simple_ram: Turn on pipelining

With a 1 cycle delay

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

wb_debug: Add wishbone pipelining support

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

icache: Add wishbone pipelining support

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

dcache: Add wishbone pipelining support

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

fpga/bram: Generate stall signal

This doesn't yet pipeline the block RAM, just generate a valid stall
signal so it's compatible with a pipelined master

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

simple_ram: Add pipelining support

The generic PIPELINE_DEPTH can be set to 0 to keep it operating
as a non-pipelined slave, or a larger value indicating
the amount of extra cycles between requests and acks.

It will always generate a valid stall signal, so it can be used
in either mode with a pipelined master (but only in non-pipelined
mode with a non-pipelined master).

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

intercon: Generate stall signals for non-pipelined slaves

So far the UART and the "miss" case. Memory will be
pipelined

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

wb_arbiter: Forward stall signals

They are set to '1' for non-selected devices

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

icache_tb: Initialize stop_mark

Too much red in gtkwave..

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

wishbone: Add stall signal

Pipelined wishbone needs it

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

pp_uart: reformat

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

Merge pull request #115 from antonblanchard/reduce-wishbone

Reduce wishbone

Merge pull request #113 from mikey/exec-sim-remove

Remove SIM generic from execute1

Merge pull request #114 from antonblanchard/dcache

Dcache from Ben

Remove SIM generic from execute1

This does nothing, so remove.

Signed-off-by: Michael Neuling <mikey@neuling.org>

Reduce wishbone address size to 32-bit

For now ... it reduces the routing pressure on the FPGA

This needs manual adjustment of the address decoder in soc.vhdl, at
least until I can figure out how to deal with std_match

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>
# Conflicts:
# soc.vhdl

# Conflicts:
# soc.vhdl

Make it possible to change wishbone address size

All that needs to be changed now is the size in wishbone_types.vhdl
and the address decoder in soc.vhdl

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

dcache: Add testbench

A very simple one for now...

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

insn: Simplistic implementation of icbi

We don't yet have a proper snooper for the icache, so for now make
icbi just flush the whole thing

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

insn: Implement isync instruction

The instruction works by redirecting fetch to nia+4 (hopefully using
the same adder used to generate LR) and doing a backflush. Along with
being single issue, this should guarantee that the next instruction
only gets fetched after the pipe's been emptied.

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

icache & dcache: Fix store way variable

We used the variable "way" in the wrong state in the cache when
updating a line valid bit after the end of the wishbone transactions,
we need to use the latched "store_way".

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

dcache: Cleanup (mostly cosmetic)

Clearly separate the 2 stages of load hits, improve naming and
comments, clarify the writeback controls etc...

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

icache/dcache: Make both caches 32 lines, 2 ways

Adding lines seems to add only little extra as the BRAMs aren't
full, 2 ways is our current comprimise to limit pressure on small
FPGAs. We could go to 64 lines for a little more, but timing is
becoming a bit too right to my linking on the tags/LRU path of
the icache, so let's leave it at 32 for now.

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

dcache: Introduce an extra cycle latency to make timing

This makes the BRAMs use an output buffer, introducing an extra
cycle latency. Without this, Vivado won't make timing at 100Mhz.

We stash all the necessary response data in delayed latches, the
extra cycle is NOT a state in the state machine, thus it's fully
pipelined and doesn't involve stalling.

This introduces an extra non-pipelined cycle for loads with update
to avoid collision on the writeback output between the now delayed
load data and the register update. We could avoid it by moving
the register update in the pipeline bubble created by the extra
update state, but it's a bit trickier, so I leave that for a latter
optimization.

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

dcache: Add a dcache

This replaces loadstore2 with a dcache

The dcache unit is losely based on the icache one (same basic cache
layout), but has some significant logic additions to deal with stores,
loads with update, non-cachable accesses and other differences due to
operating in the execution part of the pipeline rather than the fetch
part.

The cache is store-through, though a hit with an existing line will
update the line rather than invalidate it.

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

icache: Reduce simulation warnings

This might slightly increase the logic in synthesis but avoids
us looking at uninitialized tags when not servicing an active
request

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

cache_ram: Add write-enables

They will be needed by the dcache

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

plru: Improve sensitivity list

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

Merge pull request #112 from hughhalf/patch-1

Minor tweaks to README.md

Minor tweaks to README.md

Few tweaks based on a newcomers experience getting an Arty A7-100 up and running

Forgot to add DCO in initial PR, now corrected.

Signed-off-by: Hugh Blemings <hugh@blemings.org>

Merge pull request #110 from antonblanchard/misc

icache_tb: Improve test and include test file

icache_tb: Improve test and include test file

The icache_test.bin file was missing. This adds it (along with a python3
script to generate it).

We also add better reporting on errors

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

Merge pull request #109 from antonblanchard/misc

Misc updates from Ben

isel takes a CR bit, not a CR field

Fix a GHDL assert in isel.

Signed-off-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>

common: Reformat

No code change

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

execute1: Remove mux on "write_data" and "rc" outputs

Only "write_enable" needs to change, this shrinks the core a bit more

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

crhelpers: Constraint "crnum" integer

This seems to save quite a few LUTs

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

execute1: Reformat

No functional change

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

writeback: Remove a mux leg on data_in

Initialize to 0 forces the mux to have an extra leg fed with zeros.

Instead initialize data_in to one of the mux inputs

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

Merge pull request #105 from paulusmack/writeback

Writeback

writeback: Eliminate inferred latch

This initializes data_in to all zeroes so that it doesn't become a
set of 64 inferred latches.

Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

Merge pull request #106 from paulusmack/master

wishbone_debug_master: Improve timing

wishbone_debug_master: Improve timing

The current code has the possibility that we could set reg_addr
or reg_ctrl and then increment reg_addr in the same cycle, resulting
in some long timing paths.  Rearrange the code to make it clear
that we are not trying to add an auto-increment to data from
outside the module; in any given cycle we either set one of
reg_addr and reg_ctrl, or we possibly increment reg_addr.

Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

Remove execute2 stage

Since the condition setting got moved to writeback, execute2 does
nothing aside from wasting a cycle.  This removes it.

Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

Merge pull request #104 from paulusmack/master

Implement neg using OP_ADD

Do sign-extension instructions in writeback instead of execute1

This makes the exts[bhw] instructions do the sign extension in the
writeback stage using the sign-extension logic there instead of
having unique sign extension logic in execute1.  This requires
passing the data length and sign extend flag from decode2 down
through execute1 and execute2 and into writeback.  As a side bonus
we reduce the number of values in insn_type_t by two.

Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

writeback: Do data formatting and condition recording in writeback

This adds code to writeback to format data and test the result
against zero for the purpose of setting CR0.  The data formatter
is able to shift and mask by bytes and do byte reversal and sign
extension.  It can also put together bytes from two input
doublewords to support unaligned loads (including unaligned
byte-reversed loads).

The data formatter starts with an 8:1 multiplexer that is able
to direct any byte of the input to any byte of the output.  This
lets us rotate the data and simultaneously byte-reverse it.
The rotated/reversed data goes to a register for the unaligned
cases that overlap two doublewords.  Then there is per-byte logic
that does trimming, sign extension, and splicing together bytes
from a previous input doubleword (stored in data_latched) and the
current doubleword.  Finally the 64-bit result is tested to set
CR0 if rc = 1.

This removes the RC logic from the execute2, multiply and divide
units, and the shift/mask/byte-reverse/sign-extend logic from
loadstore2.

Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

Merge pull request #103 from paulusmack/divider

Divider

Implement neg using OP_ADD

We have all the machinery in place to implement the neg instruction
as OP_ADD.  Doing that means we can ditch OP_NEG, and saves about
66 slice LUTs on the A7-100.

Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

divider: Reduce delay in detecting 32-bit overflow

Timing analysis showed that even with the output register, timing
was still a bit tight in the output stage, where the carry has to
propagate all the way through the 64-bit negater, and we were then
testing the top 33 bits to determine if a 32-bit operation had
overflowed.

Instead of detecting overflow at the end, we watch for any 1
bits getting shifted into the top 32 bits of the quotient register
as we are doing the division.  That is relatively easy to do and
simplifies the output stage.

Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

Merge pull request #102 from antonblanchard/gpr-hazard-5-c

Add CR hazard detection

Add CR hazard detection

To keep things simple we treat the CR as a single entity.

Signed-off-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>

Merge pull request #101 from antonblanchard/gpr-hazard-5-b

Add GPR hazard detection

divider: Add an output register

This puts the output of the divider through a register.  With the
addition of the logic to detect overflow, the combinatorial output
logic of the divider was becoming a critical path.  Adding the
output register adds a cycle to the latency of the divider but
helps make timing at 100MHz on the A7-100.

This also makes the valid, write_reg_enable and write_cr_enable
fields of the output be registered, which eliminates warnings
about register/latch pins with no clock.

Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

Remove issue restrictions on a number of instructions

Anything that isn't a load or store and anything that doesn't read the
CR can go as soon as its inputs are ready.

While we could also allow SPR read/write and carry read/write, we plan
to change them to be read in decode2 and written in writeback soon and
they will need separate hazard detection to be added.

Signed-off-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>

Add GPR hazard detection

Check GPRs against any writers in the pipeline.

All instructions are still marked single in pipeline at
this stage.

Signed-off-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>

Merge pull request #100 from antonblanchard/gpr-hazard-5-a

Separate issue control into its own unit

Merge pull request #99 from paulusmack/logical

Logical

Separate issue control into its own unit

Signed-off-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>

countzero: Add a testbench

Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

countzero: Reorganize to have fewer levels of logic and fewer LUTs

By using 4:1 multiplexers rather than 2:1, this cuts the number of
levels of multiplexing from 4 to 2 and also reduces the total number
of slice LUTs required.  Because we are now handling 4 bits at each
level, including the bottom level, the logic to do the priority
encoding can be factored out into a function that is used at each
level.

This rearranges the logic so that the encoding and selection of bits
is done whether or not the input operand is zero, and the if statement
testing whether the input is zero only affects what is assigned to
result.  With this we don't get the inferred latches and we can go
back to using signals rather than variables.

Also add some comments about what is being done.

Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

Merge pull request #98 from antonblanchard/fix-mod

mod* doesn't have an RC form

mod* doesn't have an RC form

The RC bit should be ignored for mod* instructions.

Signed-off-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>

Merge pull request #96 from antonblanchard/clk_gen_bypass-fix

Fix clk_gen_bypass

Fix clk_gen_bypass

clk_gen_bypass needed updating after the addition of CLK_INPUT_HZ and
CLK_OUTPUT_HZ.

Signed-off-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>

Merge pull request #94 from antonblanchard/icbi-nop

decode: Handle icbi

Merge pull request #93 from antonblanchard/fifo-fix

Remove shared variable from fifo, and reformat

decode: Handle icbi

We will need a proper handler for icbi, but in the meantime treat it
as a nop.

Signed-off-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>

fifo: Reformat

Signed-off-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>

fifo: Remove shared variable

The shared variable used for FIFO memory is not VHDL 2008 compliant.
I can't see why it needs to be a shared variable since reads and writes
update top and bottom synchronously, meaning they don't need same cycle
access to the FIFO memory.

Signed-off-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>

Merge pull request #92 from paulusmack/divider

Divider

Merge pull request #91 from tgingold/gpr-file-fix

Fix register file size (there are 32 gprs).

divider: Return 0 for invalid and overflow cases, like P9 does

This adds logic to detect the cases where the quotient of the
division overflows the range of the output representation, and
return all zeroes in those cases, which is what POWER9 does.
To do this, we extend the dividend register by 1 bit and we do
an extra step in the division process to get a 2^64 bit of the
quotient, which ends up in the 'overflow' signal.  This catches all
the cases where dividend >= 2^64 * divisor, including the case
where divisor = 0, and the divde/divdeu cases where |RA| >= |RB|.

Then, in the output stage, we also check that the result fits in
the representable range, which depends on whether the division is
a signed division or not, and whether it is a 32-bit or 64-bit
division.  If dividend >= 2^64 or the result doesn't fit in the
representable range, write_data is set to 0 and write_cr_data to
0x20000000 (i.e. cr0.eq = 1).

POWER9 sets the top 32 bits of the result to zero for 32-bit signed
divisions, and sets CR0 when RC=1 according to the 64-bit value
(i.e. CR0.LT is always 0 for 32-bit signed divisions, even if the
32-bit result is negative).  However, modsw with a negative result
sets the top 32 bits to all 1s.  We follow suit.

This updates divider_tb to check the invalid cases as well as the
valid case.

This also fixes a small bug where the reset signal for the divider
was driven from rst when it should have been driven from core_rst.

Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

decode2: Fix 32-bit flag passed to divider

Previously the 32-bit flag passed to the divider was always wrong;
this fixes it.

Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

Fix register file size (there are 32 gprs).

Merge pull request #84 from classilla/master

Add logo

Merge pull request #89 from mikey/gitignore

Update gitignore for new test bench build files

Merge pull request #90 from antonblanchard/newcrf-inferred-latch

Don't infer latch for newcrf

Don't infer latch for newcrf

Always initialize newcrf to avoid inferring a latch.

Signed-off-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>

Update gitignore for new test bench build files

Just ignore all *_tb files

Signed-off-by: Michael Neuling <mikey@neuling.org>

Merge pull request #87 from antonblanchard/cmod-a7-freq

Fix cmod-a7 frequency

Fix cmod-a7 frequency

The cmod-a7 is ignoring the clk_frequency parameter and running at
100 MHz. Fix it.

Signed-off-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>

Merge pull request #86 from antonblanchard/outstanding-range

Limit outstanding range

Merge pull request #85 from antonblanchard/leadingzeroes-fix

Fix count-leading/trailing-zeroes

Merge pull request #79 from deece/uart_address

Tighten UART address

Limit outstanding range

outstanding can only ever be -1 to 2 at the moment (0 or 1 on a
rising clock edge). Vivado is synthesizing a much wider adder
which is silly. Constrain it with a range statement. This should
be good for timing and saves us about 85 LUTs.

This will get relaxed when we add more pipelining, but only by a
few bits.

Signed-off-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>

Fix count-leading/trailing-zeroes

The current code simulates correctly, but produces miscompares when synthesized
onto an FPGA. On closer inspection GHDL synthesis complains about inferred
latches and there does seem to be issues.

Convert it to variables that are always initialized to zero at the start of the
process.

Fixes: 24a4a796ce1e ("execute: Consolidate count-leading/trailing-zeroes implementations")
Signed-off-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>

Add logo to README.md

Signed-off-by: Cameron Kaiser <classilla@floodgap.com>

Add title image

Signed-off-by: Cameron Kaiser <classilla@floodgap.com>

Merge pull request #83 from paulusmack/logical

execute: Consolidate count-leading/trailing-zeroes implementations

Merge pull request #81 from antonblanchard/logical

Consolidate logical instructions

Merge pull request #82 from antonblanchard/icache-set-assoc

A new set associative icache from Ben

execute: Consolidate count-leading/trailing-zeroes implementations

This adds combinatorial logic that does 32-bit and 64-bit count
leading and trailing zeroes in one unit, and consolidates the
four instructions under a single OP_CNTZ opcode.

This saves 84 slice LUTs on the Arty A7-100.

Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

Consolidate logical instructions

Consolidate and/andc/nand, or/orc/nor and xor/eqv, using a common
invert on the input and output. This saves us about 200 LUTs.

Signed-off-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>

Tighten UART address

The current scheme has UART0 repeating throughout the UART address range.

This patch tightens the address checking so that it only occurs once.

Signed-off-by: Alastair D'Silva <alastair@d-silva.org>

icache: Set associative icache

This adds support for set associativity to the icache. It can still
be direct mapped by setting NUM_WAYS to 1.

The replacement policy uses a simple tree-PLRU for each set.

This is only lightly tested, tests pass but I have to double check
that we are using the ways effectively and not creating duplicates.

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

plru: Add a simple PLRU module

Tested in sim only for now

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

fetch2: Remove blank line

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

icache: Use narrower block RAMs

We only ever access the cache memory for at most the wishbone bus
width at a time. So having the BRAMs organized as a cache-line-wide
port is a waste of resources.

Instead, use a wishbone-wide memory and store a line as consecutive
rows in the BRAM.

This significantly improves BRAM usage in the FPGA as we can now use
more rows in the BRAM blocks. It also saves a few LUTs and muxes.

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>

fetch/icache: Fit icache in BRAM

The goal is to have the icache fit in BRAM by latching the output
into a register. In order to avoid timing issues , we need to give
the BRAM a full cycle on reads, and thus we souce the BRAM address
directly from fetch1 latched NIA.

(Note: This will be problematic if/when we want to hash the address,
we'll probably be better off having fetch1 latch a fully hashed address
along with the normal one, so the icache can use the former to address
the BRAM and pass the latter along)

One difficulty is that we cannot really stall the icache without adding
more combo logic that would break the "one full cycle" BRAM model. This
means that on stalls from decode, by the time we stall fetch1, it has
already gone to the next address, which the icache is already latching.

We work around this by having a "stash" buffer in fetch2 that will stash
away the icache output on a stall, and override the output of the icache
with the content of the stash buffer when unstalling.

This requires a rewrite of the stop/step debug logic as well. We now
do most of the hard work in fetch1 which makes more sense.

Note: Vivado is still not inferring an built-in output register for the
BRAMs. I don't want to add another cycle... I don't fully understand why
it wouldn't be able to treat current_row as such but clearly it won't. At
least the timing seems good enough now for 100Mhz, possibly more.

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>