add variant using original (ish) 6600 scoreboard
authorLuke Kenneth Casson Leighton <lkcl@lkcl.net>
Fri, 10 May 2019 10:43:07 +0000 (11:43 +0100)
committerLuke Kenneth Casson Leighton <lkcl@lkcl.net>
Fri, 10 May 2019 10:43:07 +0000 (11:43 +0100)
src/experiment/score6600.py [new file with mode: 0644]
src/scoreboard/fu_reg_matrix.py

diff --git a/src/experiment/score6600.py b/src/experiment/score6600.py
new file mode 100644 (file)
index 0000000..4d671cc
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,342 @@
+from nmigen.compat.sim import run_simulation
+from nmigen.cli import verilog, rtlil
+from nmigen import Module, Const, Signal, Array, Cat, Elaboratable
+
+from regfile.regfile import RegFileArray, treereduce
+from scoreboard.fn_unit import IntFnUnit, FPFnUnit, LDFnUnit, STFnUnit
+from scoreboard.fu_fu_matrix import FUFUDepMatrix
+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 compalu import ComputationUnitNoDelay
+
+from alu_hier import ALU
+from nmutil.latch import SRLatch
+
+from random import randint
+
+
+class Scoreboard(Elaboratable):
+    def __init__(self, rwid, n_regs):
+        """ Inputs:
+
+            * :rwid:   bit width of register file(s) - both FP and INT
+            * :n_regs: depth of register file(s) - number of FP and INT regs
+        """
+        self.rwid = rwid
+        self.n_regs = n_regs
+
+        # Register Files
+        self.intregs = RegFileArray(rwid, n_regs)
+        self.fpregs = RegFileArray(rwid, n_regs)
+
+        # inputs
+        self.int_store_i = Signal(reset_less=True) # instruction is a store
+        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.issue_o = Signal(reset_less=True) # instruction was accepted
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Module()
+
+        m.submodules.intregs = self.intregs
+        m.submodules.fpregs = self.fpregs
+
+        # register ports
+        int_dest = self.intregs.write_port("dest")
+        int_src1 = self.intregs.read_port("src1")
+        int_src2 = self.intregs.read_port("src2")
+
+        fp_dest = self.fpregs.write_port("dest")
+        fp_src1 = self.fpregs.read_port("src1")
+        fp_src2 = self.fpregs.read_port("src2")
+
+        # 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
+
+        # Count of number of FUs
+        n_int_fus = len(int_alus)
+        n_fp_fus = 0 # for now
+
+        n_fus = n_int_fus + n_fp_fus # plus FP FUs
+
+        # Integer FU-FU Dep Matrix
+        intfudeps = FUFUDepMatrix(n_int_fus, n_int_fus)
+        m.submodules.intfudeps = intfudeps
+        # Integer FU-Reg Dep Matrix
+        intregdeps = FURegDepMatrix(self.n_regs, n_int_fus)
+        m.submodules.intregdeps = intregdeps
+
+        # Integer Priority Picker 1: Adder + Subtractor
+        intpick1 = GroupPicker(2) # picks between add and sub
+        m.submodules.intpick1 = intpick1
+
+        # Global Pending Vectors (INT and TODO FP)
+        g_int_src1_pend_v = intregdeps.rd_src2_pend_o
+        g_int_src2_pend_v = intregdeps.rd_src1_pend_o
+        g_int_rd_pend_v = intregdeps.rd_pend_o
+        g_int_wr_pend_v = intregdeps.wr_pend_o
+
+        # INT/FP Issue Unit
+        regdecode = RegDecode(self.n_regs)
+        m.submodules.regdecode = regdecode
+        issueunit = IntFPIssueUnit(self.n_regs, n_int_fus, n_fp_fus)
+        m.submodules.issueunit = issueunit
+
+        #---------
+        # ok start wiring things together...
+        # "now hear de word of de looord... dem bones dem bones dem dryy bones"
+        # https://www.youtube.com/watch?v=pYb8Wm6-QfA
+        #---------
+
+        #---------
+        # Issue Unit is where it starts.  set up some in/outs for this module
+        #---------
+        m.d.comb += [issueunit.i.store_i.eq(self.int_store_i),
+                     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),
+                     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(g_int_wr_pend_v)
+        # TODO: issueunit.f (FP)
+
+        # and int function issue / busy arrays, and dest/src1/src2
+        fn_issue_l = []
+        fn_busy_l = []
+        for i, alu in enumerate(int_alus):
+            fn_issue_l.append(alu.issue_i)
+            fn_busy_l.append(alu.busy_o)
+
+            #m.d.sync += alu.issue_i.eq(issueunit.i.fn_issue_o[i])
+            #m.d.comb += alu.dest_i.eq(issueunit.i.dest_i)
+            #m.d.comb += alu.src1_i.eq(issueunit.i.src1_i)
+            #m.d.comb += alu.src2_i.eq(issueunit.i.src2_i)
+            # XXX sync, so as to stop a simulation infinite loop
+            #m.d.comb += issueunit.i.busy_i[i].eq(alu.busy_o)
+            # NOTE: req_rel_o connected to picker, below.
+
+        #---------
+        # connect Function Units
+        #---------
+
+        # XXX sync, again to avoid an infinite loop.  is it the right thing???
+
+        # Group Picker... done manually for now.  TODO: cat array of pick sigs
+        #m.d.sync += if_l[0].go_rd_i.eq(intpick1.go_rd_o[0]) # add rd
+        #m.d.sync += if_l[0].go_wr_i.eq(intpick1.go_wr_o[0]) # add wr
+
+        #m.d.sync += if_l[1].go_rd_i.eq(intpick1.go_rd_o[1]) # subtract rd
+        #m.d.sync += if_l[1].go_wr_i.eq(intpick1.go_wr_o[1]) # subtract wr
+
+        # Connect Picker
+        #---------
+        m.d.comb += intpick1.req_rel_i[0].eq(int_alus[0].req_rel_o)
+        m.d.comb += intpick1.req_rel_i[1].eq(int_alus[1].req_rel_o)
+        int_readable_o = intfudeps.readable_o
+        int_writable_o = intfudeps.writable_o
+        m.d.comb += intpick1.readable_i[0].eq(int_readable_o[0]) # add rd
+        m.d.comb += intpick1.writable_i[0].eq(int_writable_o[0]) # add wr
+        m.d.comb += intpick1.readable_i[1].eq(int_readable_o[1]) # sub rd
+        m.d.comb += intpick1.writable_i[1].eq(int_writable_o[1]) # sub wr
+
+        #---------
+        # Connect Register File(s)
+        #---------
+        m.d.sync += int_dest.wen.eq(intregdeps.dest_rsel_o)
+        m.d.comb += int_src1.ren.eq(intregdeps.src1_rsel_o)
+        m.d.comb += int_src2.ren.eq(intregdeps.src2_rsel_o)
+
+        # merge (OR) all integer FU / ALU outputs to a single value
+        # bit of a hack: treereduce needs a list with an item named "dest_o"
+        dest_o = treereduce(int_alus)
+        m.d.comb += int_dest.data_i.eq(dest_o)
+
+        # connect ALUs
+        for i, alu in enumerate(int_alus):
+            m.d.comb += alu.go_rd_i.eq(intpick1.go_rd_o[i])
+            m.d.comb += alu.go_wr_i.eq(intpick1.go_wr_o[i])
+            m.d.comb += alu.issue_i.eq(fn_issue_l[i])
+            #m.d.comb += fn_busy_l[i].eq(alu.busy_o)  # XXX ignore, use fnissue
+            m.d.comb += alu.src1_i.eq(int_src1.data_o)
+            m.d.comb += alu.src2_i.eq(int_src2.data_o)
+
+        return m
+
+
+    def __iter__(self):
+        yield from self.intregs
+        yield from self.fpregs
+        yield self.int_store_i
+        yield self.int_dest_i
+        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
+
+    def ports(self):
+        return list(self)
+
+IADD = 0
+ISUB = 1
+
+class RegSim:
+    def __init__(self, rwidth, nregs):
+        self.rwidth = rwidth
+        self.regs = [0] * nregs
+
+    def op(self, op, src1, src2, dest):
+        src1 = self.regs[src1]
+        src2 = self.regs[src2]
+        if op == IADD:
+            val = (src1 + src2) & ((1<<(self.rwidth))-1)
+        elif op == ISUB:
+            val = (src1 - src2) & ((1<<(self.rwidth))-1)
+        self.regs[dest] = val
+
+    def setval(self, dest, val):
+        self.regs[dest] = val
+
+    def dump(self, dut):
+        for i, val in enumerate(self.regs):
+            reg = yield dut.intregs.regs[i].reg
+            okstr = "OK" if reg == val else "!ok"
+            print("reg %d expected %x received %x %s" % (i, val, reg, okstr))
+
+    def check(self, dut):
+        for i, val in enumerate(self.regs):
+            reg = yield dut.intregs.regs[i].reg
+            if reg != val:
+                print("reg %d expected %x received %x\n" % (i, val, reg))
+                yield from self.dump(dut)
+                assert False
+
+def int_instr(dut, alusim, op, src1, src2, dest):
+    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)
+
+
+def print_reg(dut, rnums):
+    rs = []
+    for rnum in rnums:
+        reg = yield dut.intregs.regs[rnum].reg
+        rs.append("%x" % reg)
+    rnums = map(str, rnums)
+    print ("reg %s: %s" % (','.join(rnums), ','.join(rs)))
+
+
+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(i)
+        alusim.setval(i, i)
+
+    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])
+        yield
+
+        yield from alusim.check(dut)
+
+    for i in range(100):
+        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 = 7
+        #src2 = 7
+        dest = src2
+
+        op = randint(0, 1)
+        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
+        yield
+
+
+    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)
+
+
+def explore_groups(dut):
+    from nmigen.hdl.ir import Fragment
+    from nmigen.hdl.xfrm import LHSGroupAnalyzer
+
+    fragment = dut.elaborate(platform=None)
+    fr = Fragment.get(fragment, platform=None)
+
+    groups = LHSGroupAnalyzer()(fragment._statements)
+
+    print (groups)
+
+
+def test_scoreboard():
+    dut = Scoreboard(32, 8)
+    alusim = RegSim(32, 8)
+    vl = rtlil.convert(dut, ports=dut.ports())
+    with open("test_scoreboard6600.il", "w") as f:
+        f.write(vl)
+
+    run_simulation(dut, scoreboard_sim(dut, alusim),
+                        vcd_name='test_scoreboard6600.vcd')
+
+
+if __name__ == '__main__':
+    test_scoreboard()
index fee803d8804a19b7f0c5ff4cd597d92a52fc9ae2..5bb04c2572060f9f6e2952dba110f27c98f12b16 100644 (file)
@@ -102,8 +102,8 @@ class FURegDepMatrix(Elaboratable):
             # accumulate FU Vector outputs
             wr_pend.append(fup.reg_wr_pend_o)
             rd_pend.append(fup.reg_rd_pend_o)
-            src1_pend.append(fup.reg_rd_src1_pend_o)
-            src2_pend.append(fup.reg_rd_src2_pend_o)
+            rd_src1_pend.append(fup.reg_rd_src1_pend_o)
+            rd_src2_pend.append(fup.reg_rd_src2_pend_o)
 
         # ... and output them from this module (vertical, width=FUs)
         m.d.comb += self.wr_pend_o.eq(Cat(*wr_pend))
@@ -195,6 +195,8 @@ class FURegDepMatrix(Elaboratable):
         yield self.src2_rsel_o
         yield self.wr_pend_o
         yield self.rd_pend_o
+        yield self.rd_src1_pend_o
+        yield self.rd_src2_pend_o
                 
     def ports(self):
         return list(self)