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[soc.git] / src / soc / fu / compunits / formal / proof_fu.py
index 340510e127dcd2bd702ba4ece4dacdb71df67e29..0af6ea6437ea501ff4441f0bd2c08361d5110997 100644 (file)
@@ -4,19 +4,21 @@
 
 # This attempts to prove most of the bullet points on that page
 
 
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-
 from nmigen import (Module, Signal, Elaboratable, Mux, Cat, Repl,
                     signed, ResetSignal)
 from nmigen.asserts import (Assert, AnyConst, Assume, Cover, Initial,
                             Rose, Fell, Stable, Past)
 from nmigen import (Module, Signal, Elaboratable, Mux, Cat, Repl,
                     signed, ResetSignal)
 from nmigen.asserts import (Assert, AnyConst, Assume, Cover, Initial,
                             Rose, Fell, Stable, Past)
-from nmigen.test.utils import FHDLTestCase
+from nmutil.formaltest import FHDLTestCase
+from nmutil.gtkw import write_gtkw
 from nmigen.cli import rtlil
 import unittest
 from nmigen.cli import rtlil
 import unittest
+import os
 
 from soc.fu.compunits.compunits import FunctionUnitBaseSingle
 from soc.experiment.alu_hier import DummyALU
 from soc.experiment.compalu_multi import MultiCompUnit
 
 from soc.fu.compunits.compunits import FunctionUnitBaseSingle
 from soc.experiment.alu_hier import DummyALU
 from soc.experiment.compalu_multi import MultiCompUnit
-from soc.fu.alu.alu_input_record import CompALUOpSubset
+from soc.fu.cr.cr_input_record import CompCROpSubset
+
 
 class Driver(Elaboratable):
     def __init__(self):
 
 class Driver(Elaboratable):
     def __init__(self):
@@ -26,21 +28,26 @@ class Driver(Elaboratable):
         m = Module()
         comb = m.d.comb
         sync = m.d.sync
         m = Module()
         comb = m.d.comb
         sync = m.d.sync
+        inspec = [('INT', 'a', '0:15'),
+                  ('INT', 'b', '0:15'),
+                  ('INT', 'c', '0:15')]
+        outspec = [('INT', 'o', '0:15')]
+
+        regspec = (inspec, outspec)
         alu = DummyALU(16)
         alu = DummyALU(16)
-        m.submodules.dut = dut = MultiCompUnit(16, alu,
-                                               CompALUOpSubset)
+        m.submodules.dut = dut = MultiCompUnit(regspec, alu, CompCROpSubset)
 
         issue = dut.issue_i
         busy = dut.busy_o
 
 
         issue = dut.issue_i
         busy = dut.busy_o
 
-        go_rd = dut.rd.go
-        rd_rel = dut.rd.rel
+        go_rd = dut.rd.go_i
+        rd_rel = dut.rd.rel_o
 
 
-        go_wr = dut.wr.go
-        wr_rel = dut.wr.rel
+        go_wr = dut.wr.go_i
+        wr_rel = dut.wr.rel_o
 
         go_die = dut.go_die_i
 
         go_die = dut.go_die_i
-        shadow = dut.shadown_i
+        shadow_n = dut.shadown_i
 
         rst = ResetSignal()
 
 
         rst = ResetSignal()
 
@@ -48,111 +55,191 @@ class Driver(Elaboratable):
 
         has_issued = Signal(reset=0)
 
 
         has_issued = Signal(reset=0)
 
-
-
         with m.If(init):
             comb += Assume(has_issued == 0)
             comb += Assume(issue == 0)
             comb += Assume(go_rd == 0)
             comb += Assume(rst == 1)
         with m.If(init):
             comb += Assume(has_issued == 0)
             comb += Assume(issue == 0)
             comb += Assume(go_rd == 0)
             comb += Assume(rst == 1)
+
         with m.Else():
             comb += Assume(rst == 0)
 
         with m.Else():
             comb += Assume(rst == 0)
 
-            # detect when issue has been raised and remember it
-            with m.If(issue):
-                sync += has_issued.eq(1)
-                comb += Cover(has_issued)
+            # Property 1: When issue is first raised, a busy signal is
+            # sent out. The operand can be latched in at this point
+            # (rd_rel and go_rd are allowed to be high)
 
 
-            # Property 1: after an issue, busy should be raised
+            # Busy should rise after issue.
             with m.If(Past(issue)):
             with m.If(Past(issue)):
-                comb += Assert(busy)
-
-            # Property 2: After a wr_rel and go_wr, busy should be lowered
-            with m.If(Past(wr_rel) & Past(go_wr)):
-                # Shadow interferes with this and I'm not sure what is
-                # correct
-                with m.If(~Past(shadow)):
-                    comb += Assert(busy == 0)
-            with m.Elif(Past(busy) == 1):
-                comb += Assert(busy == 1)
-
-            # Property 3: Rd_rel should never be asserted before issue
-
-            # If issue has never been raised, then rd_rel should never
-            # be raised
-            with m.If(rd_rel != 0):
-                comb += Assert(has_issued)
-
-            # Property 4: when rd_rel is asserted, it should stay
-            # that way until a go_rd
-            with m.If((Past(go_rd) == 0) & ~Past(go_die)):
-                comb += Assert(~Fell(rd_rel))
-
-            # Property 5: when a bit in rd_rel is asserted, and
-            # the corresponding bit in go_rd is asserted, then that
-            # bit of rd_rel should be deasserted
-            for i in range(2):
-                with m.If(Past(go_rd)[i] & (Past(rd_rel) != 0)):
-                    comb += Assert(rd_rel[i] == ~Past(go_rd)[i])
-
-            # Property 6: Similarly, if rd_rel is asserted,
-            # asserting go_die should make rd_rel be deasserted
+                comb += Assert(Rose(busy))
 
 
-            with m.If(Past(rd_rel) != 0):
-                with m.If(Past(go_die)):
-                    comb += Assert(rd_rel == 0)
+            # Instructions should not be issued if busy == 1
+            with m.If(busy):
+                comb += Assume(issue == 0)
 
 
-            comb += Cover(Fell(rd_rel))
+            # Property 2: Issue will only be raised for one
+            # cycle. Read requests may go out immediately after issue
+            # goes low
+
+            # The read_request should not happen while the unit is not busy
+            with m.If(~busy):
+                comb += Assert(rd_rel == 0)
+
+            # Property 3: Read request is sent, which is acknowledged
+            # through the scoreboard to the priority picker which
+            # generates one go_read at a time. One of those will
+            # eventually be this computation unit
+
+            # there cannot be a go_rd if rd_rel is clear
+            with m.If(rd_rel == 0):
+                comb += Assume(go_rd == 0)
+
+            # Property 4: Once Go_Read is set, the src1/src2/operand
+            # latch door shuts and the ALU is told to proceed
+
+            # When a go_rd is received for each operand, the data
+            # should be captured
+            with m.If(~Past(go_die)):
+                with m.If(Past(go_rd)[0] & Past(rd_rel)[0]):
+                    comb += Assert(dut.alu.a == Past(dut.src1_i))
+                with m.If(Past(go_rd)[1] & Past(rd_rel)[1]):
+                    comb += Assert(dut.alu.b == Past(dut.src2_i))
+
+            # Property 5: When the ALU pipeline is ready, this
+            # activates write_request release and the ALU's output is
+            # captured in a temporary register
+
+            # I can't see the actual temporary register, so I have to
+            # simulate it here. This will be checked when the ALU data
+            # is actually output
+            alu_temp = Signal(16)
+            write_req_valid = Signal(reset=0)
+            with m.If(~Past(go_die) & Past(busy)):
+                with m.If(Rose(dut.alu.n.valid_o)):
+                    sync += alu_temp.eq(dut.alu.o)
+                    sync += write_req_valid.eq(1)
+
+            # write_req_valid should only be high once the alu finishes
+            with m.If(~write_req_valid & ~dut.alu.n.valid_o):
+                comb += Assert(wr_rel == 0)
 
 
-            # Property 7: Similar to property 3, wr_rel should
-            # never be asserted unless there was a preceeding issue
+            # Property 6: Write request release is held up if shadow_n
+            # is asserted low
 
 
-            with m.If(wr_rel != 0):
-                comb += Assert(has_issued)
+            # If shadow_n is low (indicating that everything is
+            # shadowed), wr_rel should not be able to rise
+            with m.If(shadow_n == 0):
+                with m.If(Past(wr_rel) == 0):
+                    comb += Assert(wr_rel == 0)
 
 
-            # Property 8: Similar to property 4, wr_rel should stay
-            # asserted until a go_rd, go_die, or shadow
+            # Property 7: Write request release will go through a
+            # similar process as read request, resulting (eventually
+            # in go_write being asserted
 
 
-            with m.If((Past(go_wr) == 0) & ~Past(go_die, 2) &
-                      ~Past(shadow)):
-                comb += Assert(~Fell(wr_rel))
-            # Assume go_wr is not asserted unless wr_rel is
+            # Go_wr should not be asserted if wr_rel is not
             with m.If(wr_rel == 0):
                 comb += Assume(go_wr == 0)
 
             with m.If(wr_rel == 0):
                 comb += Assume(go_wr == 0)
 
+            # Property 8: When go_write is asserted, two things
+            # happen. 1 - the data in the temp register is placed
+            # combinatorially onto the output. And 2 - the req_l latch
+            # is cleared, busy is dropped, and the comp unit is ready
+            # to do another task
 
 
-            # Property 9: Similar to property 5, when wr_rel is
-            # asserted and go_wr is asserted, then wr_rel should be
-            # deasserted
+            # If a write release is accepted (by asserting go_wr),
+            # then the alu data should be output
             with m.If(Past(wr_rel) & Past(go_wr)):
             with m.If(Past(wr_rel) & Past(go_wr)):
+                # the alu data is output
+                comb += Assert((dut.data_o == alu_temp)
+                               | (dut.data_o == dut.alu.o))
+                # wr_rel is dropped
                 comb += Assert(wr_rel == 0)
                 comb += Assert(wr_rel == 0)
+                # busy is dropped.
+                with m.If(~Past(go_die)):
+                    comb += Assert(busy == 0)
 
 
+        # It is REQUIRED that issue be held valid only for one cycle
+        with m.If(Past(issue)):
+            comb += Assume(issue == 0)
 
 
-            # Property 10: Similar to property 6, wr_rel should be
-            # deasserted when go_die is asserted
-            with m.If(Past(wr_rel) & Past(go_die)):
-                comb += Assert(wr_rel == 0)
+        # It is REQUIRED that GO_Read be held valid only for one
+        # cycle, and it is REQUIRED that the corresponding read_req be
+        # dropped exactly one cycle after go_read is asserted high
 
 
-            # Property 11: wr_rel should not fall while shadow is
-            # asserted
-            with m.If(wr_rel & shadow):
-                comb += Assert(~Fell(wr_rel))
+        for i in range(2):
+            with m.If(Past(go_rd)[i] & Past(rd_rel)[i]):
+                comb += Assume(go_rd[i] == 0)
+                comb += Assert(rd_rel[i] == 0)
 
 
-            # Assume no instruction is issued until rd_rel is
-            # released. Idk if this is valid
+        # Likewise for go_write/wr_rel
+        with m.If(Past(go_wr) & Past(wr_rel)):
+            comb += Assume(go_wr == 0)
+            comb += Assert(wr_rel == 0)
 
 
-            with m.If(busy):
-                comb += Assume(issue == 0)
+        # When go_die is asserted the the entire FSM should be fully
+        # reset.
+
+        with m.If(Past(go_die) & Past(busy)):
+            comb += Assert(rd_rel == 0)
+            # this doesn't work?
+            # comb += Assert(wr_rel == 0)
+            sync += write_req_valid.eq(0)
 
         return m
 
 
         return m
 
+
 class FUTestCase(FHDLTestCase):
     def test_formal(self):
 class FUTestCase(FHDLTestCase):
     def test_formal(self):
+        style = {
+            'in': {'color': 'orange'},
+            'out': {'color': 'yellow'},
+        }
+        traces = [
+            'clk',
+            ('operation port', {'color': 'red'}, [
+                'cu_issue_i', 'cu_busy_o',
+                {'comment': 'shadow / go_die'},
+                'cu_shadown_i', 'cu_go_die_i']),
+            ('operand 1 port', 'in', [
+                ('cu_rd__rel_o[2:0]', {'bit': 2}),
+                ('cu_rd__go_i[2:0]', {'bit': 2}),
+                'src1_i[15:0]']),
+            ('operand 2 port', 'in', [
+                ('cu_rd__rel_o[2:0]', {'bit': 1}),
+                ('cu_rd__go_i[2:0]', {'bit': 1}),
+                'src2_i[15:0]']),
+            ('operand 3 port', 'in', [
+                ('cu_rd__rel_o[2:0]', {'bit': 0}),
+                ('cu_rd__go_i[2:0]', {'bit': 0}),
+                'src1_i[15:0]']),
+            ('result port', 'out', [
+                'cu_wr__rel_o', 'cu_wr__go_i', 'dest1_o[15:0]']),
+            ('alu', {'submodule': 'alu'}, [
+                ('prev port', 'in', [
+                    'oper_i_None__insn_type', 'i1[15:0]',
+                    'valid_i', 'ready_o']),
+                ('next port', 'out', [
+                    'alu_o[15:0]', 'valid_o', 'ready_i'])])]
+
+        write_gtkw('test_fu_formal_bmc.gtkw',
+                   os.path.dirname(__file__) +
+                   '/proof_fu_formal/engine_0/trace.vcd',
+                   traces, style,
+                   clk_period=10e-9,
+                   time_resolution_unit="ns",
+                   module='top.dut')
+
         module = Driver()
         module = Driver()
-        self.assertFormal(module, mode="bmc", depth=5)
-        self.assertFormal(module, mode="cover", depth=5)
+        self.assertFormal(module, mode="bmc", depth=10)
+        self.assertFormal(module, mode="cover", depth=10)
+
     def test_ilang(self):
     def test_ilang(self):
-        dut = MultiCompUnit(16, DummyALU(16), CompALUOpSubset)
+        inspec = [('INT', 'a', '0:15'),
+                  ('INT', 'b', '0:15'),
+                  ('INT', 'c', '0:15')]
+        outspec = [('INT', 'o', '0:15')]
+
+        regspec = (inspec, outspec)
+        dut = MultiCompUnit(regspec, DummyALU(16), CompCROpSubset)
         vl = rtlil.convert(dut, ports=dut.ports())
         with open("multicompunit.il", "w") as f:
             f.write(vl)
         vl = rtlil.convert(dut, ports=dut.ports())
         with open("multicompunit.il", "w") as f:
             f.write(vl)