work towards rvc 1.8
[riscv-isa-sim.git] / riscv / mmu.h
index a754b607c9a49890b189fb3b55ed93868aabf6fe..b6697cd3056deb2036019d5de599df2a41f11c69 100644 (file)
@@ -9,17 +9,24 @@
 #include "config.h"
 #include "processor.h"
 #include "memtracer.h"
+#include <stdlib.h>
 #include <vector>
 
 // virtual memory configuration
-typedef reg_t pte_t;
-const reg_t LEVELS = sizeof(pte_t) == 8 ? 3 : 2;
-const reg_t PTIDXBITS = 10;
-const reg_t PGSHIFT = PTIDXBITS + (sizeof(pte_t) == 8 ? 3 : 2);
+#define PGSHIFT 12
 const reg_t PGSIZE = 1 << PGSHIFT;
-const reg_t VPN_BITS = PTIDXBITS * LEVELS;
-const reg_t PPN_BITS = 8*sizeof(reg_t) - PGSHIFT;
-const reg_t VA_BITS = VPN_BITS + PGSHIFT;
+
+struct insn_fetch_t
+{
+  insn_func_t func;
+  insn_t insn;
+};
+
+struct icache_entry_t {
+  reg_t tag;
+  reg_t pad;
+  insn_fetch_t data;
+};
 
 // this class implements a processor's port into the virtual memory system.
 // an MMU and instruction cache are maintained for simulator performance.
@@ -31,18 +38,15 @@ public:
 
   // template for functions that load an aligned value from memory
   #define load_func(type) \
-    type##_t load_##type(reg_t addr) { \
-      if(unlikely(addr % sizeof(type##_t))) \
-      { \
-        badvaddr = addr; \
-        throw trap_load_address_misaligned; \
-      } \
-      reg_t paddr = translate(addr, sizeof(type##_t), false, false); \
-      return *(type##_t*)(mem + paddr); \
-    } \
-    type##_t load_reserved_##type(reg_t addr) { \
-      load_reservation = addr; \
-      return load_##type(addr); \
+    type##_t load_##type(reg_t addr) __attribute__((always_inline)) { \
+      if (addr & (sizeof(type##_t)-1)) \
+        throw trap_load_address_misaligned(addr); \
+      reg_t vpn = addr >> PGSHIFT; \
+      if (likely(tlb_load_tag[vpn % TLB_ENTRIES] == vpn)) \
+        return *(type##_t*)(tlb_data[vpn % TLB_ENTRIES] + addr); \
+      type##_t res; \
+      load_slow_path(addr, sizeof(type##_t), (uint8_t*)&res); \
+      return res; \
     }
 
   // load value from memory at aligned address; zero extend to register width
@@ -60,19 +64,13 @@ public:
   // template for functions that store an aligned value to memory
   #define store_func(type) \
     void store_##type(reg_t addr, type##_t val) { \
-      if(unlikely(addr % sizeof(type##_t))) \
-      { \
-        badvaddr = addr; \
-        throw trap_store_address_misaligned; \
-      } \
-      reg_t paddr = translate(addr, sizeof(type##_t), true, false); \
-      *(type##_t*)(mem + paddr) = val; \
-    } \
-    reg_t store_conditional_##type(reg_t addr, type##_t val) { \
-      if (addr == load_reservation) { \
-        store_##type(addr, val); \
-        return 0; \
-      } else return 1; \
+      if (addr & (sizeof(type##_t)-1)) \
+        throw trap_store_address_misaligned(addr); \
+      reg_t vpn = addr >> PGSHIFT; \
+      if (likely(tlb_store_tag[vpn % TLB_ENTRIES] == vpn)) \
+        *(type##_t*)(tlb_data[vpn % TLB_ENTRIES] + addr) = val; \
+      else \
+        store_slow_path(addr, sizeof(type##_t), (const uint8_t*)&val); \
     }
 
   // store value to memory at aligned address
@@ -81,85 +79,102 @@ public:
   store_func(uint32)
   store_func(uint64)
 
-  struct insn_fetch_t
+  static const reg_t ICACHE_ENTRIES = 1024;
+
+  inline size_t icache_index(reg_t addr)
   {
-    insn_func_t func;
-    insn_t insn;
-  };
+    return (addr / PC_ALIGN) % ICACHE_ENTRIES;
+  }
 
-  // load instruction from memory at aligned address.
-  inline insn_fetch_t load_insn(reg_t addr)
+  inline icache_entry_t* refill_icache(reg_t addr, icache_entry_t* entry)
   {
-    reg_t idx = (addr/sizeof(insn_t::itype)) % ICACHE_ENTRIES;
-    if (unlikely(icache_tag[idx] != addr))
-    {
-      reg_t paddr = translate(addr, sizeof(insn_t::itype), false, true);
-      insn_fetch_t fetch;
-      fetch.insn.itype = *(decltype(insn_t::itype)*)(mem + paddr);
-      fetch.func = proc->decode_insn(fetch.insn);
-
-      reg_t idx = (paddr/sizeof(insn_t::itype)) % ICACHE_ENTRIES;
-      icache_tag[idx] = addr;
-      icache_data[idx] = fetch;
-
-      if (tracer.interested_in_range(paddr, paddr + sizeof(insn_t::itype), false, true))
-      {
-        icache_tag[idx] = -1;
-        tracer.trace(paddr, sizeof(insn_t::itype), false, true);
-      }
+    const uint16_t* iaddr = translate_insn_addr(addr);
+    insn_bits_t insn = *iaddr;
+    int length = insn_length(insn);
+
+    if (likely(length == 4)) {
+      if (likely(addr % PGSIZE < PGSIZE-2))
+        insn |= (insn_bits_t)*(const int16_t*)(iaddr + 1) << 16;
+      else
+        insn |= (insn_bits_t)*(const int16_t*)translate_insn_addr(addr + 2) << 16;
+    } else if (length == 2) {
+      insn = (int16_t)insn;
+    } else if (length == 6) {
+      insn |= (insn_bits_t)*(const int16_t*)translate_insn_addr(addr + 4) << 32;
+      insn |= (insn_bits_t)*(const uint16_t*)translate_insn_addr(addr + 2) << 16;
+    } else {
+      static_assert(sizeof(insn_bits_t) == 8, "insn_bits_t must be uint64_t");
+      insn |= (insn_bits_t)*(const int16_t*)translate_insn_addr(addr + 6) << 48;
+      insn |= (insn_bits_t)*(const uint16_t*)translate_insn_addr(addr + 4) << 32;
+      insn |= (insn_bits_t)*(const uint16_t*)translate_insn_addr(addr + 2) << 16;
+    }
+
+    insn_fetch_t fetch = {proc->decode_insn(insn), insn};
+    entry->tag = addr;
+    entry->data = fetch;
+
+    reg_t paddr = (const char*)iaddr - mem;
+    if (tracer.interested_in_range(paddr, paddr + 1, FETCH)) {
+      entry->tag = -1;
+      tracer.trace(paddr, length, FETCH);
     }
-    return icache_data[idx];
+    return entry;
+  }
+
+  inline icache_entry_t* access_icache(reg_t addr)
+  {
+    icache_entry_t* entry = &icache[icache_index(addr)];
+    if (likely(entry->tag == addr))
+      return entry;
+    return refill_icache(addr, entry);
+  }
+
+  inline insn_fetch_t load_insn(reg_t addr)
+  {
+    return access_icache(addr)->data;
   }
 
-  reg_t get_badvaddr() { return badvaddr; }
-  reg_t get_ptbr() { return ptbr; }
-  void set_ptbr(reg_t addr) { ptbr = addr & ~(PGSIZE-1); flush_tlb(); }
   void set_processor(processor_t* p) { proc = p; flush_tlb(); }
 
   void flush_tlb();
   void flush_icache();
-  void yield_load_reservation() { load_reservation = -1; }
 
   void register_memtracer(memtracer_t*);
 
 private:
   char* mem;
   size_t memsz;
-  reg_t load_reservation;
-  reg_t badvaddr;
-  reg_t ptbr;
   processor_t* proc;
   memtracer_list_t tracer;
 
   // implement an instruction cache for simulator performance
-  static const reg_t ICACHE_ENTRIES = 256;
-  insn_fetch_t icache_data[ICACHE_ENTRIES];
+  icache_entry_t icache[ICACHE_ENTRIES];
 
   // implement a TLB for simulator performance
   static const reg_t TLB_ENTRIES = 256;
-  reg_t tlb_data[TLB_ENTRIES];
+  char* tlb_data[TLB_ENTRIES];
   reg_t tlb_insn_tag[TLB_ENTRIES];
   reg_t tlb_load_tag[TLB_ENTRIES];
   reg_t tlb_store_tag[TLB_ENTRIES];
-  reg_t icache_tag[ICACHE_ENTRIES];
 
   // finish translation on a TLB miss and upate the TLB
-  reg_t refill_tlb(reg_t addr, reg_t bytes, bool store, bool fetch);
-
-  // perform a page table walk for a given virtual address
-  pte_t walk(reg_t addr);
-
-  // translate a virtual address to a physical address
-  reg_t translate(reg_t addr, reg_t bytes, bool store, bool fetch)
-  {
-    reg_t idx = (addr >> PGSHIFT) % TLB_ENTRIES;
-
-    reg_t* tlb_tag = fetch ? tlb_insn_tag : store ? tlb_store_tag :tlb_load_tag;
-    reg_t expected_tag = addr & ~(PGSIZE-1);
-    if(likely(tlb_tag[idx] == expected_tag))
-      return ((uintptr_t)addr & (PGSIZE-1)) + tlb_data[idx];
-
-    return refill_tlb(addr, bytes, store, fetch);
+  void refill_tlb(reg_t vaddr, reg_t paddr, access_type type);
+
+  // perform a page table walk for a given VA; set referenced/dirty bits
+  reg_t walk(reg_t addr, bool supervisor, access_type type);
+
+  // handle uncommon cases: TLB misses, page faults, MMIO
+  const uint16_t* fetch_slow_path(reg_t addr);
+  void load_slow_path(reg_t addr, reg_t len, uint8_t* bytes);
+  void store_slow_path(reg_t addr, reg_t len, const uint8_t* bytes);
+  reg_t translate(reg_t addr, access_type type);
+
+  // ITLB lookup
+  const uint16_t* translate_insn_addr(reg_t addr) __attribute__((always_inline)) {
+    reg_t vpn = addr >> PGSHIFT;
+    if (likely(tlb_insn_tag[vpn % TLB_ENTRIES] == vpn))
+      return (uint16_t*)(tlb_data[vpn % TLB_ENTRIES] + addr);
+    return fetch_slow_path(addr);
   }
   
   friend class processor_t;