add comment about ports needing flattening
[ieee754fpu.git] / src / add / example_buf_pipe.py
index 8f3742259518750dd93f005276ac4bd1f19e672b..037d35db30070c4d0133ff1358f7bbd40863ee70 100644 (file)
     where data will flow on *every* clock when the conditions are right.
 
     input acceptance conditions are when:
-        * incoming previous-stage strobe (i.p_valid) is HIGH
-        * outgoing previous-stage ready   (o.p_ready) is LOW
+        * incoming previous-stage strobe (p.i_valid) is HIGH
+        * outgoing previous-stage ready   (p.o_ready) is LOW
 
     output transmission conditions are when:
-        * outgoing next-stage strobe (o.n_valid) is HIGH
-        * outgoing next-stage ready   (i.n_ready) is LOW
+        * outgoing next-stage strobe (n.o_valid) is HIGH
+        * outgoing next-stage ready   (n.i_ready) is LOW
 
     the tricky bit is when the input has valid data and the output is not
     ready to accept it.  if it wasn't for the clock synchronisation, it
 
 from nmigen import Signal, Cat, Const, Mux, Module
 from nmigen.cli import verilog, rtlil
+from collections.abc import Sequence
 
 
-class ExampleStage:
-    """ an example of how to use the buffered pipeline.  actual names of
-        variables (i_data, r_data, o_data, result) below do not matter:
-        the functions however do.
+class PrevControl:
+    """ contains signals that come *from* the previous stage (both in and out)
+        * i_valid: input from previous stage indicating incoming data is valid
+        * o_ready: output to next stage indicating readiness to accept data
+        * i_data : an input - added by the user of this class
+    """
 
-        input data i_data is read (only), is processed and goes into an
-        intermediate result store [process()].  this is updated combinatorially.
+    def __init__(self):
+        self.i_valid = Signal(name="p_i_valid") # >>in
+        self.o_ready = Signal(name="p_o_ready") # <<out
 
-        in a non-stall condition, the intermediate result will go into the
-        output (update_output).  however if ever there is a stall, it goes
-        into r_data instead [update_buffer()].
+    def connect_in(self, prev):
+        """ helper function to connect stage to an input source.  do not
+            use to connect stage-to-stage!
+        """
+        return [self.i_valid.eq(prev.i_valid),
+                prev.o_ready.eq(self.o_ready),
+                eq(self.i_data, prev.i_data),
+               ]
 
-        when the non-stall condition is released, r_data is the first
-        to be transferred to the output [flush_buffer()], and the stall
-        condition cleared.
 
-        on the next cycle (as long as stall is not raised again) the
-        input may begin to be processed and transferred directly to output.
+class NextControl:
+    """ contains the signals that go *to* the next stage (both in and out)
+        * o_valid: output indicating to next stage that data is valid
+        * i_ready: input from next stage indicating that it can accept data
+        * o_data : an output - added by the user of this class
     """
-
     def __init__(self):
-        """ i_data can be a DIFFERENT type from everything else
-            o_data, r_data and result are best of the same type.
-            however this is not strictly the case.  an intermediate
-            transformation process could hypothetically be applied, however
-            it is result and r_data that definitively need to be of the same
-            (intermediary) type, as it is both result and r_data that
-            are transferred into o_data:
-
-            i_data -> process() -> result --> o_data
-                                     |           ^
-                                     |           |
-                                     +-> r_data -+
-        """
-        self.i_data = Signal(16)
-        self.r_data = Signal(16)
-        self.o_data = Signal(16)
-        self.result = Signal(16)
-
-    def process(self):
-        """ process the input data and store it in result.
-            (not needed to be known: result is combinatorial)
-        """
-        return self.result.eq(self.i_data + 1)
+        self.o_valid = Signal(name="n_o_valid") # out>>
+        self.i_ready = Signal(name="n_i_ready") # <<in
 
-    def update_buffer(self):
-        """ copies the result into the intermediate register r_data
+    def connect_to_next(self, nxt):
+        """ helper function to connect to the next stage data/valid/ready.
+            data/valid is passed *TO* nxt, and ready comes *IN* from nxt.
         """
-        return self.r_data.eq(self.result)
+        return [nxt.i_valid.eq(self.o_valid),
+                self.i_ready.eq(nxt.o_ready),
+                eq(nxt.i_data, self.o_data),
+               ]
 
-    def update_output(self):
-        """ copies the (combinatorial) result into the output
+    def connect_out(self, nxt):
+        """ helper function to connect stage to an output source.  do not
+            use to connect stage-to-stage!
         """
-        return self.o_data.eq(self.result)
+        return [nxt.o_valid.eq(self.o_valid),
+                self.i_ready.eq(nxt.i_ready),
+                eq(nxt.o_data, self.o_data),
+               ]
+
+
+def eq(o, i):
+    """ makes signals equal: a helper routine which identifies if it is being
+        passsed a list (or tuple) of objects, and calls the objects' eq
+        function.
+    """
+    if not isinstance(o, Sequence):
+        o, i = [o], [i]
+    res = []
+    for (ao, ai) in zip(o, i):
+        res.append(ao.eq(ai))
+    return res
 
-    def flush_buffer(self):
-        """ copies the *intermediate* register r_data into the output
+
+class PipelineBase:
+    """ Common functions for Pipeline API
+    """
+    def __init__(self, stage):
+        """ pass in a "stage" which may be either a static class or a class
+            instance, which has three functions:
+            * ispec: returns input signals according to the input specification
+            * ispec: returns output signals to the output specification
+            * process: takes an input instance and returns processed data
+
+            User must also:
+            * add i_data member to PrevControl and
+            * add o_data member to NextControl
         """
-        return self.o_data.eq(self.r_data)
+        self.stage = stage
 
-    def ports(self):
-        return [self.i_data, self.o_data]
+        # set up input and output IO ACK (prev/next ready/valid)
+        self.p = PrevControl()
+        self.n = NextControl()
 
-class IOAckIn:
+    def connect_to_next(self, nxt):
+        """ helper function to connect to the next stage data/valid/ready.
+        """
+        return self.n.connect_to_next(nxt.p)
 
-    def __init__(self):
-        self.p_valid = Signal()  # >>in - comes in from PREVIOUS stage
-        self.n_ready = Signal() # in<< - comes in from the NEXT stage
+    def connect_in(self, prev):
+        """ helper function to connect stage to an input source.  do not
+            use to connect stage-to-stage!
+        """
+        return self.p.connect_in(prev.p)
 
+    def connect_out(self, nxt):
+        """ helper function to connect stage to an output source.  do not
+            use to connect stage-to-stage!
+        """
+        return self.n.connect_out(nxt.n)
 
-class IOAckOut:
+    def set_input(self, i):
+        """ helper function to set the input data
+        """
+        return eq(self.p.i_data, i)
 
-    def __init__(self):
-        self.n_valid = Signal()  # out>> - goes out to the NEXT stage
-        self.p_ready = Signal() # <<out - goes out to the PREVIOUS stage
+    def ports(self):
+        return [self.p.i_valid, self.n.i_ready,
+                self.n.o_valid, self.p.o_ready,
+                self.p.i_data, self.n.o_data   # XXX need flattening!
+               ]
 
 
-class BufferedPipeline:
-    """ buffered pipeline stage
+class BufferedPipeline(PipelineBase):
+    """ buffered pipeline stage.  data and strobe signals travel in sync.
+        if ever the input is ready and the output is not, processed data
+        is stored in a temporary register.
 
-        stage-1   i.p_valid  >>in   stage   o.n_valid  out>>   stage+1
-        stage-1   o.p_ready <<out  stage   i.n_ready <<in    stage+1
-        stage-1   i_data   >>in   stage   o_data   out>>   stage+1
+        stage-1   p.i_valid >>in   stage   n.o_valid out>>   stage+1
+        stage-1   p.o_ready <<out  stage   n.i_ready <<in    stage+1
+        stage-1   p.i_data  >>in   stage   n.o_data  out>>   stage+1
                               |             |
-                              +------->  process
+                            process --->----^
                               |             |
-                              +-- r_data ---+
+                              +-- r_data ->-+
+
+        input data p.i_data is read (only), is processed and goes into an
+        intermediate result store [process()].  this is updated combinatorially.
+
+        in a non-stall condition, the intermediate result will go into the
+        output (update_output).  however if ever there is a stall, it goes
+        into r_data instead [update_buffer()].
+
+        when the non-stall condition is released, r_data is the first
+        to be transferred to the output [flush_buffer()], and the stall
+        condition cleared.
+
+        on the next cycle (as long as stall is not raised again) the
+        input may begin to be processed and transferred directly to output.
     """
-    def __init__(self):
-        # input: strobe comes in from previous stage, ready comes in from next
-        self.i = IOAckIn()
-        #self.i.p_valid = Signal()    # >>in - comes in from PREVIOUS stage
-        #self.i.n_ready = Signal()   # in<< - comes in from the NEXT stage
+    def __init__(self, stage):
+        PipelineBase.__init__(self, stage)
 
-        # output: strobe goes out to next stage, ready comes in from previous
-        self.o = IOAckOut()
-        #self.o.n_valid = Signal()    # out>> - goes out to the NEXT stage
-        #self.o.p_ready = Signal()   # <<out - goes out to the PREVIOUS stage
+        # set up the input and output data
+        self.p.i_data = stage.ispec() # input type
+        self.n.o_data = stage.ospec()
 
     def elaborate(self, platform):
         m = Module()
 
+        result = self.stage.ospec()
+        r_data = self.stage.ospec()
+        if hasattr(self.stage, "setup"):
+            self.stage.setup(m, self.p.i_data)
+
         # establish some combinatorial temporaries
-        o_p_readyn = Signal(reset_less=True)
         o_n_validn = Signal(reset_less=True)
-        i_n_readyn = Signal(reset_less=True)
         i_p_valid_o_p_ready = Signal(reset_less=True)
-        m.d.comb += [i_n_readyn.eq(~self.i.n_ready),
-                     o_n_validn.eq(~self.o.n_valid),
-                     o_p_readyn.eq(~self.o.p_ready),
-                     i_p_valid_o_p_ready.eq(self.i.p_valid & self.o.p_ready),
+        m.d.comb += [o_n_validn.eq(~self.n.o_valid),
+                     i_p_valid_o_p_ready.eq(self.p.i_valid & self.p.o_ready),
         ]
 
         # store result of processing in combinatorial temporary
-        with m.If(self.i.p_valid): # input is valid: process it
-            m.d.comb += self.stage.process()
+        #with m.If(self.p.i_valid): # input is valid: process it
+        m.d.comb += eq(result, self.stage.process(self.p.i_data))
         # if not in stall condition, update the temporary register
-        with m.If(self.o.p_ready): # not stalled
-            m.d.sync += self.stage.update_buffer()
-
-        #with m.If(self.i.p_rst): # reset
-        #    m.d.sync += self.o.n_valid.eq(0)
-        #    m.d.sync += self.o.p_ready.eq(0)
-        with m.If(self.i.n_ready): # next stage is ready
-            with m.If(self.o.p_ready): # not stalled
+        with m.If(self.p.o_ready): # not stalled
+            m.d.sync += eq(r_data, result) # update buffer
+
+        #with m.If(self.p.i_rst): # reset
+        #    m.d.sync += self.n.o_valid.eq(0)
+        #    m.d.sync += self.p.o_ready.eq(0)
+        with m.If(self.n.i_ready): # next stage is ready
+            with m.If(self.p.o_ready): # not stalled
                 # nothing in buffer: send (processed) input direct to output
-                m.d.sync += [self.o.n_valid.eq(self.i.p_valid),
-                             self.stage.update_output(),
+                m.d.sync += [self.n.o_valid.eq(self.p.i_valid),
+                             eq(self.n.o_data, result), # update output
                             ]
-            with m.Else(): # o.p_ready is false, and something is in buffer.
+            with m.Else(): # p.o_ready is false, and something is in buffer.
                 # Flush the [already processed] buffer to the output port.
-                m.d.sync += [self.o.n_valid.eq(1),
-                             self.stage.flush_buffer(),
+                m.d.sync += [self.n.o_valid.eq(1),
+                             eq(self.n.o_data, r_data), # flush buffer
                              # clear stall condition, declare register empty.
-                             self.o.p_ready.eq(1),
+                             self.p.o_ready.eq(1),
                             ]
-                # ignore input, since o.p_ready is also false.
+                # ignore input, since p.o_ready is also false.
 
-        # (i.n_ready) is false here: next stage is ready
+        # (n.i_ready) is false here: next stage is ready
         with m.Elif(o_n_validn): # next stage being told "ready"
-            m.d.sync += [self.o.n_valid.eq(self.i.p_valid),
-                         self.o.p_ready.eq(1), # Keep the buffer empty
+            m.d.sync += [self.n.o_valid.eq(self.p.i_valid),
+                         self.p.o_ready.eq(1), # Keep the buffer empty
                          # set the output data (from comb result)
-                         self.stage.update_output(),
+                         eq(self.n.o_data, result),
                         ]
-        # (i.n_ready) false and (o.n_valid) true:
+        # (n.i_ready) false and (n.o_valid) true:
         with m.Elif(i_p_valid_o_p_ready):
             # If next stage *is* ready, and not stalled yet, accept input
-            m.d.sync += self.o.p_ready.eq(~(self.i.p_valid & self.o.n_valid))
+            m.d.sync += self.p.o_ready.eq(~(self.p.i_valid & self.n.o_valid))
 
         return m
 
-    def ports(self):
-        return [self.i.p_valid, self.i.n_ready,
-                self.o.n_valid, self.o.p_ready,
-               ]
+
+class ExampleAddStage:
+    """ an example of how to use the buffered pipeline, as a class instance
+    """
+
+    def ispec(self):
+        """ returns a tuple of input signals which will be the incoming data
+        """
+        return (Signal(16), Signal(16))
+
+    def ospec(self):
+        """ returns an output signal which will happen to contain the sum
+            of the two inputs
+        """
+        return Signal(16)
+
+    def process(self, i):
+        """ process the input data (sums the values in the tuple) and returns it
+        """
+        return i[0] + i[1]
 
 
-class BufPipe(BufferedPipeline):
+class ExampleBufPipeAdd(BufferedPipeline):
+    """ an example of how to use the buffered pipeline, using a class instance
+    """
 
     def __init__(self):
-        BufferedPipeline.__init__(self)
-        self.stage = ExampleStage()
+        addstage = ExampleAddStage()
+        BufferedPipeline.__init__(self, addstage)
 
-    def ports(self):
-        return self.stage.ports() + BufferedPipeline.ports(self)
+
+class ExampleStage:
+    """ an example of how to use the buffered pipeline, in a static class
+        fashion
+    """
+
+    def ispec():
+        return Signal(16)
+
+    def ospec():
+        return Signal(16)
+
+    def process(i):
+        """ process the input data and returns it (adds 1)
+        """
+        return i + 1
+
+
+class ExampleBufPipe(BufferedPipeline):
+    """ an example of how to use the buffered pipeline.
+    """
+
+    def __init__(self):
+        BufferedPipeline.__init__(self, ExampleStage)
+
+
+class CombPipe(PipelineBase):
+    """A simple pipeline stage containing combinational logic that can execute
+    completely in one clock cycle.
+
+    Parameters:
+    -----------
+    input_shape : int or tuple or None
+        the shape of ``input.data`` and ``comb_input``
+    output_shape : int or tuple or None
+        the shape of ``output.data`` and ``comb_output``
+    name : str
+        the name
+
+    Attributes:
+    -----------
+    input : StageInput
+        The pipeline input
+    output : StageOutput
+        The pipeline output
+    comb_input : Signal, input_shape
+        The input to the combinatorial logic
+    comb_output: Signal, output_shape
+        The output of the combinatorial logic
+    """
+
+    def __init__(self, stage):
+        PipelineBase.__init__(self, stage)
+        self._data_valid = Signal()
+
+        # set up the input and output data
+        self.p.i_data = stage.ispec() # input type
+        self.n.o_data = stage.ospec() # output type
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Module()
+
+        r_data = self.stage.ispec() # input type
+        result = self.stage.ospec() # output data
+        if hasattr(self.stage, "setup"):
+            self.stage.setup(m, r_data)
+
+        m.d.comb += eq(result, self.stage.process(r_data))
+        m.d.comb += self.n.o_valid.eq(self._data_valid)
+        m.d.comb += self.p.o_ready.eq(~self._data_valid | self.n.i_ready)
+        m.d.sync += self._data_valid.eq(self.p.i_valid | \
+                                        (~self.n.i_ready & self._data_valid))
+        with m.If(self.p.i_valid & self.p.o_ready):
+            m.d.sync += eq(r_data, self.p.i_data)
+        m.d.comb += eq(self.n.o_data, result)
+        return m
+
+
+class ExampleCombPipe(CombPipe):
+    """ an example of how to use the combinatorial pipeline.
+    """
+
+    def __init__(self):
+        CombPipe.__init__(self, ExampleStage)
 
 
 if __name__ == '__main__':
-    dut = BufPipe()
+    dut = ExampleBufPipe()
     vl = rtlil.convert(dut, ports=dut.ports())
     with open("test_bufpipe.il", "w") as f:
         f.write(vl)
+
+    dut = ExampleCombPipe()
+    vl = rtlil.convert(dut, ports=dut.ports())
+    with open("test_combpipe.il", "w") as f:
+        f.write(vl)