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>

FPU: Minor fix and simplifications

In preparation for an explicit exponent data path.  The fix is that
fre[s] needs to negate the exponent after renomalization rather than
before, otherwise the exponent adjustment done by the renormalization
is in the wrong direction.

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

loadstore1: Simplify address generation in OP_FETCH_FAILED case

Instead of having a multiplexer in loadstore1 in order to be able to
put the instruction address into v.addr, we now set decode.input_reg_a
to CIA in the decode table entry for OP_FETCH_FAILED.  That means that
the operand selection machinery in decode2 will supply the instruction
address to loadstore1 on the lv.addr1 input and no special case is
needed in loadstore1.  This saves a few LUTs (~40 on the Artix-7).

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

Remove leftover logic for 16-byte loads and stores

This removes some logic that was previously added for the 16-byte
loads and stores (lq, lqarx, stq, stqcx.) and not completely removed
in commit c9e838b6560f ("Remove support for lq, stq, lqarx and
stqcx.", 2022-06-04).

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

writeback: Eliminate unintentional inferred latch

By not assigning to interrupt_out.srr1 in some circumstances, the
writeback_1 process creates an inferred latch, which is not
desirable.  Eliminate it by restructuring the code so
interrupt_out.srr1 is always set, to zeroes if nothing else.

Fixes: bc4d02cb0dcc ("Start removing SPRs from register file", 2022-07-12)
Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

Merge pull request #390 from shenki/fix-whide-warnings

Fix -Whide warnings

Merge pull request #389 from paulusmack/fix-sc

execute1: Fix trace interrupt on sc instruction

tests/trace: Test trace vs system call interrupt

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

execute1: Fix trace interrupt on sc instruction

This fixes a bug which causes a trace interrupt to store the wrong
value in SRR0 in the case where the instruction that has just
completed is followed by a sc (system call) instruction.  What happens
is that first the traced instruction sets ex1.trace_next.  Then, when
the sc instruction following it comes in, the execute1_actions process
sets v.e.last_nia to next_nia because it is an sc instruction, even
though it is not going to be executed -- we are going to take the
trace interrupt instead.  Then when the trace interrupt is taken, we
incorrectly set SRR0 to the incremented address (the address of the
instruction following the sc).

To fix this, we have execute1_actions set a new flag if the current
instruction is sc, and only set v.e.last_nia to next_nia if we
actually execute the sc (in the "if go = '1'" case).

Fixes: 813e2317bf1f ("execute1: Restructure to separate out execution of side effects", 2022-06-18)
Reported-by: Anton Blanchard <anton@linux.ibm.com>
Signed-off-by: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>

soc: Fix -Whide warning

soc.vhdl:847:9:warning: declaration of "uart1" hides if generate statement [-Whide]
        uart1: uart_top
        ^

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

xics: Fix -Whide warnings

xics.vhdl:83:25:warning: declaration of "v" hides variable "v" [-Whide]
        function  bswap(v : in std_ulogic_vector(31 downto 0)) return std_ulogic_vector is

xics.vhdl:84:22:warning: declaration of "r" hides signal "r" [-Whide]
            variable r : std_ulogic_vector(31 downto 0);

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

fpu: Fix -Whide warnings

 fpu.vhdl:513:18:warning: declaration of "result" hides signal "result" [-Whide]
         variable result : std_ulogic_vector(63 downto 0);

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

Merge pull request #387 from antonblanchard/gitignore

Add litesdcard/build to gitignore

Add litesdcard/build to gitignore

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

Merge pull request #384 from antonblanchard/litedram-update

Litedram update

litedram: Regenerate

Regenerate from upstream litex. Something in the update has improved
memory read and write performance quite a lot on my Nexys Video:

Before:

  Write speed: 83.2MiB/s
   Read speed: 140.4MiB/s

After:

  Write speed: 352.1MiB/s
   Read speed: 218.5MiB/s

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

litedram: MIGEN_GIT_SHA1 no longer defined

MIGEN_GIT_SHA1 is no longer defined in upstream litex, so remove it.

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

Merge pull request #383 from antonblanchard/fix-sdcard

litesdcard: Fix and regenerate Verilog

litesdcard: Fix and regenerate Verilog

Fix the litex generate script to pass frequencies in Hz. Regenerate
the litesdcard Verilog for both Xilinx and Lattice. This fixes
litesdcard on my Nexys Video.

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

Merge pull request #381 from shingarov/gitignore-artifacts

Gitignore build artifacts

Merge pull request #378 from mikey/ux-cleanup

Metavalue cleanup

Gitignore build artifacts

Building the mw_debug program leaves build artifacts in
microwatt/scripts/mw_debug
causing noise in the output of `git status`.
This commit adds them to .gitignore.

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

test: Add test for metavalues

Make sure they don't increase in future

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

tests: Update FPU test output

The following commit added two tests but didn't update the tests
outputs:

    commit 73cc5167ec1ea591d9da43f2e392b5202f045f32
    Author: Paul Mackerras <paulus@ozlabs.org>
    Date:   Mon May 9 19:18:42 2022 +1000
    Use FPU for division instructions if we have an FPU

This patch updates these using tests/update_console_tests

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

tests: Minor script cleanups

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

Metavalue cleanup for register_file.vhdl

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

Metavalue cleanup for pmu.vhdl

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

Metavalue cleanup for rotator.vhdl

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

Metavalue cleanup for mmu.vhdl

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

Metavalue cleanup for loadstore1.vhdl

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

Metavalue cleanup for icache.vhdl

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

Metavalue cleanup for fpu.vhdl

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

Metavalue cleanup for fetch1.vhdl

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

Metavalue cleanup for execute1.vhdl

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

Metavalue cleanup for decoder1.vhdl

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

Metavalue cleanup for helpers.vhdl

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

Metavalue cleanup for common.vhdl

This affects other files which have been included here.

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

Merge pull request #379 from paulusmack/master

Lots of improvements

Merge pull request #380 from iagocaran/master

tests/pmu: Add load/store completed and instruction/cycle count

tests/pmu: Cleanup whitespace in pmc.c

Fixup tabs vs space and trailing whitespace.

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

Use register addresses from decode1 for dependency tracking

This improves timing a little because the register addresses now come
directly from a latch instead of being calculated by
decode_input_reg_*.  The asserts that check that the two are the same
are now in decode2 rather than register_file.

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

register_file: Make read access to register file synchronous

With this, the register RAM is read synchronously using the addresses
supplied by decode1.  That means the register RAM can now be block RAM
rather than LUT RAM.

Debug accesses are done via the B port on cycles when decode1
indicates that there is no valid instruction or the instruction
doesn't use a [F]RB operand.

We latch the addresses being read in each cycle and use the same
address next cycle if stalled.  Data that is being written is latched
and a multiplexer on each read port then supplies the latched write
data if the read address for that port equals the write address.

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

decode1: Work out register addresses in decode1

This adds some relatively simple logic to decode1 to compute the
GPR/FPR addresses that an instruction will access.  It always computes
three addresses regardless of whether the instruction will actually
use all of them.  The main things it computes are whether the
instruction uses the RS field or the RC field for the 3rd operand, and
whether the operands are FPRs or GPRs (it is possible for RS to be an
FPR but RA and RB to be GPRs, as for example with stfdx).

At the moment all we do with these computed register addresses is to
assert that they are identical to the ones coming from decode2 one
cycle later.

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

loadstore1: Do SPR reading in stage 2 rather than stage 3

This eliminates one leg of the output value multiplexer, and seems
to improve timing slightly on the A7-100.

Since SPR values are written in stage 3 and read in stage 2, an mfspr
immediately following an mtspr to the same SPR won't give the correct
value.  To avoid this, we make mtspr to the load/store SPRs single
issue in decode1.

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

Provide debug access to SPRs in loadstore1 and mmu

They are accessible as GSPR 0x3c - PID, 0x3d - PTCR, 0x3e - DSISR
and 0x3f - DAR.

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

Restore debug access to SPRs

This provides access to the SPRs via the JTAG DMI interface.  For now
they are still accessed as if they were GPR/FPRs using the same
numbering as before (GPRs at 0 - 0x1f, SPRs at 0x20 - 0x2d, FPRs at
0x40 - 0x5f).

For XER, debug reads now report the full value, not just the bits that
were previously stored in the register file.  The "slow" SPR mux is
not used for debug reads.

Decode2 determines on each cycle whether a debug SPR access will
happen next cycle, based on whether there is a request and whether the
current instruction accesses the SPR RAM.

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

Finish off taking SPRs out of register file

With this, the register file now contains 64 entries, for 32 GPRs and
32 FPRs, rather than the 128 it had previously.  Several things get
simplified - decode1 no longer has to work out the ispr{1,2,o} values,
decode_input_reg_{a,b,c} no longer have the t = SPR case, etc.

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

Move LR, CTR and TAR out of the register file

By putting CTR on the odd side and LR and TAR on the even side, we can
read and write CTR for bdnz-style instructions in parallel with
reading LR or TAR for indirect branches and writing LR for branches
with LK=1.  Thus we don't need to double up any of these instructions,
giving a simplification in decode2.

We now have logic for printing LR and CTR at the end of a simulation
in execute1, in addition to the similar logic in register_file and
cr_file.

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

Start removing SPRs from register file

This starts the process of removing SPRs from the register file by
moving SRR0/1, SPRG0-3, HSRR0/1 and HSPRG0/1 out of the register file
and putting them into execute1.  They are stored in a pair of small
RAM arrays, referred to as "even" and "odd".  The reason for having
two arrays is so that two values can be read and written in each
cycle.  For example, SRR0 and SRR1 can be written in parallel by an
interrupt and read in parallel by the rfid instruction.

The addresses in the RAM which will be accessed are determined in the
decode2 stage.  We have one write address for both sides, but two read
addresses, since in future we will want to be able to read CTR at the
same time as either LR or TAR.

We now have a connection from writeback to execute1 which carries the
partial SRR1 value for an interrupt.  SRR0 comes from the execute
pipeline; we no longer need to carry instruction addresses along the
LSU and FPU pipelines.  Since SRR0 and SRR1 can be written in the same
cycle now, we don't need the little state machine in writeback any
more.

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

Use FPU for division instructions if we have an FPU

- Arrange for XER to be written for OE=1 forms
- Arrange for condition codes to be set for RC=1 forms
  (including correct handling for 32-bit mode)
- Don't instantiate the divider if we have an FPU.

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

FPU: Add logic for 32-bit integer division

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

FPU: Add integer division logic to FPU

This adds logic to the FPU to accomplish 64-bit integer divisions.
No instruction actually uses this yet.

The algorithm used is to obtain an estimate of the reciprocal of the
divisor using the lookup table and refine it by one to three
iterations of the Newton-Raphson algorithm (the number of iterations
depends on the number of significant bits in the dividend).  Then the
reciprocal is multiplied by the dividend to get the quotient estimate.
The remainder is calculated as dividend - quotient * divisor.  If the
remainder is greater than or equal to the divisor, the quotient is
incremented, or if a modulo operation is being done, the divisor is
subtracted from the remainder.  The inverse estimate after refinement
is good enough that the quotient estimate is always equal to or one
less than the true quotient.

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

FPU: Convert internal R, A, B, and C registers to 8.56 format

This changes the representation of the R, A, B and C registers in the
FPU from 10.54 format (10 bits to the left of the binary point and 54
bits to the right) to 8.56 format, to match the representation used in
the P and Y registers and the multiplier operands.  This eliminates
the need for shifting when R, A, B or C is an input to the multiplier
and will make it easier to implement integer division in the FPU.

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

Track hazards explicitly for XER overflow bits

This provides a mechanism for tracking updates to the XER overflow
bits (SO, OV, OV32) and stalling instructions which need current
values of those bits (mfxer, integer compare instructions, integer
Rc=1 instructions, addex) or which writes carry bits (since all the
XER common bits are written together, if we are writing CA/CA32 we
need up-to-date values of SO/OV/OV32).

This will enable updates to SO/OV/OV32 to be done at other places
besides the ex1 stage.

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

fetch1: Fix debug stop again

This fixes a bug which prevents the core from stopping properly.  The
same bug was previously fixed in commit e41cb01bca99 ("fetch1: Fix
debug stop", 2020-12-19) and reintroduced by commit 0fb207be6069
("fetch1: Implement a simple branch target cache", 2020-12-19).

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

control: Reimplement serialization using tags

This lets us get rid of r_int and its 'outstanding' counter.  We now
test more directly for excess completions by checking that we don't
get duplicate completions for the same tag.

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

decode1: Remove stash buffer

Now that the timing of the busy signal from decode2 doesn't depend on
register numbers or downstream instruction completion, we no longer
need the stash buffer on the output of decode1.

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

decode2: Rework to make the stall_out signal come from a register

At present the busy/stall signal going to decode1 depends on whether
control thinks it can issue the current instruction, and that depends
on completion and bypass signals coming from execute1 and writeback.

To improve the timing of stall_out, this rearranges decode2 so that
stall_out is asserted when we have a valid instruction that couldn't
be issued in the previous cycle.  This means that decode1 could give
us a new instruction when we haven't issued the previous instruction.

This in turn means that we can only use d_in in the first cycle of
processing an instruction.  After the first cycle, we get register
addresses etc. from dc2 rather than d_in.

Then, to avoid the need to read register operands from register_file
in each cycle until the instruction issues, we bring the bypass path
for data being written to the register file into decode2 explicitly
rather than having it in register_file.

A new process called decode2_addrs does the process of calling
decode_input_reg_* and decode_output_reg and sets up the register file
addresses.  This was split out (and decode_input_reg_* reworked) to
try to reduce the number of passes through the decode2_1 process that
need to be done in simulation.

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

Remove support for lq, stq, lqarx and stqcx.

They are optional in SFFS (scalar fixed-point and floating-point
subset), are not needed for running Linux, and add complexity, so
remove them.

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

decode2: Rename 'r' to 'dc2'

Also get rid of a couple of unused variables.

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

decode1: Reduce number of single-issue instructions

This reduces the set of instructions marked as single-issue to just
attn and mtspr to "slow" SPRs (those that are not stored in the
register file).

The instructions that were previously single-issue are: isync, dcbf,
dcbst, dcbt, dcbtst, eieio, icbi, mfmsr, mtmsr, mtmsrd, mfspr to slow
SPRS, sync, tlbsync and wait.  The synchronization instructions are
mostly no-ops anyway due to the in-order nature of the core, and the
cache-management instructions are unimplemented (except for icbi).
The MSR ops don't need to be single-issue due to the in-order core and
the fact that MSR updates are effective on the following instruction.

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

FPU: Add stage-2 stall ability to FPU

This makes the FPU able to stall other units at execute stage 2 and be
stalled by other units (specifically the LSU).

This means that the completion and writeback for an instruction can
now end up being deferred until the second cycle of a following
instruction, i.e. the cycle when the state machine has gone through
IDLE state into one of the DO_* states, which means we need to latch
the destination FPR number, CR mask, etc. from the previous
instruction so that we present the correct information to writeback.

The advantage of this is that we can get rid of the in_progress signal
from the LSU.

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

Do CR0 setting for Rc=1 instructions in execute2 instead of writeback

This lets us forward the CR0 result to following instructions that
use CR, meaning they get to issue one cycle earlier.

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

Allow integer instructions and load/store instructions to execute together

Execute1 and loadstore1 now send each other stall signals that
indicate that a valid instruction in stage 2 can't complete in this
cycle, and hence any valid instruction in stage 1 in the other unit
can't move to stage 2.  With this in place, an ALU instruction can
move into stage 1 while a LSU instruction is in stage 2.

Since the FPU doesn't yet have a way to stall completion, we can't yet
start FPU instructions while any LSU or ALU instruction is in
progress.

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

Add a bypass path from the execute2 stage

This enables some instructions to issue earlier and thus improves
performance, at the cost of some extra multiplexers in decode2.

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

Add a second execute stage to the pipeline

This adds a second execute stage to the pipeline, in order to match up
the length of the pipeline through loadstore and dcache with the
length through execute1.  This will ultimately enable us to get rid of
the 1-cycle bubble that we currently have when issuing ALU
instructions after one or more LSU instructions.

Most ALU instructions execute in the first stage, except for
count-zeroes and popcount instructions (which take two cycles and do
some of their work in the second stage) and mfspr/mtspr to "slow" SPRs
(TB, DEC, PVR, LOGA/LOGD, CFAR).  Multiply and divide/mod instructions
take several cycles but the instruction stays in the first stage (ex1)
and ex1.busy is asserted until the operation is complete.

There is currently a bypass from the first stage but not the second
stage.  Performance is down somewhat because of that and because this
doesn't yet eliminate the bubble between LSU and ALU instructions.

The forwarding of XER common bits has been changed somewhat because
now there is another pipeline stage between ex1 and the committed
state in cr_file.  The simplest thing for now is to record the last
value written and use that, unless there has been a flush, in which
case the committed state (obtained via e_in.xerc) is used.

Note that this fixes what was previously a benign bug in control.vhdl,
where it was possible for control to forget an instructions dependency
on a value from a previous instruction (a GPR or the CR) if this
instruction writes the value and the instruction gets to the point
where it could issue but is blocked by the busy signal from execute1.
In that situation, control may incorrectly not indicate that a bypass
should be used.  That didn't matter previously because, for ALU and
FPU instructions, there was only one previous instruction in flight
and once the current instruction could issue, the previous instruction
was completing and the correct value would be obtained from
register_file or cr_file.  For loadstore instructions there could be
two being executed, but because there are no bypass paths, failing to
indicate use of a bypass path is fine.

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

execute1: Rename 'r' to 'ex1'

Maybe this will give us slightly better names in critical path reports
and the like.

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

execute1: Restructure to separate out execution of side effects

We now have a record that represents the actions taken in executing an
instruction, and a process that computes that for the incoming
instruction.  We no longer have 'current' or 'r.cur_instr', instead
things like the destination register are put into r.e in the first
cycle of an instruction and not reinitialized in subsequent busy
cycles.

For mfspr and mtspr, we now decode "slow" SPR numbers (those SPRs that
are not stored in the register file) to a new "spr_selector" record
in decode1 (excluding those in the loadstore unit).  With this, the
result for mfspr is determined in the data path.

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

tests/pmu: Add load/store completed, instruction count and cycle count tests

Signed-off-by: Iago Caran Aquino <iago.caran@gmail.com>

Move XER low bits out of register file

Besides the overflow and status carry bits, XER has 18 bits which need
to retain the value written by mtxer (in case software wants to
emulate the move-assist instructions (lswi, lswx, stswi, stswx).
Until now these bits (and others) have been stored in the GPR file as
a "fast" SPR, but this causes complications because XER is not really
a fast SPR.

Instead, we now store these 18 bits in the 'ctrl' signal, which exists
in execute1.  This will enable us to simplify the data path in future,
and has the added bonus that with a little bit of plumbing, we can get
the full XER value printed when dumping registers at the end of a
simulation.

Therefore this changes scripts/run_test.sh to remove the greps which
exclude XER from the comparison of actual and expected register
results.

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

Simplify flow control in the dcache and loadstore units

Simplify the flow control by stalling the whole upstream pipeline when
a stage can't proceed, instead of trying to let each stage progress
independently when it can.

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

Merge pull request #353 from tianrui-wei/master

fix: fix icache_tb not finishing correctly

Merge pull request #373 from antonblanchard/icache-insn-u-state

icache: Don't output X on i_out.insn

Merge pull request #376 from antonblanchard/loadstore-init

loadstore1: reduce U state being output

Merge pull request #374 from antonblanchard/icache-unused-sig

core: Remove unused icache_inv signal

Merge pull request #364 from shenki/readme-updates

Readme updates

Merge pull request #372 from antonblanchard/dcache-unused-sig

dcache: remove unused do_write signal