
+
+        StageHelper happens to also be compliant with the Stage API,
+        it differs from the stage that it wraps in that all the "optional"
+        functions are provided (hence the designation "convenience wrapper")
+    """
+    def __init__(self, stage):
+        self.stage = stage
+        self._ispecfn = None
+        self._ospecfn = None
+        if stage is not None:
+            self.set_specs(self, self)
+
+    def ospec(self, name):
+        assert self._ospecfn is not None
+        return _spec(self._ospecfn, name)
+
+    def ispec(self, name):
+        assert self._ispecfn is not None
+        return _spec(self._ispecfn, name)
+
+    def set_specs(self, p, n):
+        """ sets up the ispecfn and ospecfn for getting input and output data
+        """
+        if hasattr(p, "stage"):
+            p = p.stage
+        if hasattr(n, "stage"):
+            n = n.stage
+        self._ispecfn = p.ispec
+        self._ospecfn = n.ospec
+
+    def new_specs(self, name):
+        """ allocates new ispec and ospec pair
+        """
+        return (_spec(self.ispec, "%s_i" % name),
+                _spec(self.ospec, "%s_o" % name))
+
+    def process(self, i):
+        if self.stage and hasattr(self.stage, "process"):
+            return self.stage.process(i)
+        return i
+
+    def setup(self, m, i):
+        if self.stage is not None and hasattr(self.stage, "setup"):
+            self.stage.setup(m, i)
+
+    def _postprocess(self, i): # XXX DISABLED
+        return i # RETURNS INPUT
+        if hasattr(self.stage, "postprocess"):
+            return self.stage.postprocess(i)
+        return i
+
+
+class StageChain(StageHelper):
+    """ pass in a list of stages, and they will automatically be
+        chained together via their input and output specs into a
+        combinatorial chain, to create one giant combinatorial block.
+
+        the end result basically conforms to the exact same Stage API.
+
+        * input to this class will be the input of the first stage
+        * output of first stage goes into input of second
+        * output of second goes into input into third
+        * ... (etc. etc.)
+        * the output of this class will be the output of the last stage
+
+        NOTE: whilst this is very similar to ControlBase.connect(), it is
+        *really* important to appreciate that StageChain is pure
+        combinatorial and bypasses (does not involve, at all, ready/valid
+        signalling of any kind).
+
+        ControlBase.connect on the other hand respects, connects, and uses
+        ready/valid signalling.
+
+        Arguments:
+
+        * :chain: a chain of combinatorial blocks conforming to the Stage API
+                  NOTE: StageChain.ispec and ospect have to have something
+                  to return (beginning and end specs of the chain),
+                  therefore the chain argument must be non-zero length
+
+        * :specallocate: if set, new input and output data will be allocated
+                         and connected (eq'd) to each chained Stage.
+                         in some cases if this is not done, the nmigen warning
+                         "driving from two sources, module is being flattened"
+                         will be issued.
+
+        NOTE: do NOT use StageChain with combinatorial blocks that have
+        side-effects (state-based / clock-based input) or conditional
+        (inter-chain) dependencies, unless you really know what you are doing.
+    """
+    def __init__(self, chain, specallocate=False):
+        assert len(chain) > 0, "stage chain must be non-zero length"
+        self.chain = chain
+        StageHelper.__init__(self, None)
+        self.setup = self._sa_setup if specallocate else self._na_setup
+        self.set_specs(self.chain[0], self.chain[-1])
+
+    def _sa_setup(self, m, i):
+        for (idx, c) in enumerate(self.chain):
+            if hasattr(c, "setup"):
+                c.setup(m, i)               # stage may have some module stuff
+            ofn = self.chain[idx].ospec     # last assignment survives
+            o = _spec(ofn, 'chainin%d' % idx)
+            m.d.comb += nmoperator.eq(o, c.process(i)) # process input into "o"
+            if idx == len(self.chain)-1:
+                break
+            ifn = self.chain[idx+1].ispec   # new input on next loop
+            i = _spec(ifn, 'chainin%d' % (idx+1))
+            m.d.comb += nmoperator.eq(i, o) # assign to next input
+        self.o = o
+        return self.o                       # last loop is the output
+
+    def _na_setup(self, m, i):
+        for (idx, c) in enumerate(self.chain):
+            if hasattr(c, "setup"):
+                c.setup(m, i)               # stage may have some module stuff
+            i = o = c.process(i)            # store input into "o"
+        self.o = o
+        return self.o                       # last loop is the output
+
+    def process(self, i):
+        return self.o # conform to Stage API: return last-loop output
+
+