execute: Do comparisons using the main adder

This handles OP_CMP like a subtraction; the main adder computes
~RA + RB + 1, and the condition codes are computed from the results.
A direct comparison of the two input operands is used to calculate the
EQ bit of the condition result.  The LT and GT bits are computed from
the MSB of the subtraction result, the carry out from the subtraction,
and the MSBs of the operands.  For a 32-bit comparison, the 32-bit
carry and bit 31 of the result and input operands are used; for a
64-bit comparison, the 64-bit carry and bit 63 of the operands and
result are used.

It turns out to be more convenient to use the 'signed' field of
the decode table to distinguish signed from unsigned comparisons,
rather than the insn_type.  Therefore this uses OP_CMP for both
cmp and cmpl, which also has the benefit of reducing the number
of values in insn_type_t.

Doing this saves over 200 slice LUTs on the Arty A7-100 and improves
timing slightly as well.

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

execute1: Move EXTS* instruction back into execute1

This moves the sign extension done by the extsb, extsh and extsw
instructions back into execute1.  This means that we no longer need
any data formatting in writeback for results coming from execute1,
so this modifies writeback so the data formatter inputs come
directly from the loadstore unit output.  The condition code
updates for RC=1 form instructions are now done on the value from
execute1 rather than the output of the data formatter, which should
help timing.

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

execute1: Remember dest GPR, RC, OE, XER for slow operations

For multiply and divide operations, execute1 now records the
destination GPR number, RC and OE from the instruction, and the
XER value.  This means that the multiply and divide units don't
need to record those values and then send them back to execute1.
This makes the interface to those units a bit simpler.  They
simply report an overflow signal along with the result value, and
execute1 takes care of updating XER if necessary.

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

Make divider hang off the side of execute1

With this, the divider is a unit that execute1 sends operands to and
which sends its results back to execute1, which then send them to
writeback.  Execute1 now sends a stall signal when it gets a divide
or modulus instruction until it gets a valid signal back from the
divider.  Divide and modulus instructions are no longer marked as
single-issue.

The data formatting step that used to be done in decode2 for div
and mod instructions is now done in execute1.  We also do the
absolute value operation in that same cycle instead of taking an
extra cycle inside the divider for signed operations with a
negative operand.

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

Make multiplier hang off the side of execute1

With this, the multiplier isn't a separate pipe that decode2 issues
instructions to, but rather is a unit that execute1 sends operands
to and which sends the result back to execute1, which then sends it
to writeback.  Execute1 now sends a stall signal when it gets a
multiply instruction until it gets a valid signal back from the
multiplier.

This all means that we no longer need to mark the multiply
instructions as single-issue.

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

Merge pull request #133 from antonblanchard/ghdl-synth

Ghdl synth

Merge pull request #132 from antonblanchard/bin2hex-move

Move bin2hex.py to scripts/

Move bin2hex.py to scripts/

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

Fix a ghdlsynth issue in fast_spr_num

I've submitted a bug report for this, but we can work around it easily
for now.

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

Fix a ghdlsynth issue in icache

ghdlsynth doesn't like the debug statement, so wrap it in a generate.

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

Removed unused core_terminated signal

Right now it's unused. We can add it back when we add an LED to signify
the core has terminated.

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

Fix some ghdlsynth issues with fpga_bram

Use to_integer() instead of conv_integer().

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

Fix ghdlsynth issue in register file

We need to drive sim_dump_done to keep ghdlsynth happy.

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

Remove unused signal

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

Fix a ghdysynth inferred latch error in writeback

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

Fix a ghdysynth inferred latch error in execute

It should never happen in practise, but ghdlsynth is complaining about
an inferred latch here. Fix it

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

Merge pull request #131 from antonblanchard/new-tests

Dump CTR, LR and CR on sim termination, and update our tests

Upper 32 bits of XER should read as 0s

From the architecture:

  bits 0:31 and 35:43 are treated as reserved and return 0s when read
  using mfxer

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

Dump CTR, LR and CR on sim termination, and update our tests

Right now our test cases fold the SPRs into the GPRs. That makes
debugging fails more difficult than it needs to be, so print
out the CTR, LR and CR.

We still need to print the XER, but that is in two spots in microwatt
and will take some more work.

This also adds many instructions to the tests that we have added
lately including overflow instructions, CR logicals and mt/mfxer.

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

Merge pull request #127 from tomtor/CR-PR

Implement CRNOR and friends

Merge pull request #130 from antonblanchard/build-fix

control: Fix build issue with Fedora 31 version of GHDL

Merge pull request #129 from antonblanchard/update-micropython

Point to upstream micropython

Point to upstream micropython

Our changes are now merged upstream, so point there instead.

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

Implement CRNOR and friends

Signed-off-by: Tom Vijlbrief <tvijlbrief@gmail.com>

Merge pull request #126 from sharkcz/docs

document packaged fusesoc for Fedora users

document packaged fusesoc for Fedora users

Signed-off-by: Dan Horák <dan@danny.cz>

control: Fix build issue with Fedora 31 version of GHDL

I'm hitting an issue with the Fedora 31 version of GHDL that
appears to be fixed upstream:

control.vhdl:105:39:error: actual expression must be globally static

Add a signal to get rid of error.

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

Merge pull request #122 from paulusmack/benh-sprs

Benh sprs

Merge pull request #123 from antonblanchard/spi-conf

Add SPI configuration to Xilinx constraint files

Add SPI configuration to Xilinx constraint files

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

decode2: Minor cleanup

Remove unused variable is_reg in decode_input_reg_a.

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

sprs: Store common SPRs in register file

This stores the most common SPRs in the register file.

This includes CTR and LR and a not yet final list of others.

The register file is set to 64 entries for now. Specific types
are defined that can represent a GPR index (gpr_index_t) or
a GPR/SPR index (gspr_index_t) along with conversion functions
between the two.

On order to deal with some forms of branch updating both LR and
CTR, we introduced a delayed update of LR after a branch link.

Note: We currently stall the pipeline on such a delayed branch,
but we could avoid stalling fetch in that specific case as we
know we have a branch delay. We could also limit that to the
specific case where we need to update both CTR and LR.

This allows us to make bcreg, mtspr and mfspr pipelined. decode1
will automatically force the single issue flag on mfspr/mtspr to
a "slow" SPR.

[paulus@ozlabs.org - fix direction of decode2.stall_in]

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>
Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

spr: Add translation from SPR to special GPR number

We will want to store some SPRs in the register file using
a set of "extra" registers. This provides a function for
doing the translation along with some SPR definitions.

This isn't used yet

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>
Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

divider: Fix overflow calculation

We were signalling overflow when neg_result=1 but the result was zero.
Fix this.

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

decode1: Add OE=1 forms of add/sub, mul and div instructions

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

execute: Copy XER[SO] to CR for cmp[i] and cmpl[i] instructions

We were copying in XER[SO] for the dot-form instructions but not the
explicit compare instructions.  Fix this.

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

Add basic XER support

The carry is currently internal to execute1. We don't handle any of
the other XER fields.

This creates type called "xer_common_t" that contains the commonly
used XER bits (CA, CA32, SO, OV, OV32).

The value is stored in the CR file (though it could be a separate
module). The rest of the bits will be implemented as a separate
SPR and the two parts reconciled in mfspr/mtspr in latter commits.

We always read XER in decode2 (there is little point not to)
and send it down all pipeline branches as it will be needed in
writeback for all type of instructions when CR0:SO needs to be
updated (such forms exist for all pipeline branches even if we don't
yet implement them).

To avoid having to track XER hazards, we forward it back in EX1. This
assumes that other pipeline branches that can modify it (mult and div)
are running single issue for now.

One additional hazard to beware of is an XER:SO modifying instruction
in EX1 followed immediately by a store conditional. Due to our writeback
latency, the store will go down the LSU with the previous XER value,
thus the stcx. will set CR0:SO using an obsolete SO value.

I doubt there exist any code relying on this behaviour being correct
but we should account for it regardless, possibly by ensuring that
stcx. remain single issue initially, or later by adding some minimal
tracking or moving the LSU into the same pipeline as execute.

Missing some obscure XER affecting instructions like addex or mcrxrx.

[paulus@ozlabs.org - fix CA32 and OV32 for OP_ADD, fix order of
 arguments to set_ov]

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>
Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

decode1: Mark ALU ops using carry as pipelined

There is no reason not to that I can think of

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>
Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

cr_file: Check write_cr_enable

Signed-off-by: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>
Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

Merge pull request #120 from antonblanchard/spr-decode-cleanup

spr: Cleanup decoding of SPR numbers

Merge pull request #119 from antonblanchard/reduce-pipe-depth

control: Reduce pipeline depth to 1

Merge pull request #118 from antonblanchard/bus-pipeline

Bus pipeline

control: Reduce pipeline depth to 1

To match our one stage execute.

This might change back if we end up adding 2 stages to match the
LSU, but in that case we'll want forwards as well.

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

spr: Cleanup decoding of SPR numbers

Use a function to obtain the integer number and use constants
with the architected numbers. Replace std_match with a case
statement.

This also has the side effect of returning 0 instead of some
random previous result on mfspr of an unknown SPR.

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

wb_arbiter: Early master selection

This flips the arbiter muxes on the same cycle as a new request
comes in, thus avoiding a cycle latency.

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

wb_arbiter: Make arbiter size parametric

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

wb_arbiter: Avoid IDLE cycle when not changing master

Consecutive accesses from the same master shouldn't need an IDLE
cycle. Completely remove the IDLE state and switch master when
the bus is idle, but stay on the last selected one between cycles.

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

ram: Ack stores early

Stores only need a single cycle, so we can ack them early if there
isn't an older ack already in the pipeline

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

ram: Rework main RAM interface

This replaces the simple_ram_behavioural and mw_soc_memory modules
with a common wishbone_bram_wrapper.vhdl that interfaces the
pipelined WB with a lower-level RAM module, along with an FPGA
and a sim variants of the latter.

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

Move log2/ispow2 to a utils package

(Out of icache and dcache)

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

ram: Add block RAM pipelining

This adds an output buffer to help with timing and allows the BRAMs
to actually pipeline.

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

decode: Reformat decode_types.vhdl

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

Add option to not flatten hierarchy

Vivado by default tries to flatten the module hierarchy to improve
placement and timing. However this makes debugging timing issues
really hard as the net names in the timing report can be pretty
bogus.

This adds a generic that can be used to control attributes to stop
vivado from flattening the main core components. The resulting design
will have worst timing overall but it will be easier to understand
what the worst timing path are and address them.

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

writeback: Slightly improve timing

The CR update currently depends on the complete data formatting
mux chain. This makes it source its inputs from a bit earlier in
the chian, thus improving timing a bit

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

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>