add comments / docstrings for layout function to illustrate where
[ieee754fpu.git] / src / ieee754 / part / layout_experiment.py
index 335dc41dbda00f6de3437fbeb83f9f210707a754..c3d78f020b5ed2af7669dafd4297f89918561b66 100644 (file)
@@ -25,14 +25,29 @@ from pprint import pprint
 from ieee754.part_mul_add.partpoints import PartitionPoints
 
 
+# XXX MAKE SURE TO PRESERVE ALL THESE COMMENTS XXX
+
 # main fn, which started out here in the bugtracker:
 # https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=713#c20
-def layout(elwid, signed, part_counts, lane_shapes=None, fixed_width=None):
+# note that signed is **NOT** part of the layout, and will NOT
+# be added (because it is not relevant or appropriate).
+# sign belongs in ast.Shape and is the only appropriate location.
+# there is absolutely nothing within this function that in any
+# way requires a sign.  it is *purely* performing numerical width
+# computations that have absolutely nothing to do with whether the
+# actual data is signed or unsigned.
+#
+# context for parameters:
+# http://lists.libre-soc.org/pipermail/libre-soc-dev/2021-October/003921.html
+def layout(elwid,            # comes from SimdScope constructor
+           vec_el_counts,    # comes from SimdScope constructor
+           lane_shapes=None,   # from SimdScope.Signal via a SimdShape
+           fixed_width=None):  # from SimdScope.Signal via a SimdShape
     """calculate a SIMD layout.
 
     Glossary:
     * element: a single scalar value that is an element of a SIMD vector.
-        it has a width in bits, and a signedness. Every element is made of 1 or
+        it has a width in bits. Every element is made of 1 or
         more parts.
     * ElWid: the element-width (really the element type) of an instruction.
         Either an integer or a FP type. Integer `ElWid`s are sign-agnostic.
@@ -53,39 +68,33 @@ def layout(elwid, signed, part_counts, lane_shapes=None, fixed_width=None):
             F16 = ...    # SVP64 value 0b10
             BF16 = ...   # SVP64 value 0b11
 
-    * part: A piece of a SIMD vector, every SIMD vector is made of a
-        non-negative integer of parts. Elements are made of a power-of-two
-        number of parts. A part is a fixed number of bits wide for each
-        different SIMD layout, it doesn't vary when `elwid` changes. A part
-        can have a bit width of any non-negative integer, it is not restricted
-        to power-of-two. SIMD vectors should have as few parts as necessary,
-        since some circuits have size proportional to the number of parts.
-
-
     * elwid: ElWid or nmigen Value with ElWid as the shape
         the current element-width
-    * signed: bool
-        the signedness of all elements in a SIMD layout
-    * part_counts: dict[ElWid, int]
-        a map from `ElWid` values `k` to the number of parts in an element
-        when `elwid == k`. Values should be minimized, since higher values
-        often create bigger circuits.
+
+    * vec_el_counts: dict[ElWid, int]
+        a map from `ElWid` values `k` to the number of vector elements
+        required within a partition when `elwid == k`.
 
         Example:
-        # here, an I8 element is 1 part wide
-        part_counts = {ElWid.I8: 1,
-                       ElWid.I16: 2,
-                       ElWid.I32: 4,
-                       ElWid.I64: 8}
+        vec_el_counts = {ElWid.I8(==0b11): 8, # 8 vector elements
+                       ElWid.I16(==0b10): 4,  # 4 vector elements
+                       ElWid.I32(==0b01): 2,  # 2 vector elements
+                       ElWid.I64(==0b00): 1}  # 1 vector (aka scalar) element
 
         Another Example:
-        # here, an F16 element is 1 part wide
-        part_counts = {ElWid.F16: 1, ElWid.BF16: 1, ElWid.F32: 2, ElWid.F64: 4}
+        vec_el_counts = {ElWid.BF16(==0b11): 4, # 4 vector elements
+                         ElWid.F16(==0b10): 4,  # 4 vector elements
+                         ElWid.F32(==0b01): 2,  # 2 vector elements
+                         ElWid.F64(==0b00): 1}  # 1 (aka scalar) vector element
+
     * lane_shapes: int or Mapping[ElWid, int] (optional)
         the bit-width of all elements in a SIMD layout.
+        if not provided, the lane_shapes are computed from fixed_width
+        and vec_el_counts at each elwidth.
+
     * fixed_width: int (optional)
-        the total width of a SIMD vector. One of lane_shapes and fixed_width
-        must be provided.
+        the total width of a SIMD vector. One or both of lane_shapes or
+        fixed_width may be provided.  Both may not be left out.
     """
     # when there are no lane_shapes specified, this indicates a
     # desire to use the maximum available space based on the fixed width
@@ -93,71 +102,116 @@ def layout(elwid, signed, part_counts, lane_shapes=None, fixed_width=None):
     if lane_shapes is None:
         assert fixed_width is not None, \
             "both fixed_width and lane_shapes cannot be None"
-        lane_shapes = {i: fixed_width // part_counts[i] for i in part_counts}
+        lane_shapes = {i: fixed_width // vec_el_counts[i]
+                       for i in vec_el_counts}
         print("lane_shapes", fixed_width, lane_shapes)
+
     # identify if the lane_shapes is a mapping (dict, etc.)
     # if not, then assume that it is an integer (width) that
     # needs to be requested across all partitions
     if not isinstance(lane_shapes, Mapping):
-        lane_shapes = {i: lane_shapes for i in part_counts}
+        lane_shapes = {i: lane_shapes for i in vec_el_counts}
+
     # compute a set of partition widths
-    print("lane_shapes", lane_shapes, "part_counts", part_counts)
-    cpart_wid = max(lane_shapes.values())
-    part_count = max(part_counts.values())
-    # calculate the minumum width required
-    width = cpart_wid * part_count
+    print("lane_shapes", lane_shapes, "vec_el_counts", vec_el_counts)
+    cpart_wid = 0
+    width = 0
+    for i, lwid in lane_shapes.items():
+        required_width = lwid * vec_el_counts[i]
+        print("     required width", cpart_wid, i, lwid, required_width)
+        if required_width > width:
+            cpart_wid = lwid
+            width = required_width
+
+    # calculate the minumum width required if fixed_width specified
+    part_count = max(vec_el_counts.values())
     print("width", width, cpart_wid, part_count)
     if fixed_width is not None:  # override the width and part_wid
-        assert width < fixed_width, "not enough space to fit partitions"
+        assert width <= fixed_width, "not enough space to fit partitions"
         part_wid = fixed_width // part_count
         assert part_wid * part_count == fixed_width, \
             "calculated width not aligned multiples"
         width = fixed_width
-        print("part_wid", part_wid, "count", part_count)
-    else:
-        # go with computed width
-        part_wid = cpart_wid
+        print("part_wid", part_wid, "count", part_count, "width", width)
+
     # create the breakpoints dictionary.
     # do multi-stage version https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=713#c34
     # https://stackoverflow.com/questions/26367812/
     dpoints = defaultdict(list)  # if empty key, create a (empty) list
-    for i, c in part_counts.items():
-        def add_p(p):
+    padding_masks = {}
+    always_padding_mask = (1 << width) - 1  # start with all bits padding
+    for i, c in vec_el_counts.items():
+        print("dpoints", i, "count", c)
+        # calculate part_wid based on overall width divided by number
+        # of elements.
+        part_wid = width // c
+
+        padding_mask = (1 << width) - 1  # start with all bits padding
+
+        def add_p(msg, start, p):
+            print("    adding dpoint", msg, start, part_wid, i, c, p)
             dpoints[p].append(i)  # auto-creates list if key non-existent
-        for start in range(0, part_count, c):
-            add_p(start * part_wid)  # start of lane
-            add_p(start * part_wid + lane_shapes[i])  # start of padding
+        # for each elwidth, create the required number of vector elements
+        for start in range(c):
+            start_bit = start * part_wid
+            end_bit = start_bit + lane_shapes[i]
+            element_mask = (1 << end_bit) - (1 << start_bit)
+            padding_mask &= ~element_mask  # remove element from padding_mask
+            add_p("start", start, start_bit)  # start of lane
+            add_p("end  ", start, end_bit)  # end lane
+        padding_masks[i] = padding_mask
+        always_padding_mask &= padding_mask
+
+    # deduplicate dpoints lists
+    for k in dpoints.keys():
+        dpoints[k] = list({i: None for i in dpoints[k]}.keys())
+
     # do not need the breakpoints at the very start or the very end
     dpoints.pop(0, None)
     dpoints.pop(width, None)
-    plist = list(dpoints.keys())
-    plist.sort()
+
+    # sort dpoints keys
+    dpoints = dict(sorted(dpoints.items(), key=lambda i: i[0]))
+
     print("dpoints")
-    pprint(dict(dpoints))
+    pprint(dpoints)
+
     # second stage, add (map to) the elwidth==i expressions.
     # TODO: use nmutil.treereduce?
     points = {}
-    for p in plist:
+    for p in dpoints.keys():
         points[p] = map(lambda i: elwid == i, dpoints[p])
         points[p] = reduce(operator.or_, points[p])
+
     # third stage, create the binary values which *if* elwidth is set to i
     # *would* result in the mask at that elwidth being set to this value
     # these can easily be double-checked through Assertion
     bitp = {}
-    for i in part_counts.keys():
+    for i in vec_el_counts.keys():
         bitp[i] = 0
-        for p, elwidths in dpoints.items():
+        for bit_index, (p, elwidths) in enumerate(dpoints.items()):
             if i in elwidths:
-                bitpos = plist.index(p)
-                bitp[i] |= 1 << bitpos
+                bitp[i] |= 1 << bit_index
+
     # fourth stage: determine which partitions are 100% unused.
     # these can then be "blanked out"
-    bmask = (1 << len(plist))-1
-    for p in bitp.values():
-        bmask &= ~p
+
+    # points are the partition separators, not partition indexes
+    partition_ends = [*dpoints.keys(), width]
+    bmask = 0
+    partition_start = 0
+    for bit_index, partition_end in enumerate(partition_ends):
+        pmask = (1 << partition_end) - (1 << partition_start)
+        always_padding = (always_padding_mask & pmask) == pmask
+        if always_padding:
+            bmask |= 1 << bit_index
+        partition_start = partition_end
     return (PartitionPoints(points), bitp, bmask, width, lane_shapes,
-            part_wid, part_count)
+            part_wid)
 
+# XXX XXX XXX XXX quick tests TODO convert to proper ones but kinda good
+# enough for now.  if adding new tests do not alter or delete the old ones
+# XXX XXX XXX XXX
 
 if __name__ == '__main__':
 
@@ -167,7 +221,7 @@ if __name__ == '__main__':
     # elwidth=0b10 QTY 2 partitions:   |    ?     |     ?    |
     # elwidth=0b11 QTY 4 partitions:   | ?  |  ?  |  ?  | ?  |
     # actual widths of Signals *within* those partitions is given separately
-    part_counts = {
+    vec_el_counts = {
         0: 1,
         1: 1,
         2: 2,
@@ -184,31 +238,18 @@ if __name__ == '__main__':
     width_in_all_parts = 3
 
     for i in range(4):
-        pprint((i, layout(i, True, part_counts, width_in_all_parts)))
-
-    # fixed_width=32 and no lane_widths says "allocate maximum"
-    # i.e. Vector Element Widths are auto-allocated
-    # elwidth=0b00 1x 32-bit    | .................32 |
-    # elwidth=0b01 1x 32-bit    | .................32 |
-    # elwidth=0b10 2x 12-bit    | ......16 | ......16 |
-    # elwidth=0b11 3x 24-bit    | ..8| ..8 | ..8 |..8 |
-    # expected partitions      (^)   |     |     |   (^)
-    # to be at these points:   (|)   |     |     |    |
-
-    # TODO, fix this so that it is correct
-    #print ("maximum allocation from fixed_width=32")
-    # for i in range(4):
-    #    pprint((i, layout(i, True, part_counts, fixed_width=32)))
+        pprint((i, layout(i, vec_el_counts, width_in_all_parts)))
 
     # specify that the Vector Element lengths are to be *different* at
     # each of the elwidths.
-    # combined with part_counts we have:
-    # elwidth=0b00 1x 5-bit     | <--  unused               -->....5 |
-    # elwidth=0b01 1x 6-bit     | <--  unused              -->.....6 |
-    # elwidth=0b10 2x 12-bit    | unused   .....6 | unused    .....6 |
-    # elwidth=0b11 3x 24-bit    | .....6 | .....6 |  .....6 | .....6 |
-    # expected partitions      (^)       ^        ^         ^^      (^)
-    # to be at these points:   (|)       |        |         ||      (|)
+    # combined with vec_el_counts we have:
+    # elwidth=0b00 1x 5-bit    |<----unused---------->....5|
+    # elwidth=0b01 1x 6-bit    |<----unused--------->.....6|
+    # elwidth=0b10 2x 6-bit    |unused>.....6|unused>.....6|
+    # elwidth=0b11 4x 6-bit    |.....6|.....6|.....6|.....6|
+    # expected partitions     (^)     ^      ^      ^^    (^)
+    # to be at these points:  (|)     |      |      ||    (|)
+    #                         (24)   18     12      65    (0)
     widths_at_elwidth = {
         0: 5,
         1: 6,
@@ -216,21 +257,55 @@ if __name__ == '__main__':
         3: 6
     }
 
-    print ("5,6,6,6 elements", widths_at_elwidth)
+    print("5,6,6,6 elements", widths_at_elwidth)
     for i in range(4):
-        pprint((i, layout(i, False, part_counts, widths_at_elwidth)))
+        pp, bitp, bm, b, c, d = \
+            layout(i, vec_el_counts, widths_at_elwidth)
+        pprint((i, (pp, bitp, bm, b, c, d)))
+    # now check that the expected partition points occur
+    print("5,6,6,6 ppt keys", pp.keys())
+    assert list(pp.keys()) == [5, 6, 12, 18]
+    assert bm == 0  # no unused partitions
+
+    # this example was probably what the 5,6,6,6 one was supposed to be.
+    # combined with vec_el_counts {0:1, 1:1, 2:2, 3:4} we have:
+    # elwidth=0b00 1x 24-bit    |.........................24|
+    # elwidth=0b01 1x 12-bit    |<--unused--->|...........12|
+    # elwidth=0b10 2x 5 -bit    |unused>|....5|unused>|....5|
+    # elwidth=0b11 4x 6 -bit    |.....6|.....6|.....6|.....6|
+    # expected partitions      (^)     ^^     ^       ^^    (^)
+    # to be at these points:   (|)     ||     |       ||    (|)
+    #                          (24)   1817   12       65    (0)
+    widths_at_elwidth = {
+        0: 24,  # QTY 1x 24
+        1: 12,  # QTY 1x 12
+        2: 5,   # QTY 2x 5
+        3: 6    # QTY 4x 6
+    }
+
+    print("24,12,5,6 elements", widths_at_elwidth)
+    for i in range(4):
+        pp, bitp, bm, b, c, d = \
+            layout(i, vec_el_counts, widths_at_elwidth)
+        pprint((i, (pp, bitp, bm, b, c, d)))
+    # now check that the expected partition points occur
+    print("24,12,5,6 ppt keys", pp.keys())
+    assert list(pp.keys()) == [5, 6, 12, 17, 18]
+    print("bmask", bin(bm))
+    assert bm == 0  # no unused partitions
 
     # this tests elwidth as an actual Signal. layout is allowed to
     # determine arbitrarily the overall length
     # https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=713#c30
 
     elwid = Signal(2)
-    pp, bitp, bm, b, c, d, e = layout(
-        elwid, False, part_counts, widths_at_elwidth)
-    pprint((pp, b, c, d, e))
+    pp, bitp, bm, b, c, d = layout(
+        elwid, vec_el_counts, widths_at_elwidth)
+    pprint((pp, b, c, d))
     for k, v in bitp.items():
         print("bitp elwidth=%d" % k, bin(v))
     print("bmask", bin(bm))
+    assert bm == 0  # no unused partitions
 
     m = Module()
 
@@ -242,7 +317,7 @@ if __name__ == '__main__':
             for pval in list(pp.values()):
                 val = yield pval  # get nmigen to evaluate pp
                 ppt.append(val)
-            pprint((i, (ppt, b, c, d, e)))
+            pprint((i, (ppt, b, c, d)))
             # check the results against bitp static-expected partition points
             # https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=713#c47
             # https://stackoverflow.com/a/27165694
@@ -257,14 +332,35 @@ if __name__ == '__main__':
     # determine arbitrarily the overall length, it is fixed to 64
     # https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=713#c22
 
+    # combined with vec_el_counts {0:1, 1:1, 2:2, 3:4} we have:
+    # elwidth=0b00 1x 24-bit
+    # elwidth=0b01 1x 12-bit
+    # elwidth=0b10 2x 5-bit
+    # elwidth=0b11 4x 6-bit
+    #
+    # bmask<--------1<----0<---------10<---0<-------1<0<----0<---0<----00<---0
+    # always unused:|     |     |    ||    |    |   | |     |    |     ||    |
+    #      1111111111000000 1111111111000000 1111111100000000 0000000000000000
+    #               |     |     |    ||    |    |   | |     |    |     ||    |
+    # 0b00 xxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxx........ ..............24|
+    # 0b01 xxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxx xxxx..........12|
+    # 0b10 xxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx....5|xxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx....5|
+    # 0b11 xxxxxxxxxx.....6|xxxxxxxxxx.....6|xxxxxxxxxx.....6|xxxxxxxxxx.....6|
+    #               ^     ^          ^^    ^        ^ ^     ^    ^     ^^
+    #     ppoints:  |     |          ||    |        | |     |    |     ||
+    #               |  bit-48        /\    | bit-24-/ |     | bit-12   /\-bit-5
+    #            bit-54      bit-38-/  \ bit-32       |   bit-16      /
+    #                                 bit-37       bit-22          bit-6
+
     elwid = Signal(2)
-    pp, bitp, bm, b, c, d, e = layout(elwid, False, part_counts,
-                                      widths_at_elwidth,
-                                      fixed_width=64)
-    pprint((pp, b, c, d, e))
+    pp, bitp, bm, b, c, d = layout(elwid, vec_el_counts,
+                                   widths_at_elwidth,
+                                   fixed_width=64)
+    pprint((pp, b, c, d))
     for k, v in bitp.items():
         print("bitp elwidth=%d" % k, bin(v))
     print("bmask", bin(bm))
+    assert bm == 0b101001000000
 
     m = Module()
 
@@ -277,7 +373,7 @@ if __name__ == '__main__':
                 val = yield pval  # get nmigen to evaluate pp
                 ppt.append(val)
             print("test elwidth=%d" % i)
-            pprint((i, (ppt, b, c, d, e)))
+            pprint((i, (ppt, b, c, d)))
             # check the results against bitp static-expected partition points
             # https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=713#c47
             # https://stackoverflow.com/a/27165694
@@ -288,3 +384,93 @@ if __name__ == '__main__':
     sim = Simulator(m)
     sim.add_process(process)
     sim.run()
+
+    # fixed_width=32 and no lane_widths says "allocate maximum"
+    # i.e. Vector Element Widths are auto-allocated
+    # elwidth=0b00 1x 32-bit    | .................32 |
+    # elwidth=0b01 1x 32-bit    | .................32 |
+    # elwidth=0b10 2x 12-bit    | ......16 | ......16 |
+    # elwidth=0b11 3x 24-bit    | ..8| ..8 | ..8 |..8 |
+    # expected partitions      (^)   |     |     |   (^)
+    # to be at these points:   (|)   |     |     |    |
+
+    # TODO, fix this so that it is correct.  put it at the end so it
+    # shows that things break and doesn't stop the other tests.
+    print("maximum allocation from fixed_width=32")
+    for i in range(4):
+        pprint((i, layout(i, vec_el_counts, fixed_width=32)))
+
+    # example "exponent"
+    #  https://libre-soc.org/3d_gpu/architecture/dynamic_simd/shape/
+    # 1xFP64: 11 bits, one exponent
+    # 2xFP32: 8 bits, two exponents
+    # 4xFP16: 5 bits, four exponents
+    # 4xBF16: 8 bits, four exponents
+    vec_el_counts = {
+        0: 1,  # QTY 1x FP64
+        1: 2,  # QTY 2x FP32
+        2: 4,  # QTY 4x FP16
+        3: 4,  # QTY 4x BF16
+    }
+    widths_at_elwidth = {
+        0: 11,  # FP64 ew=0b00
+        1: 8,  # FP32 ew=0b01
+        2: 5,  # FP16 ew=0b10
+        3: 8   # BF16 ew=0b11
+    }
+
+    # expected results:
+    #
+    #        |31|  |  |24|     16|15  |  |   8|7     0 |
+    #        |31|28|26|24| |20|16|  12|  |10|8|5|4   0 |
+    #  32bit | x| x| x|  |      x|   x| x|10 ....    0 |
+    #  16bit | x| x|26    ... 16 |   x| x|10 ....    0 |
+    #  8bit  | x|28 .. 24|  20.16|   x|11 .. 8|x|4.. 0 |
+    #  unused  x                     x
+
+    print("11,8,5,8 elements (FP64/32/16/BF exponents)", widths_at_elwidth)
+    for i in range(4):
+        pp, bitp, bm, b, c, d = \
+            layout(i, vec_el_counts, widths_at_elwidth,
+                   fixed_width=32)
+        pprint((i, (pp, bitp, bin(bm), b, c, d)))
+    # now check that the expected partition points occur
+    print("11,8,5,8 pp keys", pp.keys())
+    #assert list(pp.keys()) == [5,6,12,18]
+
+    ######                                                           ######
+    ###### 2nd test, different from the above, elwid=0b10 ==> 11 bit ######
+    ######                                                           ######
+
+    # example "exponent"
+    vec_el_counts = {
+        0: 1,  # QTY 1x FP64
+        1: 2,  # QTY 2x FP32
+        2: 4,  # QTY 4x FP16
+        3: 4,  # QTY 4x BF16
+    }
+    widths_at_elwidth = {
+        0: 11,  # FP64 ew=0b00
+        1: 11,  # FP32 ew=0b01
+        2: 5,  # FP16 ew=0b10
+        3: 8   # BF16 ew=0b11
+    }
+
+    # expected results:
+    #
+    #        |31|  |  |24|     16|15  |  |   8|7     0 |
+    #        |31|28|26|24| |20|16|  12|  |10|8|5|4   0 |
+    #  32bit | x| x| x|  |      x|   x| x|10 ....    0 |
+    #  16bit | x| x|26    ... 16 |   x| x|10 ....    0 |
+    #  8bit  | x|28 .. 24|  20.16|   x|11 .. 8|x|4.. 0 |
+    #  unused  x                     x
+
+    print("11,8,5,8 elements (FP64/32/16/BF exponents)", widths_at_elwidth)
+    for i in range(4):
+        pp, bitp, bm, b, c, d = \
+            layout(i, vec_el_counts, widths_at_elwidth,
+                   fixed_width=32)
+        pprint((i, (pp, bitp, bin(bm), b, c, d)))
+    # now check that the expected partition points occur
+    print("11,8,5,8 pp keys", pp.keys())
+    #assert list(pp.keys()) == [5,6,12,18]