move ioctl-like to separate page
[libreriscv.git] / isa_conflict_resolution.mdwn
index 13f0c56813e14b0e7e45a2d258ca4bdac7bef847..e5b5f58fc4150bdfa5c686b574dabfb2f369d762 100644 (file)
@@ -1,5 +1,37 @@
 # Resolving ISA conflicts and providing a pain-free RISC-V Standards Upgrade Path
 
+## Executive Summary
+
+A non-invasive backwards-compatible change to make mvendorid and marchid
+being read-only to be a formal declaration of an architecture having no
+Custom Extensions, and being permitted to be WARL in order to support
+multiple simultaneous architectures on the same processor (or per hart
+or harts) permits not only backwards and forwards compatibility with
+existing implementations of the RISC-V Standard, not only permits seamless
+transitions to future versions of the RISC-V Standard (something that is
+not possible at the moment), but fixes the problem of clashes in Custom
+Extension opcodes on a global worldwide permanent and ongoing basis.
+
+Summary of impact and benefits:
+
+* Implementation impact for existing implementations (even though
+  the Standard is not finalised) is zero.
+* Impact for future implementations compliant with (only one) version of the
+  RISC-V Standard is zero.
+* Benefits for implementations complying with (one or more) versions
+  of the RISC-V Standard is: increased customer acceptance due to
+  a smooth upgrade path at the customer's pace and initiative vis-a-vis
+  legacy proprietary software.
+* Benefits for implementations deploying multiple Custom Extensions
+  are a massive reduction in NREs and the hugely reduced ongoing software
+  toolchain maintenance costs plus the benefit of having security updates
+  from upstream software sources due to
+  *globally unique identifying information* resulting in zero binary
+  encoding conflicts in the toolchains and resultant binaries
+  *even for Custom Extensions*.
+
+## Introduction
+
 In a lengthy thread that ironically was full of conflict indicative
 of the future direction in which RISC-V will go if left unresolved,
 multiple Custom Extensions were noted to be permitted free rein to
@@ -89,7 +121,7 @@ Each of these will be discussed below in their own sections.
 
 # Do nothing (no problem exists)
 
-TBD (basically not an option).
+(Summary: not an option)
 
 There were several solutions offered that fell into this category.
 A few of them are listed in the introduction; more are listed below,
@@ -138,7 +170,7 @@ field.
 
 # Do nothing (out of scope)
 
-TBD (basically, may not be RV Foundation's "scope", still results in
+(Summary: may not be RV Foundation's "scope", still results in
 problem, so not an option)
 
 This was one of the first arguments presented: The RISC-V Foundation
@@ -148,14 +180,15 @@ problem, therefore there isn't a problem".
 The logical errors in this argument were quickly enumerated: namely that
 the RISC-V Foundation is not in control of the uses to which RISC-V is
 put, such that public global conflicts in binary-encoding are a hundred
-percent guaranteed to occur, and a hundred percent guaranteed to occur in
+percent guaranteed to occur (*outside* of the control and remit of the
+RISC-V Foundation), and a hundred percent guaranteed to occur in
 *commodity* hardware where Debian, Fedora, SUSE and other distros will
 be hardest hit by the resultant chaos, and that will just be the more
 "visible" aspect of the underlying problem.
 
 # Do nothing (Compliance too complex, therefore out of scope)
 
-TBD (basically, may not be RV Foundation's "scope", still results in
+(Summary: may not be RV Foundation's "scope", still results in
 problem, so not an option)
 
 The summary here was that Compliance testing of Custom Extensions is
@@ -182,7 +215,7 @@ solution be very, very simple.
 
 # MISA
 
-TBD, basically MISA not suitable
+(Summary: MISA not suitable, leads to better idea)
 
 MISA permits extensions to be disabled by masking out the relevant bit.
 Hypothetically it could be used to disable one extension, then enable
@@ -197,14 +230,16 @@ another that happens to use the same binary encoding.
 * MISA was only designed to cover Standard Extensions.
 * There is nothing to prevent multiple Extensions being enabled
   that wish to simultaneously interpret the same binary encoding.
+* There is nothing in the MISA specification which permits
+  *future* versions (bug-fixes) of the RISC-V ISA to be "switched in".
+
 Overall, whilst the MISA concept is a step in the right direction it's
 a hundred percent unsuitable for solving the problem.
 
 # MISA-like
 
-TBD, basically same as mvend/march WARL except needs an extra CSR where
-mv/ma doesn't.
+(Summary: basically same as mvend/march WARL except needs an extra CSR where
+mv/ma doesn't. Along right lines, doesn't meet full requirements)
 
 Out of the MISA discussion came a "MISA-like" proposal, which would
 take into account the flaws pointed out by trying to use "MISA":
@@ -214,13 +249,14 @@ take into account the flaws pointed out by trying to use "MISA":
 * Each custom-defined bit of the MISA-like CSR would (mutually-exclusively)
   redirect binary encoding(s) to specific encodings
 * No Extension would *actually* be disabled: its internal state would
-  be left on (permanently) so that switching could be done inside
-  inner loops.
+  be left on (permanently) so that switching of ISA decoding
+  could be done inside inner loops without adverse impact on
+  performance.
 
 Whilst it was the first "workable" solution it was also noted that the
-scheme is quite invasive: it requires an entirely new CSR to be added
-to the privileged spec.  This does not completely fulfil the "minimum
-impact" requirement.
+scheme is invasive: it requires an entirely new CSR to be added
+to the privileged spec (thus making existing implementations redundant).
+This does not fulfil the "minimum impact" requirement.
 
 Also interesting around the same time an additional discussion was
 raised that covered the *compiler* side of the same equation.  This
@@ -233,15 +269,18 @@ separate page?  review this para?**)
 
 # mvendorid/marchid WARL
 
-TBD paraphrase and clarify
+(Summary: the only idea that meets the full requirements.  Needs
+ toolchain backup, but only when the first chip is released)
 
-Coming out of the software-related proposal by Jacob, which hinged on
-the idea of a global gcc / binutils database that kept and coordinated
-architectural encodings, was to quite simply make the mvendorid and
-marchid CSRs have WARL (writeable) characteristics.  For instances
-where mvendorid and marchid are readable, that would be taken to be
-a Standards-mandatory "declaration" that the architecture has *no*
-Custom Extensions.
+Coming out of the software-related proposal by Jacob Bachmeyer, which
+hinged on the idea of a globally-maintained gcc / binutils database
+that kept and coordinated architectural encodings (curated by the Free
+Software Foundation), was to quite simply make the mvendorid and marchid
+CSRs have WARL (writeable) characteristics.  For instances where mvendorid
+and marchid are readable, that would be taken to be a Standards-mandatory
+"declaration" that the architecture has *no* Custom Extensions (and that
+it conforms precisely to one and only one specific variant of the
+RISC-V Specification).
 
 This incredibly simple non-invasive idea has some unique and distinct
 advantages over other proposals:
@@ -277,8 +316,8 @@ On this latter point, it was observed that MISA already switches out entire
 sets of instructions (interacts at the "decode" phase).  The difference
 between what MISA does and the mvendor/march-id WARL idea is that whilst
 MISA only switches instruction decoding on (or off), the WARL idea
-*redirects* encoding, to *different* engines, fortunately in a deliberately
-mutually-exclusive fashion.
+*redirects* encoding, effectively to *different* simultaneous engines,
+fortunately in a deliberately mutually-exclusive fashion.
 
 Implementations would therefore, in each Extension (assuming one separate
 "decode" engine per Extension), simply have an extra (mutually-exclusively
@@ -286,17 +325,20 @@ enabled) wire in the AND gate for any given binary encoding, and in this
 way there would actually be very little impact on the latency.  The assumption
 here is that there are not dozens of Extensions vying for the same binary
 encoding (at which point the Fabless Semi Company has other much more
-pressing issues to deal with that make resolving encoding conflicts trivial
-by comparison).
+pressing issues to deal with that make resolving binary encoding conflicts
+trivial by comparison).
 
 Also pointed out was that in certain cases pipeline stalls could be introduced
-during the switching phase, if needed.
+during the switching phase, if needed, just as they may be needed for
+correct implementation of (mandatory) support for MISA.
 
 **This is the only one of the proposals that meet the full requirements**
 
-# ioctl-like
+# ioctl-like <a name="#ioctl-like">
 
-TBD - [[ioctl]] for full details, summary kept here
+(Summary: good solid orthogonal idea.  See [[ioctl]] for full details)
+
+NOTE: under discussion.
 
 This proposal basically mirrors the concept of POSIX ioctls, providing
 (arbitrarily) 8 functions (opcodes) whose meaning may be over-ridden
@@ -308,7 +350,12 @@ The proposal is functionally near-identical to that of the mvendor/march-id
 except extended down to individual opcodes.  As such it could hypothetically
 be proposed as an independent Standard Extension in its own right that extends
 the Custom Opcode space *or* fits into the brownfield spaces within the
-existing ISA opcode space.
+existing ISA opcode space *or* is used as the basis of an independent
+Custom Extension in its own right.
+
+==RB==
+I really think it should be in browncode
+==RB==
 
 One of the reasons for seeking an extension of the Custom opcode space is
 that the Custom opcode space is severely limited: only 2 opcodes are free
@@ -320,16 +367,19 @@ being worthwhile in its own right, and standing on its own merits and
 thus definitely worthwhile pursuing, it is non-trivial and much more
 invasive than the mvendor/march-id WARL concept.
 
-# Discussion and analysis
+# Comments, Discussion and analysis
 
-TBD
+TBD: placeholder as of 26apr2018
 
-# Conclusion
+# Summary and Conclusion
 
 In the early sections (those in the category "no action") it was established
 in each case that the problem is not solved.  Avoidance of responsibility,
 or conflation of "not our problem" with "no problem" does not make "problem"
-go away.
+go away.  Even "making it the Fabless Semiconductor's design problem" resulted
+in a chip being *more costly to engineer as hardware **and** more costly
+from a software-support perspective to maintain*... without actually
+fixing the problem.
 
 The first idea considered which could fix the problem was to just use
 the pre-existing MISA CSR, however this was determined not to have
@@ -347,24 +397,61 @@ does not meet the full requirements to be "non-invasive" and "backwards
 compatible" with pre-existing (pre-Standards-finalised) implementations.
 It does however stand on its own merit as a way to extend the extremely
 small Custom Extension opcode space, even if it itself implemented *as*
-a Custom Extension.
+a Custom Extension into which *other* Custom Extensions are subsequently
+shoe-horned.  This approach has the advantage that it requires no "approval"
+from the RISC-V Foundation... but without the RISC-V Standard "approval"
+guaranteeing no binary-encoding conflicts, still does not actually solve the
+problem (if deployed as a Custom Extension for extending Custom Extensions).
 
 Overall the mvendor/march-id WARL idea meets the three requirements,
 and is the only idea that meets the three requirements:
 
 * **Any proposal must be a minimal change with minimal (or zero) impact**
-  (met through being purely a single change to the specification:
-   mvendor/march-id changes from read-only to WARL)
+  (met through being purely a single backwards-compatible change to the
+  wording of the specification: mvendor/march-id changes from read-only
+  to WARL)
 * **Any proposal should place no restriction on existing or future
   ISA encoding space**
-  (met because it is just a change to one pre-existing CSR)
+  (met because it is just a change to one pre-existing CSR, as opposed
+  to requiring additional CSRs or requiring extra opcodes or changes
+  to existing opcodes)
 * **Any proposal should take into account that there are existing implementors
   of the (yet to be finalised but still "partly frozen") Standard who may
   resist, for financial investment reasons, efforts to make any change
   (at all) that could cost them immediate short-term profits.**
   (met because existing implementations, with the exception of those
   that have Custom Extensions, come under the "vendor/arch-id read only
-  is a declaration of having no Custom Extensions" fall-back category)
+  is a formal declaration of an implementation having no Custom Extensions"
+  fall-back category)
+
+So to summarise:
+
+* The consequences of not tackling this are severe: the RISC-V Foundation
+  cannot take a back seat.  If it does, clear historical precedent shows
+  100% what the outcome will be (1).
+* Making the mvendorid and marchid CSRs WARL solves the problem in a
+  minimal to zero-disruptive backwards-compatible fashion that provides
+  indefinite transparent *forwards*-compatibility.
+* The retro-fitting cost onto existing implementations (even though the
+  specification has not been finalised) is zero to negligeable
+  (only changes to words in the specification required at this time:
+  no vendor need discard existing designs, either being designed,
+  taped out, or actually in production).
+* The benefits are clear (pain-free transition path for vendors to safely
+  upgrade over time; no fights over Custom opcode space; no hassle for
+  software toolchain; no hassle for GNU/Linux Distros)
+* The implementation details are clear (and problem-free except for
+  vendors who insist on deploying dozens of conflicting Custom Extensions:
+  an extreme unlikely outlier).
+* Compliance Testing is straightforward and allows vendors to seek and
+  obtain *multiple* Compliance Certificates with past, present and future
+  variants of the RISC-V Standard (in the exact same processor,
+  simultaneously), in order to support end-customer legacy scenarios and
+  provide the same with a way to avoid "impossible-to-make" decisions that
+  throw out ultra-costly multi-decade-investment in proprietary legacy
+  software at the same as the (legacy) hardware.
+
+-------
 
 # Conversation Exerpts
 
@@ -374,7 +461,7 @@ The following conversation exerpts are taken from the ISA-dev discussion
 
 > Yes. Well, it should be blocked via legal means. Incompatibility is
 > a disaster for an architecture.
-> 
+>
 > The viability of PowerPC was badly damaged when SPE was
 > introduced. This was a vector instruction set that was incompatible
 > with the AltiVec instruction set. Software vendors had to choose,
@@ -387,7 +474,7 @@ The following conversation exerpts are taken from the ISA-dev discussion
 > Both MMX and SSE remain today, in all shipping processors. With very
 > few exceptions, Intel does not ship chips with missing functionality.
 > There is a unified software ecosystem.
-> 
+>
 > This goes beyond the instruction set. MMU functionality also matters.
 > You can add stuff, but then it must be implemented in every future CPU.
 > You can not take stuff away without harming the architecture.
@@ -412,3 +499,7 @@ The following conversation exerpts are taken from the ISA-dev discussion
 > it is implementing. It will test nothing in the custom extension space,
 > and doesn't monitor or care what is in that space.
 
+# References
+
+* <https://groups.google.com/a/groups.riscv.org/forum/#!topic/isa-dev/7bbwSIW5aqM>
+* <https://groups.google.com/a/groups.riscv.org/forum/#!topic/isa-dev/InzQ1wr_3Ak%5B1-25%5D>