add msr exception bits setting function in hardware
[soc.git] / src / soc / fu / trap / main_stage.py
index 86fa8c8430515140d60c15e510e2a9cfbd5d64c6..dfd75befd9952e8ff76379cdc6445cf0ea3de81d 100644 (file)
+"""Trap Pipeline
 
-from nmigen import (Module, Signal, Cat, Repl, Mux, Const, Array)
+Deals with td/tw/tdi/twi as well as mfmsr/mtmsr, sc and rfid. addpcis TODO.
+Also used generally for interrupts (as a micro-coding mechanism) by
+actually modifying the decoded instruction in PowerDecode2.
+
+* https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=325
+* https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=344
+* https://libre-soc.org/openpower/isa/fixedtrap/
+"""
+
+from nmigen import (Module, Signal, Cat, Mux, Const, signed)
 from nmutil.pipemodbase import PipeModBase
-from nmutil.clz import CLZ
+from nmutil.extend import exts
 from soc.fu.trap.pipe_data import TrapInputData, TrapOutputData
-from soc.decoder.power_enums import InternalOp
+from soc.fu.branch.main_stage import br_ext
+from soc.decoder.power_enums import MicrOp
 
 from soc.decoder.power_fields import DecodeFields
 from soc.decoder.power_fieldsn import SignalBitRange
 
+from soc.consts import MSR, PI, TT
+
+
+def msr_copy(msr_o, msr_i, zero_me=True):
+    """msr_copy
+    ISA says this:
+    Defined MSR bits are classified as either full func tion or partial
+    function. Full function MSR bits are saved in SRR1 or HSRR1 when
+    an interrupt other than a System Call Vectored interrupt occurs and
+    restored by rfscv, rfid, or hrfid, while partial function MSR bits
+    are not saved or restored.  Full function MSR bits lie in the range
+    0:32, 37:41, and 48:63, and partial function MSR bits lie in the
+    range 33:36 and 42:47. (Note this is IBM bit numbering).
+    """
+    l = []
+    if zero_me:
+        l.append(msr_o.eq(0))
+    for stt, end in [(0,16), (22, 27), (31, 64)]:
+        l.append(msr_o[stt:end].eq(msr_i[stt:end]))
+    return l
+
 
-def array_of(count, bitwidth):
-    res = []
-    for i in range(count):
-        res.append(Signal(bitwidth, reset_less=True))
-    return res
+def msr_check_pr(m, msr):
+    """msr_check_pr: checks "problem state"
+    """
+    comb = m.d.comb
+    with m.If(msr[MSR.PR]):
+        comb += msr[MSR.EE].eq(1) # set external interrupt bit
+        comb += msr[MSR.IR].eq(1) # set instruction relocation bit
+        comb += msr[MSR.DR].eq(1) # set data relocation bit
 
 
-class LogicalMainStage(PipeModBase):
+class TrapMainStage(PipeModBase):
     def __init__(self, pspec):
         super().__init__(pspec, "main")
         self.fields = DecodeFields(SignalBitRange, [self.i.ctx.op.insn])
         self.fields.create_specs()
 
+    def trap(self, m, trap_addr, return_addr):
+        """trap.  sets new PC, stores MSR and old PC in SRR1 and SRR0
+        """
+        comb  = m.d.comb
+        msr_i = self.i.msr
+        nia_o, srr0_o, srr1_o = self.o.nia, self.o.srr0, self.o.srr1
+
+        # trap address
+        comb += nia_o.data.eq(trap_addr)
+        comb += nia_o.ok.eq(1)
+
+        # addr to begin from on return
+        comb += srr0_o.data.eq(return_addr)
+        comb += srr0_o.ok.eq(1)
+
+        # take a copy of the current MSR in SRR1
+        comb += msr_copy(srr1_o.data, msr_i) # old MSR
+        comb += srr1_o.ok.eq(1)
+
+    def msr_exception(self, m, trap_addr):
+        """msr_exception - sets bits in MSR specific to an exception.
+        the full list of what needs to be done is given in V3.0B
+        Book III Section 6.5 p1063 however it turns out that for the
+        majority of cases (microwatt showing the way, here), all these
+        bits are all set by all (implemented) interrupt types.  this
+        may change in the future, hence the (unused) trap_addr argument
+        """
+        comb  = m.d.comb
+        msr_i, msr_o = self.i.msr, self.o.msr
+        comb += msr_o.data.eq(msr_i) # copy msr, first, then modify
+        comb += msr_o.data[MSR.SF].eq(1)
+        comb += msr_o.data[MSR.EE].eq(0)
+        comb += msr_o.data[MSR.PR].eq(0)
+        comb += msr_o.data[MSR.IR].eq(0)
+        comb += msr_o.data[MSR.DR].eq(0)
+        comb += msr_o.data[MSR.RI].eq(0)
+        comb += msr_o.data[MSR.LE].eq(1)
+        comb += msr_o.ok.eq(1)
+
     def ispec(self):
         return TrapInputData(self.pspec)
 
@@ -31,8 +105,158 @@ class LogicalMainStage(PipeModBase):
     def elaborate(self, platform):
         m = Module()
         comb = m.d.comb
-        op, a, b = self.i.ctx.op, self.i.a, self.i.b
+        op = self.i.ctx.op
+
+        # convenience variables
+        a_i, b_i, cia_i, msr_i = self.i.a, self.i.b, self.i.cia, self.i.msr
+        srr0_i, srr1_i = self.i.srr0, self.i.srr1
+        o, msr_o, nia_o = self.o.o, self.o.msr, self.o.nia
+        srr0_o, srr1_o = self.o.srr0, self.o.srr1
+        traptype, trapaddr = op.traptype, op.trapaddr
+
+        # take copy of D-Form TO field
+        i_fields = self.fields.FormD
+        to = Signal(i_fields.TO[0:-1].shape())
+        comb += to.eq(i_fields.TO[0:-1])
+
+        # signed/unsigned temporaries for RA and RB
+        a_s = Signal(signed(64), reset_less=True)
+        b_s = Signal(signed(64), reset_less=True)
+
+        a = Signal(64, reset_less=True)
+        b = Signal(64, reset_less=True)
+
+        # set up A and B comparison (truncate/sign-extend if 32 bit)
+        with m.If(op.is_32bit):
+            comb += a_s.eq(exts(a_i, 32, 64))
+            comb += b_s.eq(exts(b_i, 32, 64))
+            comb += a.eq(a_i[0:32])
+            comb += b.eq(b_i[0:32])
+        with m.Else():
+            comb += a_s.eq(a_i)
+            comb += b_s.eq(b_i)
+            comb += a.eq(a_i)
+            comb += b.eq(b_i)
+
+        # establish comparison bits
+        lt_s = Signal(reset_less=True)
+        gt_s = Signal(reset_less=True)
+        lt_u = Signal(reset_less=True)
+        gt_u = Signal(reset_less=True)
+        equal = Signal(reset_less=True)
+
+        comb += lt_s.eq(a_s < b_s)
+        comb += gt_s.eq(a_s > b_s)
+        comb += lt_u.eq(a < b)
+        comb += gt_u.eq(a > b)
+        comb += equal.eq(a == b)
+
+        # They're in reverse bit order because POWER.
+        # Check V3.0B Book 1, Appendix C.6 for chart
+        trap_bits = Signal(5, reset_less=True)
+        comb += trap_bits.eq(Cat(gt_u, lt_u, equal, gt_s, lt_s))
+
+        # establish if the trap should go ahead (any tests requested in TO)
+        # or if traptype is set already
+        should_trap = Signal(reset_less=True)
+        comb += should_trap.eq((trap_bits & to).any() | traptype.any())
+
+        # TODO: some #defines for the bits n stuff.
+        with m.Switch(op.insn_type):
+            #### trap ####
+            with m.Case(MicrOp.OP_TRAP):
+                # trap instructions (tw, twi, td, tdi)
+                with m.If(should_trap):
+                    # generate trap-type program interrupt
+                    self.trap(m, trapaddr<<4, cia_i)
+                    with m.If(traptype == 0):
+                        # say trap occurred (see 3.0B Book III 6.5.9 p1074-6)
+                        comb += srr1_o.data[PI.TRAP].eq(1)
+                    with m.If(traptype & TT.PRIV):
+                        comb += srr1_o.data[PI.PRIV].eq(1)
+                    with m.If(traptype & TT.FP):
+                        comb += srr1_o.data[PI.FP].eq(1)
+                    with m.If(traptype & TT.ADDR):
+                        comb += srr1_o.data[PI.ADR].eq(1)
+                    with m.If(traptype & TT.ILLEG):
+                        comb += srr1_o.data[PI.ILLEG].eq(1)
+                    comb += srr1_o.ok.eq(1)
+
+                    # when SRR1 is written to, update MSR bits
+                    self.msr_exception(m, trapaddr)
+
+            # move to MSR
+            with m.Case(MicrOp.OP_MTMSRD, MicrOp.OP_MTMSR):
+                L = self.fields.FormX.L[0:-1] # X-Form field L
+                # start with copy of msr
+                comb += msr_o.eq(msr_i)
+                with m.If(L):
+                    # just update RI..EE
+                    comb += msr_o.data[MSR.RI].eq(a_i[MSR.RI])
+                    comb += msr_o.data[MSR.EE].eq(a_i[MSR.EE])
+                with m.Else():
+                    # Architecture says to leave out bits 3 (HV), 51 (ME)
+                    # and 63 (LE) (IBM bit numbering)
+                    with m.If(op.insn_type == MicrOp.OP_MTMSRD):
+                        for stt, end in [(1,12), (13, 60), (61, 64)]:
+                            comb += msr_o.data[stt:end].eq(a_i[stt:end])
+                    with m.Else():
+                        # mtmsr - 32-bit, only room for bottom 32 LSB flags
+                        for stt, end in [(1,12), (13, 32)]:
+                            comb += msr_o.data[stt:end].eq(a_i[stt:end])
+                    msr_check_pr(m, msr_o.data)
+                comb += msr_o.ok.eq(1)
+
+            # move from MSR
+            with m.Case(MicrOp.OP_MFMSR):
+                # TODO: some of the bits need zeroing?  apparently not
+                comb += o.data.eq(msr_i)
+                comb += o.ok.eq(1)
+
+            with m.Case(MicrOp.OP_RFID):
+                # XXX f_out.virt_mode <= b_in(MSR.IR) or b_in(MSR.PR);
+                # XXX f_out.priv_mode <= not b_in(MSR.PR);
+
+                # return addr was in srr0
+                comb += nia_o.data.eq(br_ext(srr0_i[2:]))
+                comb += nia_o.ok.eq(1)
+
+                # MSR was in srr1: copy it over, however *caveats below*
+                comb += msr_copy(msr_o.data, srr1_i, zero_me=False) # don't zero
+
+                # check problem state
+                msr_check_pr(m, msr_o.data)
+
+                # hypervisor stuff.  here: bits 3 (HV) and 51 (ME) were
+                # copied over by msr_copy but if HV was not set we need
+                # the *original* (msr_i) bits
+                with m.If(~msr_i[MSR.HV]):
+                    comb += msr_o.data[MSR.HV].eq(msr_i[MSR.HV])
+                    comb += msr_o.data[MSR.ME].eq(msr_i[MSR.ME])
+
+                # don't understand but it's in the spec.  again: bits 32-34
+                # are copied from srr1_i and need *restoring* to msr_i
+                bits = slice(63-31,63-29+1) # bits 29, 30, 31 (Power notation)
+                with m.If((msr_i[bits] == Const(0b010, 3)) &
+                          (srr1_i[bits] == Const(0b000, 3))):
+                    comb += msr_o.data[bits].eq(msr_i[bits])
+
+                comb += msr_o.ok.eq(1)
+
+            # OP_SC
+            with m.Case(MicrOp.OP_SC):
+                # scv is not covered here. currently an illegal instruction.
+                # raising "illegal" is the decoder's job, not ours, here.
+
+                # jump to the trap address, return at cia+4
+                self.trap(m, 0xc00, cia_i+4)
+
+                # and update several MSR bits
+                self.msr_exception(m, 0xc00)
 
+            # TODO (later)
+            #with m.Case(MicrOp.OP_ADDPCIS):
+            #    pass
 
         comb += self.o.ctx.eq(self.i.ctx)