non-overlapping instructions ok
[soc.git] / src / experiment / score6600.py
index c2ec3d89732be9f906daf8cebe1b1d130d8ee24b..05183733dcc24e7773168520ee0b5cb0747c0a6c 100644 (file)
@@ -17,6 +17,139 @@ from nmutil.latch import SRLatch
 
 from random import randint
 
+class CompUnits(Elaboratable):
+
+    def __init__(self, rwid, n_units):
+        """ Inputs:
+
+            * :rwid:   bit width of register file(s) - both FP and INT
+            * :n_units: number of ALUs
+        """
+        self.n_units = n_units
+        self.rwid = rwid
+
+        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.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)
+
+        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)
+
+    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
+
+        go_rd_l = []
+        go_wr_l = []
+        issue_l = []
+        busy_l = []
+        req_rel_l = []
+        rd_rel_l = []
+        for alu in int_alus:
+            req_rel_l.append(alu.req_rel_o)
+            rd_rel_l.append(alu.rd_rel_o)
+            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(*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)
+
+        # connect data register input/output
+
+        # 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 += self.dest_o.eq(dest_o)
+
+        for i, alu in enumerate(int_alus):
+            m.d.comb += alu.src1_i.eq(self.src1_data_i)
+            m.d.comb += alu.src2_i.eq(self.src2_data_i)
+
+        return m
+
+
+class FunctionUnits(Elaboratable):
+
+    def __init__(self, n_regs, n_int_alus):
+        self.n_regs = n_regs
+        self.n_int_alus = n_int_alus
+
+        self.dest_i = Signal(n_regs, reset_less=True) # Dest R# in
+        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.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)
+
+        self.go_rd_i = Signal(n_int_alus, reset_less=True)
+        self.go_wr_i = Signal(n_int_alus, reset_less=True)
+        self.req_rel_o = Signal(n_int_alus, reset_less=True)
+        self.fn_issue_i = Signal(n_int_alus, reset_less=True)
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Module()
+
+        n_int_fus = self.n_int_alus
+
+        # Integer FU-FU Dep Matrix
+        intfudeps = FUFUDepMatrix(n_int_fus, n_int_fus)
+        m.submodules.intfudeps = intfudeps
+        # Integer FU-Reg Dep Matrix
+        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 += intfudeps.rd_pend_i.eq(self.g_int_rd_pend_o)
+        m.d.comb += intfudeps.wr_pend_i.eq(self.g_int_wr_pend_o)
+
+        m.d.comb += intfudeps.issue_i.eq(self.fn_issue_i)
+        m.d.comb += intfudeps.go_rd_i.eq(self.go_rd_i)
+        m.d.comb += intfudeps.go_wr_i.eq(self.go_wr_i)
+        m.d.comb += self.readable_o.eq(intfudeps.readable_o)
+        m.d.comb += self.writable_o.eq(intfudeps.writable_o)
+
+        # Connect function issue / arrays, and dest/src1/src2
+        m.d.comb += intregdeps.dest_i.eq(self.dest_i)
+        m.d.comb += intregdeps.src1_i.eq(self.src1_i)
+        m.d.comb += intregdeps.src2_i.eq(self.src2_i)
+
+        m.d.comb += intregdeps.go_rd_i.eq(self.go_rd_i)
+        m.d.comb += intregdeps.go_wr_i.eq(self.go_wr_i)
+        m.d.comb += intregdeps.issue_i.eq(self.fn_issue_i)
+
+        m.d.comb += self.dest_rsel_o.eq(intregdeps.dest_rsel_o)
+        m.d.comb += self.src1_rsel_o.eq(intregdeps.src1_rsel_o)
+        m.d.comb += self.src2_rsel_o.eq(intregdeps.src2_rsel_o)
+
+        return m
+
 
 class Scoreboard(Elaboratable):
     def __init__(self, rwid, n_regs):
@@ -37,6 +170,7 @@ 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
 
         self.issue_o = Signal(reset_less=True) # instruction was accepted
 
@@ -55,39 +189,21 @@ class Scoreboard(Elaboratable):
         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]
+        # Int ALUs and Comp Units
+        n_int_alus = 2
+        m.submodules.cu = cu = CompUnits(self.rwid, n_int_alus)
 
-        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
+        # Int FUs
+        m.submodules.intfus = intfus = FunctionUnits(self.n_regs, n_int_alus)
 
         # Count of number of FUs
-        n_int_fus = len(int_alus)
+        n_int_fus = n_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(n_int_fus, self.n_regs)
-        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
@@ -107,93 +223,67 @@ 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(g_int_wr_pend_v)
+        m.d.comb += 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
-        fn_busy_l = []
-        fn_issue_l = []
-        for i, alu in enumerate(int_alus):
-            fn_busy_l.append(alu.busy_o)
-            fn_issue_l.append(issueunit.i.fn_issue_o[i])
-
-            m.d.comb += alu.issue_i.eq(fn_issue_l[i])
-            # XXX sync, so as to stop a simulation infinite loop
-            m.d.comb += issueunit.i.busy_i[i].eq(alu.busy_o)
-            #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)
-            # NOTE: req_rel_o connected to picker, below.
-
-        fn_issue_o = Signal(len(fn_issue_l), reset_less=True)
-        m.d.comb += fn_issue_o.eq(Cat(*fn_issue_l))
-        #---------
-        # connect fu-fu matrix
-        #---------
-
-        m.d.comb += intfudeps.rd_pend_i.eq(g_int_rd_pend_v)
-        m.d.comb += intfudeps.wr_pend_i.eq(g_int_wr_pend_v)
+        m.d.comb += intfus.dest_i.eq(regdecode.dest_o)
+        m.d.comb += intfus.src1_i.eq(regdecode.src1_o)
+        m.d.comb += intfus.src2_i.eq(regdecode.src2_o)
 
-        # Group Picker... done manually for now.  TODO: cat array of pick sigs
-        go_rd_i = intfudeps.go_rd_i
-        go_wr_i = intfudeps.go_wr_i
-        m.d.sync += go_rd_i[0].eq(intpick1.go_rd_o[0]) # add rd
-        m.d.sync += go_wr_i[0].eq(intpick1.go_wr_o[0]) # add wr
+        fn_issue_o = issueunit.i.fn_issue_o
 
-        m.d.sync += go_rd_i[1].eq(intpick1.go_rd_o[1]) # sub rd
-        m.d.sync += go_wr_i[1].eq(intpick1.go_wr_o[1]) # sub wr
-
-        m.d.comb += intfudeps.issue_i.eq(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.comb += issueunit.i.busy_i.eq(cu.busy_o)
 
         #---------
-        # connect fu-dep matrix
+        # connect fu-fu matrix
         #---------
-        r_go_rd_i = intregdeps.go_rd_i
-        r_go_wr_i = intregdeps.go_wr_i
-        m.d.comb += r_go_rd_i.eq(go_rd_i)
-        m.d.comb += r_go_wr_i.eq(go_wr_i)
 
-        m.d.comb += intregdeps.dest_i.eq(regdecode.dest_o)
-        m.d.comb += intregdeps.src1_i.eq(regdecode.src1_o)
-        m.d.comb += intregdeps.src2_i.eq(regdecode.src2_o)
-        m.d.comb += intregdeps.issue_i.eq(fn_issue_o)
+        # Group Picker... done manually for now.  TODO: cat array of pick sigs
+        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
 
         # 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
+        #m.d.comb += intpick1.rd_rel_i[0:2].eq(~go_rd_i[0:2] & cu.busy_o[0:2])
+        m.d.comb += intpick1.rd_rel_i[0:2].eq(cu.rd_rel_o[0:2])
+        #m.d.comb += intpick1.go_rd_i[0:2].eq(cu.req_rel_o[0:2])
+        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.comb += intpick1.readable_i[0:2].eq(int_readable_o[0:2])
+        m.d.comb += intpick1.writable_i[0:2].eq(int_writable_o[0:2])
 
         #---------
         # 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)
+        print ("intregdeps wen len", len(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)
 
-        # 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 to regfule
+        m.d.comb += int_dest.data_i.eq(cu.dest_o)
+        m.d.comb += cu.src1_data_i.eq(int_src1.data_o)
+        m.d.comb += cu.src2_data_i.eq(int_src2.data_o)
 
-        # connect ALUs
-        for i, alu in enumerate(int_alus):
-            m.d.comb += alu.go_rd_i.eq(go_rd_i[i])
-            m.d.comb += alu.go_wr_i.eq(go_wr_i[i])
-            m.d.comb += alu.src1_i.eq(int_src1.data_o)
-            m.d.comb += alu.src2_i.eq(int_src2.data_o)
+        # connect ALU Computation Units
+        m.d.comb += cu.go_rd_i[0:2].eq(go_rd_o[0:2])
+        m.d.comb += cu.go_wr_i[0:2].eq(go_wr_o[0:2])
+        m.d.comb += cu.issue_i[0:2].eq(fn_issue_o[0:2])
 
         return m
 
@@ -258,6 +348,7 @@ def int_instr(dut, alusim, op, src1, src2, dest):
     yield dut.int_src1_i.eq(src1)
     yield dut.int_src2_i.eq(src2)
     yield dut.int_insn_i[op].eq(1)
+    yield dut.reg_enable_i.eq(1)
     alusim.op(op, src1, src2, dest)
 
 
@@ -274,63 +365,68 @@ 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)
+        yield dut.intregs.regs[i].reg.eq(4+i*2)
+        alusim.setval(i, 4+i*2)
 
+    instrs = []
     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
+        for i in range(2):
+            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
 
-        yield from alusim.check(dut)
+            op = randint(0, 1)
+            op = i % 2
+            op = 0
+        instrs.append((src1, src2, dest, op))
 
-    for i in range(4):
-        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
+    if False:
+        instrs.append((2, 3, 3, 0))
+        instrs.append((5, 3, 3, 1))
 
-        op = randint(0, 1)
-        print ("random %d: %d %d %d %d\n" % (i, op, src1, src2, dest))
+    if True:
+        instrs.append((1, 1, 2, 0))
+        instrs.append((3, 7, 4, 1))
+        #instrs.append((2, 2, 3, 1))
+
+    for i, (src1, src2, dest, op) in enumerate(instrs):
+
+        print ("instr %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
-
+        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
+            print ("busy",)
+            yield from print_reg(dut, [1,2,3])
+            yield
+        yield from print_reg(dut, [1,2,3])
 
     yield
-    yield from print_reg(dut, [3,4,5])
+    yield from print_reg(dut, [1,2,3])
+    yield
+    yield from print_reg(dut, [1,2,3])
+    yield
+    yield from print_reg(dut, [1,2,3])
     yield
-    yield from print_reg(dut, [3,4,5])
+    yield from print_reg(dut, [1,2,3])
     yield
     yield
     yield
     yield
     yield from alusim.check(dut)
+    yield from alusim.dump(dut)
 
 
 def explore_groups(dut):
@@ -346,8 +442,8 @@ def explore_groups(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)