Merge pull request #421 from paulusmack/fixes

Fix instruction logging

icache: Fix instruction sent to log

Log the instruction read from the icache, not the instruction (if any)
being written to the icache.

Fixes: 6db626d24547 ("icache: Log 36 bits of instruction rather than 32")
Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

scripts/fmt_log: Update for recent changes

This updates fmt_log.c to account for the recent changes to
insn_type_t and to unit_t.

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

Merge pull request #419 from paulusmack/prefix

Add support for prefixed instructions

Merge pull request #404 from CodeConstruct:dev/gpio-interrupt

Interrupts for GPIO

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

Implement byte reversal instructions

This implements the byte-reverse halfword, word and doubleword
instructions: brh, brw, and brd.  These instructions were added to the
ISA in version 3.1.  They use a new OP_BREV insn_type value.  The
logic for these instructions is implemented in logical.vhdl.

In order to avoid going over 64 insn_type values, OP_AND and OP_OR
were combined into OP_LOGIC, which is like OP_AND except that the RS
input can be inverted as well as the RB input.  The various forms of
OR instruction are then implemented using the identity

    a OR b = NOT (NOT a AND NOT b)

The 'is_signed' field of the instruction decode table is used to
indicate that RS should be inverted.

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

Implement set[n]bc[r] instructions

This implements the setbc, setnbc, setbcr and setnbcr instructions.
Because the insn_type_t type already has 64 elements, this uses the
existing OP_SETB for the new instructions, and has execute1 compute
different results depending on bits 6-9 of the instruction.

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

tests: Add a test for prefixed instructions

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

Implement interrupts for prefixed instructions

This arranges to generate an illegal instruction type program
interrupt for illegal prefixed instructions, that is, those where the
suffix is not a legal value given the prefix, or the prefix has a
reserved value in the subtype field.  This implementation doesn't
generate an interrupt for the invalid 8LS:D and MLS:D instruction
forms where R = 1 and RA != 0.  (In those cases it uses (RA) as the
addend, i.e. it ignores the R bit.)

This detects the case where the address of an instruction prefix is
equal mod 64 to 60, and generates an alignment interrupt in that case.

This also arranges to set bit 34 of SRR1 when an interrupt occurs due
to a prefixed instruction, for those interrupts where that is required
(i.e. trace, alignment, floating-point unavailable, data storage, data
segment, and most cases of program interrupt).

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

Decode prefixed instructions

This adds logic to do basic decoding of the prefixed instructions
defined in PowerISA v3.1B which are in the SFFS (Scalar Fixed plus
Floating-Point Subset) compliancy subset.  In PowerISA v3.1B SFFS,
there are 14 prefixed load/store instructions plus the prefixed no-op
instruction (pnop).  The prefixed load/store instructions all use an
extended version of D-form, which has an extra 18 bits of displacement
in the prefix, plus an 'R' bit which enables PC-relative addressing.

When decode1 sees an instruction word where the insn_code is
INSN_prefix (i.e. the primary opcode was 1), it stores the prefix word
and sends nothing down to decode2 in that cycle.  When the next valid
instruction word arrives, it is interpreted as a suffix, meaning that
its insn_code gets modified before being used to look up the decode
table.

The insn_code values are rearranged so that the values for
instructions which are the suffix of a valid prefixed instruction are
all at even indexes, and the corresponding prefixed instructions
follow immediately, so that an insn_code value can be converted to the
corresponding prefixed value by setting the LSB of the insn_code
value.  There are two prefixed instructions, pld and pstd, for which
the suffix is not a valid SFFS instruction by itself, so these have
been given dummy insn_code values which decode as illegal (INSN_op57
and INSN_op61).

For a prefixed instruction, decode1 examines the type and subtype
fields of the prefix and checks that the suffix is valid for the type
and subtype.  This check doesn't affect which entry of the decode
table is used; the result is passed down to decode2, and will in
future be acted upon in execute1.

The instruction address passed down to decode2 is the address of the
prefix.  To enable this, part of the instruction address is saved when
the prefix is seen, and then the instruction address received from
icache is partly overlaid by the saved prefix address.  Because
prefixed instructions are not permitted to cross 64-byte boundaries,
we only need to save bits 5:2 of the instruction to do this.  If the
alignment restriction ever gets relaxed, we will then need to save
more bits of the address.

Decode2 has been extended to handle the R bit of the prefix (in 8LS
and MLS forms) and to be able to generate the 34-bit immediate value
from the prefix and suffix.

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

Move insn_codes for mcrfs, mtfsb0/1 and mtfsfi

This moves the insn_code values for mcrfs, mtfsb0/1 and mtfsfi into
the region used for floating-point instructions.  This means that in
no-FPU implementations, they will get turned into illegal instructions
in predecode.  We then don't need the code in execute1 that makes FP
instructions illegal in no-FPU implementations.

We also remove the NONE value for unit_t, since it was only ever used
with insn_type = OP_ILLEGAL, and the check for unit = NONE was
redundant with the check for insn_type = OP_ILLEGAL.  Thus the check
for unit = NONE is no longer needed and is removed here.

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

fetch1: Change the way predictions from the BTC are sent downstream

Instead of sending down the predicted taken/not-taken bits with the
target of the branch, we now send them down with the branch itself.
Previously icache adjusted for this by sending the prediction bits to
decode1 without a 1-clock delay while everything else had a 1-clock
delay.  Now icache keeps the prediction bits with the rest of the
attributes for the request.

Also fix a buglet in fetch1 where the first address sent out after
reset didn't have .req set.  Currently this doesn't cause a problem
because icache doesn't really look at .req.

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

Merge pull request #417 from kraigher/master

Add VHDL-LS language server configuration

Add vhdl_ls.toml dump to run.py

Signed-off-by: Olof Kraigher <olof.kraigher@gmail.com>

Merge pull request #409 from CodeConstruct/dev/soc-reset

Make syscon SOC reset work

arty: Add software reset from syscon

Signed-off-by: Matt Johnston <matt@codeconstruct.com.au>

soc: Expose sw_soc_reset for syscon reset

The soc itself will be reset when a syscon soc reset is triggered.

Separately, top- board files can use the sw_soc_rst signal
if they need to reset other peripherals

Signed-off-by: Matt Johnston <matt@codeconstruct.com.au>

Regenerate litedram with updated sdram init

Using

litedram c770dd62edc281c370f9e2c694fe4ac1525a0b4a
litex e570b612b2a9d8f8d2002d79497bda0dc35b936a

Signed-off-by: Matt Johnston <matt@codeconstruct.com.au>

litedram: only run sdram init at first boot

Subsequent boots can skip the dram configuration, it will already
be in a usable state.

Signed-off-by: Matt Johnston <matt@codeconstruct.com.au>

Move alt_reset to syscon

Instead of connecting core_alt_reset to litedram init_done, it moves to
a syscon register bit. This simplifies top- files and future soc_reset
handling. sdram main.c can unset the alt_reset bit after sdram init.

Signed-off-by: Matt Johnston <matt@codeconstruct.com.au>

bin2hex: handle any file length, not just 8 or 4

Treat the input as if it was padded with zeroes to a multiple
of 8. This is needed if the .data in a binary changes size, it
won't be a nice multiple of 4 or 8. At present the microwatt
binaries all are multiples of 8, but making code alterations could make
bin2hex fail unexpectedly.

Signed-off-by: Matt Johnston <matt@codeconstruct.com.au>

Merge pull request #415 from ozbenh/uart16550-core

Bundle the uart16550 core file

Merge pull request #414 from ozbenh/misc

Fixup plru_tb to use the new plrufn, take out the old plru and vunit test misc changes

Bundle the uart16550 core file

We already carry the UART verilog source, so we may as well use it
instead of requiring fusesoc to import it from its library

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

Fix plru_tb to use the new plrufn and take out the old plru.vhdl

This reworks (and simplifies) plru_tb to use the new plrufn module
instead of the old (and now unused) plru module.

The latter is now removed completely.

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

Merge pull request #413 from ozbenh/fix-io-bridge-qw-store

soc: Fix issues with 64-bit stores to IO bridge

Clean vunit_out on make clean

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

Add shebang to run.py

It's useful to run the vunit tests by hand, this makes it easier

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

soc: Fix issues with 64-bit stores to IO bridge

The IO bridge would latch the top half of write data and selection signals
when issuing the second downstream store. Unfortunately at this point the
bridge has already "accepted" the upstream store from the core (due to
stall being 0 on the cycle when stb/cyc are 1), so the values on the
wishbone signals aren't stable and might already reflect a subsequent
wishbone command.

This causes occasional data corruption of 64-bit stores through the IO
bridge.

While at it, take out a bunch of useless conditions on the data latch
path. It doesn't matter whether we is 0 or 1, we can just always latch
the data, the destination will decide whether to use the content or not,
which should save a bit of hardware.

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

gpio: Add interrupts and trigger registers

Allows to trigger on rising/falling/both edge, as well
as high/low level.

Registers are compatible with Linux ftgpio010 driver.

Signed-off-by: Matt Johnston <matt@codeconstruct.com.au>

Merge pull request #411 from ozbenh/dcache-plru-update-fix

Dcache PLRU update fix

dcache: Update PLRU on misses as well as hits

The current dcache will not update the PLRU on a cache miss which is later
satisfied during the reload process. Thus subsequent misses will potentially
evict the same cache line. The same issue happens with dcbz which are
treated more/less as load misses.

This fixes it by triggering a PLRU update when r1.choose_victim, which is
set on a miss for one cycle to snapshot the PLRU output. This means we will
update the PLRU on the same cycle as we capture its output, which is fine
(the new value will be visible on the next cycle).

That way, a "miss" will result in a PLRU update to reflect that the entry
being refilled is actually used (and will be used to serve subsequent
load operations from the same cache line while being refilled).

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

Fix dcache_tb (and add dump of victim way to dcache)

It bitrotted... more signals need to be initialized. This also adds
a lot more accesses with different timing conditions allowing to
test cases of hit during reloads, hit with reload formward, hit on idle
cache etc...

It also exposes a bug where the cache miss caused by the read of 0x140
uses the same victim way as previous cache miss of 0x40 (same index).

This bug will need to be fixed separately, but at least this exposes it.

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

Add more interrupt numbers to microwatt_soc.h

Signed-off-by: Matt Johnston <matt@codeconstruct.com.au>

arty: Add switches and buttons as gpio 10-17

Signed-off-by: Matt Johnston <matt@codeconstruct.com.au>

arty: Add other RGB LEDs, attach to gpio 0-8

Signed-off-by: Matt Johnston <matt@codeconstruct.com.au>

arty: Add switches and buttons to xdc file

Signed-off-by: Matt Johnston <matt@codeconstruct.com.au>

Merge pull request #408 from paulusmack/plru-improvement

PLRU improvements

Merge pull request #406 from shingarov/spi-kintex

Add support for flashing the s25fl256s onboard Genesys2

Merge pull request #407 from shingarov/openocd-012

Recognize version string "0.12" in recent OpenOCD master

Recognize version string "0.12" in recent OpenOCD master

Starting from 5e7612eb4, OpenOCD identifies itself as 0.12.
This causes Microwatt's flash-arty script to fail.  Because neither
the cfg nor the proxy bitstream are affected, we can keep treating
everything as indistinguishable from 0.11.  This patch simply tests
for "0.12" as an alias; it would probably be better to replace this
confusing terminology with something like "single-tap/multi-tap".

Signed-off-by: Boris Shingarov <shingarov@labware.com>

Add support for flashing the s25fl256s onboard Genesys2

This includes the cable configuration, additions to the Python script,
and the jtagspi proxy bitstream. The single-tap version is not included
because 0.10 supported only 3-byte addresses which is unusable on the
s25fl256s anyway.

Signed-off-by: Boris Shingarov <shingarov@labware.com>

litedram: Split L2 PLRU into storage and logic

As has been done for the L1 dcache and icache, this puts the L2 cache
PLRU state into a little RAM and has a single copy of the logic to
calculate the pseudo-LRU way and update the PLRU state.

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

dcache: Split PLRU into storage and logic

Rather than having update and decode logic for each individual PLRU
as well as a register to store the current PLRU state, we now put the
PLRU state in a little RAM, which will typically use LUT RAM on FPGAs,
and have just a single copy of the logic to calculate the pseudo-LRU
way and to update the PLRU state.

The PLRU RAM that apples to the data storage (as opposed to the TLB)
is read asynchronously in the cycle after the cache tag matching is
done.  At the end of that cycle the PLRU RAM entry is updated if the
access was a cache hit, or a victim way is calculated and stored if
the access was a cache miss.  It is possible that a cache miss doesn't
start being handled until later, in which case the stored victim way
is used later when the miss gets handled.

Similarly for the TLB PLRU, the RAM is read asynchronously in the
cycle after a TLB lookup is done, and either updated at the end of
that cycle (for a hit), or a victim is chosen and stored for when the
TLB miss is satisfied.

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

icache: Split PLRU into storage and logic

Rather than having update and decode logic for each individual PLRU
as well as a register to store the current PLRU state, we now put the
PLRU state in a little RAM, which will typically use LUT RAM on FPGAs,
and have just a single copy of the logic to calculate the pseudo-LRU
way and to update the PLRU state.  This logic is in the plrufn module
and is just combinatorial logic.  A new module was created for this as
other parts of the system are still using plru.vhdl.

The PLRU RAM in the icache is read asynchronously in the cycle
after the cache tag matching is done.  At the end of that cycle the
PLRU RAM entry is updated if the access was a cache hit, or a victim
way is calculated and stored if the access was a cache miss and
miss handling is starting in this cycle.

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

Merge pull request #403 from mikey/litedram-warnings

Fix litedram wrapper build warnings and metavalues

dcache: Fix compilation with NUM_WAYS and/or TLB_NUM_WAYS = 1

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

icache: Fix compilation with NUM_WAYS = 1

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

Fix litedram wrapper build warnings and metavalues

This fixes a couple of build warnings in litedram-wrapper-l2.vhdl

litedram/extras/litedram-wrapper-l2.vhdl:552:17:warning: declaration of "i" hides constant "i" [-Whide]
            for i in 0 to ROW_SIZE-1 loop
                ^
litedram/extras/litedram-wrapper-l2.vhdl:1129:9:warning: declaration of "litedram_trace" hides generic "litedram_trace" [-Whide]
        litedram_trace: litedram_trace_stub;
        ^

It also cleans up the runtime metavalue warnings

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

Merge pull request #402 from ozbenh/misc

Fix core_dram_tb and dram_tb

Fix build of core_dram_tb and dram_tb and fix tracing

We disabled --trace by default, so we need to stop linking verilated_vcd_c.o
as it doesn't exist in that case.

While at it, make a Makefile variable to enable/disable verilator tracing
and add a couple of generics to those test benches to control tracing
in the L2 and in litedram.

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

Ignore vunit_out in git

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

Merge pull request #401 from shenki/dcscm

Add Antmicro Artix DC-SCM support

openocd: Add Artix DC-SCM cable type

The Antmicro Artix DC-SCM uses the following FTDI part:

 0403:6011 Future Technology Devices International, Ltd FT4232H Quad HS USB-UART/FIFO IC

To use:

 $ openocd/flash-arty -c antmicro-artix-dc-scm -f a100 -t bin -a 0x300000 ~/u-boot

Signed-off-by: Joel Stanley <joel@jms.id.au>

antmicro-artix-dc-scm: Add liteeth

As with the DRAM configuration, the DC-SCM board uses the same PHY as
the Nexys Video and works with it's generated VHDL.

Signed-off-by: Joel Stanley <joel@jms.id.au>

antmicro-artix-dc-scm: Add Ethernet pins

Signed-off-by: Joel Stanley <joel@jms.id.au>

antmicro-artix-dc-scm: Enable SPI flash

Load from 3MB as the flash is only 4MB on this board.

Signed-off-by: Joel Stanley <joel@jms.id.au>

antmicro-artix-dc-scm: Formatting to match top-arty

Make it easier to follow what needs to be updated.

Signed-off-by: Joel Stanley <joel@jms.id.au>

antmicro-artix-dc-scm: Add SPI flash pins

Signed-off-by: Joel Stanley <joel@jms.id.au>

antmicro-artix-dc-scm: Update DRAM properties

Most pins are set to SSTL15, but litex generates SSTL135.

This should silence a vivado warning.

Signed-off-by: Joel Stanley <joel@jms.id.au>

antmicro-artix-dc-scm: Add DRAM support

This uses the exact same gateware as the nexys video, since the DRAM
connection is identical to the nexys video down to the pin assignments
on the FPGA.  The only minor difference is that the DRAM chip on the
dc-scm is a MT41K256M16TW vs. a ...HA part on the nexys video.

Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>
[joel: rebase and tweaks]
Signed-off-by: Joel Stanley <joel@jms.id.au>

Add Antmicro Artix DC SCM hello world support

works with:
 fusesoc build --target=antmicro-artix-dc-scm microwatt --ram_init_file=../hello_world/hello_world.hex

Signed-off-by: Michael Neuling <mikey@neuling.org>
[joel: Fixes and updates]
Signed-off-by: Joel Stanley <joel@jms.id.au>

Merge pull request #400 from mikey/githash

syscon: Implement a register for storing git hash info

Merge pull request #399 from ozbenh/misc

Fix PLRU

hello_world: Debug print the gitinfo syscon register

   .oOOo.
 ."      ".
 ;  .mw.  ;   Microwatt, it works.
  . '  ' .
   \ || /     HDL Git SHA1: 211d23c4ad4fb5-dirty
    ;..;
    ;..;
    `ww'

Signed-off-by: Dan Horák <dan@danny.cz>
Signed-off-by: Michael Neuling <mikey@neuling.org>

syscon: Implement a register for storing git hash info

It also stores the dirty status so that's known.

This does some Makefile tricks so that we only rebuild when the git
hash changes. This avoids rebuilding the world every time we run
make.

Also adds fusesoc generator, so that should continue to work as
before.

Signed-off-by: Dan Horák <dan@danny.cz>
Signed-off-by: Michael Neuling <mikey@neuling.org>

Fix PLRU

Jacob Lifshay found a couple of issues with the PLRU implementation:

 - The tree array is one bit too long. This is harmless as this bit is never
accessed and thus should be optimized out

 - The PLRU read is using the wrong nodes when going down the tree, which leads
to incorrect results.

This fixes it and improves the test bench a bit. I have verified the expected
output using a hand-written tree states, observed the mismatch with the
current implementation and verified the fix.

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

Merge pull request #397 from mikey/metavalue-counts

tests: Update metavalues test count

tests: Update metavalues test count

With Paulus changes in PR #396 merged in 5c6d57de30, we can now reduce
the metavalue test counts.

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

Merge pull request #396 from paulusmack/reduce-meta

Reduce metavalue warnings

execute1: Reduce metavalue warnings

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

loadstore1: Reduce metavalue warnings

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

decode2: Reduce metavalue warnings

Explicitly check for undefined values and propagate them.

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

core_debug: Reduce metavalue warnings

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

icache: Reduce metavalue warnings

As in dcache, this changes most signals declared with integer type to
be unsigned bit vectors instead.  Some code has been rearranged to do
to_integer() or equality comparisons only when the relevant signals
should be well defined.  Non-fatal asserts have been sprinkled
throughout to assist with determining the cause of warnings from
library functions (primarily NUMERIC_STD.TO_INTEGER and
NUMERIC_STD."=").

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

dcache: Reduce metavalue warnings

Among other changes, this makes the things that were previously
declared as signals of integer base type to be unsigned, since
unsigned can carry metavalues, and hence we can get the checking for
metavalues closer to the uses and therefore restrict the checking to
the situations where the signal really ought to be well defined.
We now have a couple more signals that indicate request validity to
help with that.

Non-fatal asserts have been sprinkled throughout to assist with
determining the cause of warnings from library functions (primarily
NUMERIC_STD.TO_INTEGER and NUMERIC_STD."=").

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

Merge pull request #382 from paulusmack/master

Decode in block RAM and other improvements

Merge pull request #392 from paulusmack/fix-branch-alias

fetch1: Fix bug where BTC entries don't match on MSR[IR]

multiply_tb: Fix multiply_tb.vhdl for the new multiplier interface

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

execute1: Make it clear that divide logic is not included when HAS_FPU=true

This adds a "not HAS_FPU" condition in a few places to make it obvious
that logic to interface to the divide unit is not included when we
have an FPU.

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

Remove option for "short" 16x16 bit multiplier

Now that we have a 33 bit x 33 bit signed multiplier in execute1,
there is really no need for the 16 bit multiplier.  The coremark
results are just as good without it as with it.  This removes the
option for the sake of simplicity.

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

Merge branch 'fix-branch-alias' into branch-alias

Merging Anton's test case for this.

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

Merge pull request #388 from antonblanchard/trace-test

tests/trace: Test trace vs system call interrupt

fetch1: Fix bug where BTC entries don't match on MSR[IR]

This fixes a bug in the BTC where entries created for a given address
when MSR[IR] = 0 are used when MSR[IR] = 1 and vice-versa.  The fix is
to include r.virt_mode (which mirrors MSR[IR]) in the tag portion of
the BTC.

Fixes: 0fb207be6069 ("fetch1: Implement a simple branch target cache", 2020-12-19)
Reported-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>
Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

Change the multiplier interface to support signed multipliers

This adds an 'is_signed' signal to MultiplyInputType to indicate
whether the data1 and data2 fields are to be interpreted as signed or
unsigned numbers.

The 'not_result' field is replaced by a 'subtract' field which
provides a more intuitive interface for requesting that the product be
subtracted from the addend rather than added, i.e. subtract = 1 gives
C - A * B, vs. subtract = 0 giving C + A * B.  (Previously the users
of the multipliers got the same effect by complementing the addend and
setting not_result = 1.)

The is_32bit field is removed because it is no longer used now that we
have a separate 32-bit multiplier.

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

Add branch alias test

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

xilinx_mult: Prepare for doing signed multiplication

This rearranges the way that partial products are generated and summed
so that the partial products that could be negative in a signed
multiplier are now sign-extended.  The inputs are still zero-extended,
however.

The overflow detection logic now only detects 64-bit overflow, since
32-bit multiplications are handled in a separate multiplier.

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

execute1: Add a pipelined 33-bit signed multiplier

This adds a pipelined 33-bit by 33-bit signed multiplier with one
cycle latency to the execute pipeline, and uses it for the mullw,
mulhw and mulhwu instructions.  Because it has one cycle of latency we
can assume that its result is available in the second execute stage
without needing to add busy logic to the second stage.

This adds both a generic version of the multiplier and a
Xilinx-specific version using four DSP slices of the Artix-7.

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

predecode: Add more comments to row_predecode_rom and insn_code values

This adds comments to row_predecode_rom to aid understanding how the
columns in the second half of the table are allocated to different
primary opcodes, and to the insn_code values to assist in locating the
code with a given numeric value.  No code change.

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

icache: Log 36 bits of instruction rather than 32

This expands the field in the log buffer that stores the instruction
fetched from the icache to 36 bits, so that we get the insn_code and
illegal instruction indication.  To do this, we reclaim 3 unused bits
from execute1's portion and one other unused bit (previously just set
to 0 in core.vhdl).

This also alters the trigger behaviour to stop after one quarter of
the log buffer has been filled with samples after the trigger, or 256
entries, whichever is less.  This is to ensure that the trigger event
doesn't get overwritten when the log buffer is small.

This updates fmt_log to the new log format.  Valid instructions are
printed as a decimal insn_code value followed by the bottom 26 bits of
the instruction.  Illegal instructions are printed as "ill" followed
by the full 32 bits of the instruction.

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

predecode: Work around apparent yosys/nextpnr bug

This rearranges the synchronous process here to avoid setting fields
of pred(i) to zero or INSN_illegal when valid_in is '0'.
Experimentally, on ECP5 this acts like an asynchronous reset rather
than a synchronous reset.

Instead, handle possible indeterminate input for simulation by making
the maj_predecode and row_predecode fields of predec_t be unsigned
rather than insn_code (an enumerated type), and setting them to X when
the input word is indeterminate.

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

Pre-decode instructions when writing them to icache

This splits out the decoding done in the decode0 step into a separate
predecoder, used when writing instructions into the icache.  The
icache now holds 36 bits per instruction rather than 32.  For valid
instructions, those 36 bits comprise the bottom 26 bits of the
instruction word, a 9-bit insn_code value (which uniquely identifies
the instruction), and a zero in the MSB.  For illegal instructions,
the MSB is one and the full instruction word is in the bottom 32 bits.
Having the full instruction word available for illegal instructions
means that it can be printed in the log when simulating, or in future
could be placed in the HEIR register.

If we don't have an FPU, then the floating-point instructions are
regarded as illegal.  In that case, the insn_code values would fit
into 8 bits, which could be used in future to reduce the size of
decode_rom from 512 to 256 entries.

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

Eliminate use of primary opcode outside of decode1

This changes code that previously looked at the primary opcode (bits
26 to 31) of the instruction to use other methods, in places other
than in stage0 of decode1.

* Extend rc_t to have a new value, RCOE, indicating that the
  instruction has both Rc and OE bits.

* Decode2 now tells execute1 whether the instruction has a third
  operand, used for distinguishing between multiply and multiply-add
  instructions.

* The invert_a field of the decode ROM is overloaded for load/store
  instructions to indicate cache-inhibited loads and stores.

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

decode1: Divide insn_code values into ranges to indicate register usage

This lets us compute r_out.reg_*_addr and r_out.read_2_enable values
without needing access to the primary opcode value.  We also have that
non-FP instructions are < 256.

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

decode1: Split instruction decoding into two steps

This reduces the block RAM requirements for instruction decoding by
splitting it into two steps.  The first, in a new pipeline stage
called decode0 (implemented by code in decode1.vhdl) maps the
instruction to a 9-bit instruction code using major and row decode
ROMs.  The second maps the 9-bit code to the final decode_rom_t (about
44 bits wide).  Branch prediction done in decode is now done in
decode0 rather than decode1.

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

decode1: Use block RAMs in decode

This combines the various decode arrays in decode1 into two, one
indexed by the major opcode (bits 31--26 of the instruction) together
with bits 4--0 of the instruction, and the other indexed mostly by the
minor opcode (bits 10--1), with some swizzles to accommodate the
relevant parts of the minor opcode space for opcodes 19, 31, 59 and 63
within a 2k entry ROM (11 address bits).  These are called the "major"
and the "row" decode ROMs respectively.  (Bits 10--6 of the
instruction are called the "row index", and bits 5--1, or 5--0 for
some opcodes, are called the "column index", because of the way the
opcode maps in the ISA are laid out.)

Both ROMs are looked up each cycle and the result from one or other,
or from an override in ri.override_decode, are selected after a clock
edge.

This uses quite a lot of BRAM resources.  In future a predecode step
will reduce the BRAM usage substantially.

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

decode2: Decode unit and single-pipe attributes for mfspr/mtspr in decode2

Instead of doing that in decode1.  That lets us get rid of the
force_single and override_unit fields of reg_internal_t in decode1,
which will simplify following changes to decode1.

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

FPU: Set sign of 0 result of subtraction in pack_dp

When a floating-point subtraction results in a zero result, the sign
of the result is required to be positive in all rounding modes except
the round to minus infinity mode, when it is negative.  Consolidate
the logic for doing this in one place, in the pack_dp function,
instead of having it at each place where a zero result is generated.

Since fnmadd[s] and fnmsub[s] negate the result after this rule has
been applied, we use the r.negate signal to indicate a negation which
is now done in pack_dp.  Thus the EXC_RESULT state no longer uses
r.negate, and in fact doesn't set v.result_sign at all; that is now
done in the states that lead into EXC_RESULT.

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

FPU: Simplify IDLE state code

Do more decoding of the instruction ahead of the IDLE state
processing so that the IDLE state code becomes much simpler.
To make the decoding easier, we now use four insn_type_t codes for
floating-point operations rather than two.  This also rearranges the
insn_type_t values a little to get the 4 FP opcode values to differ
only in the bottom 2 bits, and put OP_DIV, OP_DIVE and OP_MOD next to
them.

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

FPU: Make an explicit exponent data path

With this, the large case statement sets values for a set of control
signals, which then control multiplexers and adders that generate
values for v.result_exp and v.shift.  The plan is for the case
statement to turn into a microcode ROM eventually.

The value of v.result_exp is the sum of two values, either of which
can be negated (but not both).  The first value can be chosen from the
result exponent, A exponent, B exponent arithmetically shifted right
one bit, or 0.  The second value can be chosen from new_exp (which is
r.result_exp - r.shift), B exponent, C exponent or a constant.  The
choices for the constant are 0, 56, the maximum exponent (max_exp) or
the exponent bias for trap-enabled overflow conditions (bias_exp).
These choices are controlled by the signals re_sel1, re_neg1, re_sel2
and re_neg2, and the sum is written into v.result_exp if re_set_result
is 1.

For v.shift we also compute the sum of two values, either of which
can be negated (but not both).  The first value can be chosen from
new_exp, B exponent, r.shift, or 0.  The second value can be chosen
from the A exponent or a constant.  The possible constants are 0, 1,
4, 8, 32, 52, 56, 63, 64, or the minimum exponent (min_exp).  These
choices are controlled by the signals rs_sel1, rs_neg1, rs_sel2 and
rs_neg2.  After the adder there is a multiplexer which selects either
the sum or a shift count for normalization (derived from a count
leading zeroes operation on R) to be written into v.shift.  The
count-leading-zeroes result does not go through the adder for timing
reasons.

In order to simplify the logic and help improve timing, settings of
the control signals have been made unconditional in a state in many
places, even if those settings are only required when some condition
is met.

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