cpu: `Minor' in-order CPU model
[gem5.git] / src / cpu / static_inst.hh
index 58a6b798639c665122922caaf5ef7bd04ab51b88..375b7d0bacad8c5b7e20d09b882edf3d5572b514 100644 (file)
@@ -1,5 +1,6 @@
 /*
  * Copyright (c) 2003-2005 The Regents of The University of Michigan
+ * Copyright (c) 2013 Advanced Micro Devices, Inc.
  * All rights reserved.
  *
  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
 #include <bitset>
 #include <string>
 
-#include "arch/isa_traits.hh"
-#include "arch/utility.hh"
-#include "sim/faults.hh"
-#include "base/bitfield.hh"
-#include "base/hashmap.hh"
+#include "arch/registers.hh"
+#include "arch/types.hh"
 #include "base/misc.hh"
 #include "base/refcnt.hh"
-#include "cpu/op_class.hh"
-#include "sim/faults.hh"
 #include "base/types.hh"
+#include "config/the_isa.hh"
+#include "cpu/op_class.hh"
+#include "cpu/static_inst_fwd.hh"
+#include "cpu/thread_context.hh"
+#include "enums/StaticInstFlags.hh"
+#include "sim/fault_fwd.hh"
 
 // forward declarations
-struct AlphaSimpleImpl;
-struct OzoneImpl;
-struct SimpleImpl;
-class ThreadContext;
-class DynInst;
 class Packet;
 
-class O3CPUImpl;
+struct O3CPUImpl;
 template <class Impl> class BaseO3DynInst;
 typedef BaseO3DynInst<O3CPUImpl> O3DynInst;
-template <class Impl> class OzoneDynInst;
 class InOrderDynInst;
 
 class CheckerCPU;
-class FastCPU;
 class AtomicSimpleCPU;
 class TimingSimpleCPU;
 class InorderCPU;
+namespace Minor
+{
+    class ExecContext;
+};
+
 class SymbolTable;
-class AddrDecodePage;
 
 namespace Trace {
     class InstRecord;
 }
 
-typedef uint16_t MicroPC;
-
-static const MicroPC MicroPCRomBit = 1 << (sizeof(MicroPC) * 8 - 1);
-
-static inline MicroPC
-romMicroPC(MicroPC upc)
-{
-    return upc | MicroPCRomBit;
-}
-
-static inline MicroPC
-normalMicroPC(MicroPC upc)
-{
-    return upc & ~MicroPCRomBit;
-}
-
-static inline bool
-isRomMicroPC(MicroPC upc)
-{
-    return MicroPCRomBit & upc;
-}
-
 /**
  * Base, ISA-independent static instruction class.
  *
@@ -101,91 +78,23 @@ isRomMicroPC(MicroPC upc)
  * solely on these flags can process instructions without being
  * recompiled for multiple ISAs.
  */
-class StaticInstBase : public RefCounted
+class StaticInst : public RefCounted, public StaticInstFlags
 {
-  protected:
+  public:
+    /// Binary extended machine instruction type.
+    typedef TheISA::ExtMachInst ExtMachInst;
+    /// Logical register index type.
+    typedef TheISA::RegIndex RegIndex;
 
-    /// Set of boolean static instruction properties.
-    ///
-    /// Notes:
-    /// - The IsInteger and IsFloating flags are based on the class of
-    /// registers accessed by the instruction.  Although most
-    /// instructions will have exactly one of these two flags set, it
-    /// is possible for an instruction to have neither (e.g., direct
-    /// unconditional branches, memory barriers) or both (e.g., an
-    /// FP/int conversion).
-    /// - If IsMemRef is set, then exactly one of IsLoad or IsStore
-    /// will be set.
-    /// - If IsControl is set, then exactly one of IsDirectControl or
-    /// IsIndirect Control will be set, and exactly one of
-    /// IsCondControl or IsUncondControl will be set.
-    /// - IsSerializing, IsMemBarrier, and IsWriteBarrier are
-    /// implemented as flags since in the current model there's no
-    /// other way for instructions to inject behavior into the
-    /// pipeline outside of fetch.  Once we go to an exec-in-exec CPU
-    /// model we should be able to get rid of these flags and
-    /// implement this behavior via the execute() methods.
-    ///
-    enum Flags {
-        IsNop,          ///< Is a no-op (no effect at all).
-
-        IsInteger,      ///< References integer regs.
-        IsFloating,     ///< References FP regs.
-
-        IsMemRef,       ///< References memory (load, store, or prefetch).
-        IsLoad,         ///< Reads from memory (load or prefetch).
-        IsStore,        ///< Writes to memory.
-        IsStoreConditional,    ///< Store conditional instruction.
-        IsIndexed,      ///< Accesses memory with an indexed address computation
-        IsInstPrefetch, ///< Instruction-cache prefetch.
-        IsDataPrefetch, ///< Data-cache prefetch.
-        IsCopy,         ///< Fast Cache block copy
-
-        IsControl,              ///< Control transfer instruction.
-        IsDirectControl,        ///< PC relative control transfer.
-        IsIndirectControl,      ///< Register indirect control transfer.
-        IsCondControl,          ///< Conditional control transfer.
-        IsUncondControl,        ///< Unconditional control transfer.
-        IsCall,                 ///< Subroutine call.
-        IsReturn,               ///< Subroutine return.
-
-        IsCondDelaySlot,///< Conditional Delay-Slot Instruction
-
-        IsThreadSync,   ///< Thread synchronization operation.
-
-        IsSerializing,  ///< Serializes pipeline: won't execute until all
-                        /// older instructions have committed.
-        IsSerializeBefore,
-        IsSerializeAfter,
-        IsMemBarrier,   ///< Is a memory barrier
-        IsWriteBarrier, ///< Is a write barrier
-        IsReadBarrier,  ///< Is a read barrier
-        IsERET, /// <- Causes the IFU to stall (MIPS ISA)
-
-        IsNonSpeculative, ///< Should not be executed speculatively
-        IsQuiesce,      ///< Is a quiesce instruction
-
-        IsIprAccess,    ///< Accesses IPRs
-        IsUnverifiable, ///< Can't be verified by a checker
-
-        IsSyscall,      ///< Causes a system call to be emulated in syscall
-                        /// emulation mode.
-
-        //Flags for microcode
-        IsMacroop,      ///< Is a macroop containing microops
-        IsMicroop,      ///< Is a microop
-        IsDelayedCommit,        ///< This microop doesn't commit right away
-        IsLastMicroop,  ///< This microop ends a microop sequence
-        IsFirstMicroop, ///< This microop begins a microop sequence
-        //This flag doesn't do anything yet
-        IsMicroBranch,  ///< This microop branches within the microcode for a macroop
-        IsDspOp,
-
-        NumFlags
+    enum {
+        MaxInstSrcRegs = TheISA::MaxInstSrcRegs,        //< Max source regs
+        MaxInstDestRegs = TheISA::MaxInstDestRegs       //< Max dest regs
     };
 
+  protected:
+
     /// Flag values for this instruction.
-    std::bitset<NumFlags> flags;
+    std::bitset<Num_Flags> flags;
 
     /// See opClass().
     OpClass _opClass;
@@ -201,19 +110,9 @@ class StaticInstBase : public RefCounted
     //@{
     int8_t _numFPDestRegs;
     int8_t _numIntDestRegs;
+    int8_t _numCCDestRegs;
     //@}
 
-    /// Constructor.
-    /// It's important to initialize everything here to a sane
-    /// default, since the decoder generally only overrides
-    /// the fields that are meaningful for the particular
-    /// instruction.
-    StaticInstBase(OpClass __opClass)
-        : _opClass(__opClass), _numSrcRegs(0), _numDestRegs(0),
-          _numFPDestRegs(0), _numIntDestRegs(0)
-    {
-    }
-
   public:
 
     /// @name Register information.
@@ -234,7 +133,7 @@ class StaticInstBase : public RefCounted
 
     /// @name Flag accessors.
     /// These functions are used to access the values of the various
-    /// instruction property flags.  See StaticInstBase::Flags for descriptions
+    /// instruction property flags.  See StaticInst::Flags for descriptions
     /// of the individual flags.
     //@{
 
@@ -246,10 +145,12 @@ class StaticInstBase : public RefCounted
     bool isStoreConditional()     const { return flags[IsStoreConditional]; }
     bool isInstPrefetch() const { return flags[IsInstPrefetch]; }
     bool isDataPrefetch() const { return flags[IsDataPrefetch]; }
-    bool isCopy()         const { return flags[IsCopy];}
+    bool isPrefetch()     const { return isInstPrefetch() ||
+                                         isDataPrefetch(); }
 
     bool isInteger()      const { return flags[IsInteger]; }
     bool isFloating()     const { return flags[IsFloating]; }
+    bool isCC()           const { return flags[IsCC]; }
 
     bool isControl()      const { return flags[IsControl]; }
     bool isCall()         const { return flags[IsCall]; }
@@ -266,6 +167,7 @@ class StaticInstBase : public RefCounted
                                       flags[IsSerializeAfter]; }
     bool isSerializeBefore() const { return flags[IsSerializeBefore]; }
     bool isSerializeAfter() const { return flags[IsSerializeAfter]; }
+    bool isSquashAfter() const { return flags[IsSquashAfter]; }
     bool isMemBarrier()   const { return flags[IsMemBarrier]; }
     bool isWriteBarrier() const { return flags[IsWriteBarrier]; }
     bool isNonSpeculative() const { return flags[IsNonSpeculative]; }
@@ -283,36 +185,11 @@ class StaticInstBase : public RefCounted
     //@}
 
     void setLastMicroop() { flags[IsLastMicroop] = true; }
+    void setDelayedCommit() { flags[IsDelayedCommit] = true; }
+    void setFlag(Flags f) { flags[f] = true; }
+
     /// Operation class.  Used to select appropriate function unit in issue.
     OpClass opClass()     const { return _opClass; }
-};
-
-
-// forward declaration
-class StaticInstPtr;
-
-/**
- * Generic yet ISA-dependent static instruction class.
- *
- * This class builds on StaticInstBase, defining fields and interfaces
- * that are generic across all ISAs but that differ in details
- * according to the specific ISA being used.
- */
-class StaticInst : public StaticInstBase
-{
-  public:
-
-    /// Binary machine instruction type.
-    typedef TheISA::MachInst MachInst;
-    /// Binary extended machine instruction type.
-    typedef TheISA::ExtMachInst ExtMachInst;
-    /// Logical register index type.
-    typedef TheISA::RegIndex RegIndex;
-
-    enum {
-        MaxInstSrcRegs = TheISA::MaxInstSrcRegs,        //< Max source regs
-        MaxInstDestRegs = TheISA::MaxInstDestRegs,      //< Max dest regs
-    };
 
 
     /// Return logical index (architectural reg num) of i'th destination reg.
@@ -377,8 +254,13 @@ class StaticInst : public StaticInstBase
     generateDisassembly(Addr pc, const SymbolTable *symtab) const = 0;
 
     /// Constructor.
+    /// It's important to initialize everything here to a sane
+    /// default, since the decoder generally only overrides
+    /// the fields that are meaningful for the particular
+    /// instruction.
     StaticInst(const char *_mnemonic, ExtMachInst _machInst, OpClass __opClass)
-        : StaticInstBase(__opClass),
+        : _opClass(__opClass), _numSrcRegs(0), _numDestRegs(0),
+          _numFPDestRegs(0), _numIntDestRegs(0),
           machInst(_machInst), mnemonic(_mnemonic), cachedDisassembly(0)
     { }
 
@@ -391,18 +273,20 @@ class StaticInst : public StaticInstBase
  */
 #include "cpu/static_inst_exec_sigs.hh"
 
+    virtual void advancePC(TheISA::PCState &pcState) const = 0;
+
     /**
      * Return the microop that goes with a particular micropc. This should
      * only be defined/used in macroops which will contain microops
      */
-    virtual StaticInstPtr fetchMicroop(MicroPC micropc);
+    virtual StaticInstPtr fetchMicroop(MicroPC upc) const;
 
     /**
      * Return the target address for a PC-relative branch.
      * Invalid if not a PC-relative branch (i.e. isDirectCtrl()
      * should be true).
      */
-    virtual Addr branchTarget(Addr branchPC) const;
+    virtual TheISA::PCState branchTarget(const TheISA::PCState &pc) const;
 
     /**
      * Return the target address for an indirect branch (jump).  The
@@ -411,13 +295,14 @@ class StaticInst : public StaticInstBase
      * execute the branch in question.  Invalid if not an indirect
      * branch (i.e. isIndirectCtrl() should be true).
      */
-    virtual Addr branchTarget(ThreadContext *tc) const;
+    virtual TheISA::PCState branchTarget(ThreadContext *tc) const;
 
     /**
      * Return true if the instruction is a control transfer, and if so,
      * return the target address as well.
      */
-    bool hasBranchTarget(Addr pc, ThreadContext *tc, Addr &tgt) const;
+    bool hasBranchTarget(const TheISA::PCState &pc, ThreadContext *tc,
+                         TheISA::PCState &tgt) const;
 
     /**
      * Return string representation of disassembled instruction.
@@ -429,231 +314,14 @@ class StaticInst : public StaticInstBase
     virtual const std::string &disassemble(Addr pc,
         const SymbolTable *symtab = 0) const;
 
-    /// Decoded instruction cache type.
-    /// For now we're using a generic hash_map; this seems to work
-    /// pretty well.
-    typedef m5::hash_map<ExtMachInst, StaticInstPtr> DecodeCache;
-
-    /// A cache of decoded instruction objects.
-    static DecodeCache decodeCache;
-
     /**
-     * Dump some basic stats on the decode cache hash map.
-     * Only gets called if DECODE_CACHE_HASH_STATS is defined.
+     * Print a separator separated list of this instruction's set flag
+     * names on the given stream.
      */
-    static void dumpDecodeCacheStats();
-
-    /// Decode a machine instruction.
-    /// @param mach_inst The binary instruction to decode.
-    /// @retval A pointer to the corresponding StaticInst object.
-    //This is defined as inlined below.
-    static StaticInstPtr decode(ExtMachInst mach_inst, Addr addr);
+    void printFlags(std::ostream &outs, const std::string &separator) const;
 
     /// Return name of machine instruction
     std::string getName() { return mnemonic; }
-
-    /// Decoded instruction cache type, for address decoding.
-    /// A generic hash_map is used.
-    typedef m5::hash_map<Addr, AddrDecodePage *> AddrDecodeCache;
-
-    /// A cache of decoded instruction objects from addresses.
-    static AddrDecodeCache addrDecodeCache;
-
-    struct cacheElement
-    {
-        Addr page_addr;
-        AddrDecodePage *decodePage;
-
-        cacheElement() : decodePage(NULL) { }
-    };
-
-    /// An array of recently decoded instructions.
-    // might not use an array if there is only two elements
-    static struct cacheElement recentDecodes[2];
-
-    /// Updates the recently decoded instructions entries
-    /// @param page_addr The page address recently used.
-    /// @param decodePage Pointer to decoding page containing the decoded
-    ///                   instruction.
-    static inline void
-    updateCache(Addr page_addr, AddrDecodePage *decodePage)
-    {
-        recentDecodes[1].page_addr = recentDecodes[0].page_addr;
-        recentDecodes[1].decodePage = recentDecodes[0].decodePage;
-        recentDecodes[0].page_addr = page_addr;
-        recentDecodes[0].decodePage = decodePage;
-    }
-
-    /// Searches the decoded instruction cache for instruction decoding.
-    /// If it is not found, then we decode the instruction.
-    /// Otherwise, we get the instruction from the cache and move it into
-    /// the address-to-instruction decoding page.
-    /// @param mach_inst The binary instruction to decode.
-    /// @param addr The address that contained the binary instruction.
-    /// @param decodePage Pointer to decoding page containing the instruction.
-    /// @retval A pointer to the corresponding StaticInst object.
-    //This is defined as inlined below.
-    static StaticInstPtr searchCache(ExtMachInst mach_inst, Addr addr,
-                                     AddrDecodePage *decodePage);
 };
 
-typedef RefCountingPtr<StaticInstBase> StaticInstBasePtr;
-
-/// Reference-counted pointer to a StaticInst object.
-/// This type should be used instead of "StaticInst *" so that
-/// StaticInst objects can be properly reference-counted.
-class StaticInstPtr : public RefCountingPtr<StaticInst>
-{
-  public:
-    /// Constructor.
-    StaticInstPtr()
-        : RefCountingPtr<StaticInst>()
-    {
-    }
-
-    /// Conversion from "StaticInst *".
-    StaticInstPtr(StaticInst *p)
-        : RefCountingPtr<StaticInst>(p)
-    {
-    }
-
-    /// Copy constructor.
-    StaticInstPtr(const StaticInstPtr &r)
-        : RefCountingPtr<StaticInst>(r)
-    {
-    }
-
-    /// Construct directly from machine instruction.
-    /// Calls StaticInst::decode().
-    explicit StaticInstPtr(TheISA::ExtMachInst mach_inst, Addr addr)
-        : RefCountingPtr<StaticInst>(StaticInst::decode(mach_inst, addr))
-    {
-    }
-
-    /// Convert to pointer to StaticInstBase class.
-    operator const StaticInstBasePtr()
-    {
-        return this->get();
-    }
-};
-
-/// A page of a list of decoded instructions from an address.
-class AddrDecodePage
-{
-  typedef TheISA::ExtMachInst ExtMachInst;
-  protected:
-    StaticInstPtr instructions[TheISA::PageBytes];
-    bool valid[TheISA::PageBytes];
-    Addr lowerMask;
-
-  public:
-    /// Constructor
-    AddrDecodePage()
-    {
-        lowerMask = TheISA::PageBytes - 1;
-        memset(valid, 0, TheISA::PageBytes);
-    }
-
-    /// Checks if the instruction is already decoded and the machine
-    /// instruction in the cache matches the current machine instruction
-    /// related to the address
-    /// @param mach_inst The binary instruction to check
-    /// @param addr The address containing the instruction
-    bool
-    decoded(ExtMachInst mach_inst, Addr addr)
-    {
-        return (valid[addr & lowerMask] &&
-                (instructions[addr & lowerMask]->machInst == mach_inst));
-    }
-
-    /// Returns the instruction object. decoded should be called first
-    /// to check if the instruction is valid.
-    /// @param addr The address of the instruction.
-    /// @retval A pointer to the corresponding StaticInst object.
-    StaticInstPtr
-    getInst(Addr addr)
-    {
-        return instructions[addr & lowerMask];
-    }
-
-    /// Inserts a pointer to a StaticInst object into the list of decoded
-    /// instructions on the page.
-    /// @param addr The address of the instruction.
-    /// @param si A pointer to the corresponding StaticInst object.
-    void
-    insert(Addr addr, StaticInstPtr &si)
-    {
-        instructions[addr & lowerMask] = si;
-        valid[addr & lowerMask] = true;
-    }
-};
-
-
-inline StaticInstPtr
-StaticInst::decode(StaticInst::ExtMachInst mach_inst, Addr addr)
-{
-#ifdef DECODE_CACHE_HASH_STATS
-    // Simple stats on decode hash_map.  Turns out the default
-    // hash function is as good as anything I could come up with.
-    const int dump_every_n = 10000000;
-    static int decodes_til_dump = dump_every_n;
-
-    if (--decodes_til_dump == 0) {
-        dumpDecodeCacheStats();
-        decodes_til_dump = dump_every_n;
-    }
-#endif
-
-    Addr page_addr = addr & ~(TheISA::PageBytes - 1);
-
-    // checks recently decoded addresses
-    if (recentDecodes[0].decodePage &&
-        page_addr == recentDecodes[0].page_addr) {
-        if (recentDecodes[0].decodePage->decoded(mach_inst, addr))
-            return recentDecodes[0].decodePage->getInst(addr);
-
-        return searchCache(mach_inst, addr, recentDecodes[0].decodePage);
-    }
-
-    if (recentDecodes[1].decodePage &&
-        page_addr == recentDecodes[1].page_addr) {
-        if (recentDecodes[1].decodePage->decoded(mach_inst, addr))
-            return recentDecodes[1].decodePage->getInst(addr);
-
-        return searchCache(mach_inst, addr, recentDecodes[1].decodePage);
-    }
-
-    // searches the page containing the address to decode
-    AddrDecodeCache::iterator iter = addrDecodeCache.find(page_addr);
-    if (iter != addrDecodeCache.end()) {
-        updateCache(page_addr, iter->second);
-        if (iter->second->decoded(mach_inst, addr))
-            return iter->second->getInst(addr);
-
-        return searchCache(mach_inst, addr, iter->second);
-    }
-
-    // creates a new object for a page of decoded instructions
-    AddrDecodePage *decodePage = new AddrDecodePage;
-    addrDecodeCache[page_addr] = decodePage;
-    updateCache(page_addr, decodePage);
-    return searchCache(mach_inst, addr, decodePage);
-}
-
-inline StaticInstPtr
-StaticInst::searchCache(ExtMachInst mach_inst, Addr addr,
-                        AddrDecodePage *decodePage)
-{
-    DecodeCache::iterator iter = decodeCache.find(mach_inst);
-    if (iter != decodeCache.end()) {
-        decodePage->insert(addr, iter->second);
-        return iter->second;
-    }
-
-    StaticInstPtr si = TheISA::decodeInst(mach_inst);
-    decodePage->insert(addr, si);
-    decodeCache[mach_inst] = si;
-    return si;
-}
-
 #endif // __CPU_STATIC_INST_HH__