use ospec in FPAddAlignSingleAdd
[ieee754fpu.git] / src / add / nmigen_add_experiment.py
index a61809501749ce957c35e54803e1ab20e0371b00..e3e904bc05c61156775973b33c677fed9ae14313 100644 (file)
 # Copyright (C) Jonathan P Dawson 2013
 # 2013-12-12
 
-from nmigen import Module, Signal, Cat, Const
+from nmigen import Module, Signal, Cat, Mux, Array, Const
+from nmigen.lib.coding import PriorityEncoder
 from nmigen.cli import main, verilog
+from math import log
 
+from fpbase import FPNumIn, FPNumOut, FPOp, Overflow, FPBase, FPNumBase
+from fpbase import MultiShiftRMerge, Trigger
+#from fpbase import FPNumShiftMultiRight
 
-class FPNum:
-    """ Floating-point Number Class, variable-width TODO (currently 32-bit)
 
-        Contains signals for an incoming copy of the value, decoded into
-        sign / exponent / mantissa.
-        Also contains encoding functions, creation and recognition of
-        zero, NaN and inf (all signed)
+class FPState(FPBase):
+    def __init__(self, state_from):
+        self.state_from = state_from
 
-        Four extra bits are included in the mantissa: the top bit
-        (m[-1]) is effectively a carry-overflow.  The other three are
-        guard (m[2]), round (m[1]), and sticky (m[0])
-    """
-    def __init__(self, width, m_width=None):
+    def set_inputs(self, inputs):
+        self.inputs = inputs
+        for k,v in inputs.items():
+            setattr(self, k, v)
+
+    def set_outputs(self, outputs):
+        self.outputs = outputs
+        for k,v in outputs.items():
+            setattr(self, k, v)
+
+
+class FPGetSyncOpsMod:
+    def __init__(self, width, num_ops=2):
         self.width = width
-        if m_width is None:
-            m_width = width - 5 # mantissa extra bits (top,guard,round)
-        self.v = Signal(width)      # Latched copy of value
-        self.m = Signal(m_width)    # Mantissa
-        self.e = Signal((10, True)) # Exponent: 10 bits, signed
-        self.s = Signal()           # Sign bit
-
-        self.mzero = Const(0, (m_width, False))
-        self.m1s = Const(-1, (m_width, False))
-        self.P128 = Const(128, (10, True))
-        self.P127 = Const(127, (10, True))
-        self.N127 = Const(-127, (10, True))
-        self.N126 = Const(-126, (10, True))
-
-    def decode(self):
-        """ decodes a latched value into sign / exponent / mantissa
-
-            bias is subtracted here, from the exponent.  exponent
-            is extended to 10 bits so that subtract 127 is done on
-            a 10-bit number
-        """
-        v = self.v
-        return [self.m.eq(Cat(0, 0, 0, v[0:23])), # mantissa
-                self.e.eq(v[23:31] - self.P127), # exp (minus bias)
-                self.s.eq(v[31]),                 # sign
+        self.num_ops = num_ops
+        inops = []
+        outops = []
+        for i in range(num_ops):
+            inops.append(Signal(width, reset_less=True))
+            outops.append(Signal(width, reset_less=True))
+        self.in_op = inops
+        self.out_op = outops
+        self.stb = Signal(num_ops)
+        self.ack = Signal()
+        self.ready = Signal(reset_less=True)
+        self.out_decode = Signal(reset_less=True)
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Module()
+        m.d.comb += self.ready.eq(self.stb == Const(-1, (self.num_ops, False)))
+        m.d.comb += self.out_decode.eq(self.ack & self.ready)
+        with m.If(self.out_decode):
+            for i in range(self.num_ops):
+                m.d.comb += [
+                        self.out_op[i].eq(self.in_op[i]),
                 ]
+        return m
+
+    def ports(self):
+        return self.in_op + self.out_op + [self.stb, self.ack]
+
+
+class FPOps(Trigger):
+    def __init__(self, width, num_ops):
+        Trigger.__init__(self)
+        self.width = width
+        self.num_ops = num_ops
+
+        res = []
+        for i in range(num_ops):
+            res.append(Signal(width))
+        self.v  = Array(res)
+
+    def ports(self):
+        res = []
+        for i in range(self.num_ops):
+            res.append(self.v[i])
+        res.append(self.ack)
+        res.append(self.stb)
+        return res
+
+
+class InputGroup:
+    def __init__(self, width, num_ops=2, num_rows=4):
+        self.width = width
+        self.num_ops = num_ops
+        self.num_rows = num_rows
+        self.mmax = int(log(self.num_rows) / log(2))
+        self.rs = []
+        self.mid = Signal(self.mmax, reset_less=True) # multiplex id
+        for i in range(num_rows):
+            self.rs.append(FPGetSyncOpsMod(width, num_ops))
+        self.rs = Array(self.rs)
+
+        self.out_op = FPOps(width, num_ops)
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Module()
+
+        pe = PriorityEncoder(self.num_rows)
+        m.submodules.selector = pe
+        m.submodules.out_op = self.out_op
+        m.submodules += self.rs
+
+        # connect priority encoder
+        in_ready = []
+        for i in range(self.num_rows):
+            in_ready.append(self.rs[i].ready)
+        m.d.comb += pe.i.eq(Cat(*in_ready))
+
+        active = Signal(reset_less=True)
+        out_en = Signal(reset_less=True)
+        m.d.comb += active.eq(~pe.n) # encoder active
+        m.d.comb += out_en.eq(active & self.out_op.trigger)
+
+        # encoder active: ack relevant input, record MID, pass output
+        with m.If(out_en):
+            rs = self.rs[pe.o]
+            m.d.sync += self.mid.eq(pe.o)
+            m.d.sync += rs.ack.eq(0)
+            m.d.sync += self.out_op.stb.eq(0)
+            for j in range(self.num_ops):
+                m.d.sync += self.out_op.v[j].eq(rs.out_op[j])
+        with m.Else():
+            m.d.sync += self.out_op.stb.eq(1)
+            # acks all default to zero
+            for i in range(self.num_rows):
+                m.d.sync += self.rs[i].ack.eq(1)
 
-    def create(self, s, e, m):
-        """ creates a value from sign / exponent / mantissa
+        return m
 
-            bias is added here, to the exponent
+    def ports(self):
+        res = []
+        for i in range(self.num_rows):
+            inop = self.rs[i]
+            res += inop.in_op + [inop.stb]
+        return self.out_op.ports() + res + [self.mid]
+
+
+class FPGetOpMod:
+    def __init__(self, width):
+        self.in_op = FPOp(width)
+        self.out_op = Signal(width)
+        self.out_decode = Signal(reset_less=True)
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Module()
+        m.d.comb += self.out_decode.eq((self.in_op.ack) & (self.in_op.stb))
+        m.submodules.get_op_in = self.in_op
+        #m.submodules.get_op_out = self.out_op
+        with m.If(self.out_decode):
+            m.d.comb += [
+                self.out_op.eq(self.in_op.v),
+            ]
+        return m
+
+
+class FPGetOp(FPState):
+    """ gets operand
+    """
+
+    def __init__(self, in_state, out_state, in_op, width):
+        FPState.__init__(self, in_state)
+        self.out_state = out_state
+        self.mod = FPGetOpMod(width)
+        self.in_op = in_op
+        self.out_op = Signal(width)
+        self.out_decode = Signal(reset_less=True)
+
+    def setup(self, m, in_op):
+        """ links module to inputs and outputs
         """
-        return [
-          self.v[31].eq(s),          # sign
-          self.v[23:31].eq(e + self.P127), # exp (add on bias)
-          self.v[0:23].eq(m)         # mantissa
-        ]
+        setattr(m.submodules, self.state_from, self.mod)
+        m.d.comb += self.mod.in_op.eq(in_op)
+        #m.d.comb += self.out_op.eq(self.mod.out_op)
+        m.d.comb += self.out_decode.eq(self.mod.out_decode)
+
+    def action(self, m):
+        with m.If(self.out_decode):
+            m.next = self.out_state
+            m.d.sync += [
+                self.in_op.ack.eq(0),
+                self.out_op.eq(self.mod.out_op)
+            ]
+        with m.Else():
+            m.d.sync += self.in_op.ack.eq(1)
+
+
+class FPGet2OpMod(Trigger):
+    def __init__(self, width):
+        Trigger.__init__(self)
+        self.in_op1 = Signal(width, reset_less=True)
+        self.in_op2 = Signal(width, reset_less=True)
+        self.out_op1 = FPNumIn(None, width)
+        self.out_op2 = FPNumIn(None, width)
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Trigger.elaborate(self, platform)
+        #m.submodules.get_op_in = self.in_op
+        m.submodules.get_op1_out = self.out_op1
+        m.submodules.get_op2_out = self.out_op2
+        with m.If(self.trigger):
+            m.d.comb += [
+                self.out_op1.decode(self.in_op1),
+                self.out_op2.decode(self.in_op2),
+            ]
+        return m
+
+
+class FPGet2Op(FPState):
+    """ gets operands
+    """
+
+    def __init__(self, in_state, out_state, in_op1, in_op2, width):
+        FPState.__init__(self, in_state)
+        self.out_state = out_state
+        self.mod = FPGet2OpMod(width)
+        self.in_op1 = in_op1
+        self.in_op2 = in_op2
+        self.out_op1 = FPNumIn(None, width)
+        self.out_op2 = FPNumIn(None, width)
+        self.in_stb = Signal(reset_less=True)
+        self.out_ack = Signal(reset_less=True)
+        self.out_decode = Signal(reset_less=True)
+
+    def setup(self, m, in_op1, in_op2, in_stb, in_ack):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        m.submodules.get_ops = self.mod
+        m.d.comb += self.mod.in_op1.eq(in_op1)
+        m.d.comb += self.mod.in_op2.eq(in_op2)
+        m.d.comb += self.mod.stb.eq(in_stb)
+        m.d.comb += self.out_ack.eq(self.mod.ack)
+        m.d.comb += self.out_decode.eq(self.mod.trigger)
+        m.d.comb += in_ack.eq(self.mod.ack)
+
+    def action(self, m):
+        with m.If(self.out_decode):
+            m.next = self.out_state
+            m.d.sync += [
+                self.mod.ack.eq(0),
+                #self.out_op1.v.eq(self.mod.out_op1.v),
+                #self.out_op2.v.eq(self.mod.out_op2.v),
+                self.out_op1.eq(self.mod.out_op1),
+                self.out_op2.eq(self.mod.out_op2)
+            ]
+        with m.Else():
+            m.d.sync += self.mod.ack.eq(1)
+
+class FPNumBase2Ops:
+
+    def __init__(self, width, m_extra=True):
+        self.a = FPNumBase(width, m_extra)
+        self.b = FPNumBase(width, m_extra)
+
+    def eq(self, i):
+        return [self.a.eq(i.a), self.b.eq(i.b)]
+
+
+class FPAddSpecialCasesMod:
+    """ special cases: NaNs, infs, zeros, denormalised
+        NOTE: some of these are unique to add.  see "Special Operations"
+        https://steve.hollasch.net/cgindex/coding/ieeefloat.html
+    """
 
-    def shift_down(self):
-        """ shifts a mantissa down by one. exponent is increased to compensate
+    def __init__(self, width):
+        self.width = width
+        self.i = self.ispec()
+        self.out_z = self.ospec()
+        self.out_do_z = Signal(reset_less=True)
+
+    def ispec(self):
+        return FPNumBase2Ops(self.width)
 
-            accuracy is lost as a result in the mantissa however there are 3
-            guard bits (the latter of which is the "sticky" bit)
+    def ospec(self):
+        return FPNumOut(self.width, False)
+
+    def setup(self, m, in_a, in_b, out_do_z):
+        """ links module to inputs and outputs
         """
-        return [self.e.eq(self.e + 1),
-                self.m.eq(Cat(self.m[0] | self.m[1], self.m[2:], 0))
-               ]
+        m.submodules.specialcases = self
+        m.d.comb += self.i.a.eq(in_a)
+        m.d.comb += self.i.b.eq(in_b)
+        m.d.comb += out_do_z.eq(self.out_do_z)
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Module()
 
-    def nan(self, s):
-        return self.create(s, self.P128, 1<<22)
+        m.submodules.sc_in_a = self.i.a
+        m.submodules.sc_in_b = self.i.b
+        m.submodules.sc_out_z = self.out_z
+
+        s_nomatch = Signal()
+        m.d.comb += s_nomatch.eq(self.i.a.s != self.i.b.s)
+
+        m_match = Signal()
+        m.d.comb += m_match.eq(self.i.a.m == self.i.b.m)
+
+        # if a is NaN or b is NaN return NaN
+        with m.If(self.i.a.is_nan | self.i.b.is_nan):
+            m.d.comb += self.out_do_z.eq(1)
+            m.d.comb += self.out_z.nan(0)
+
+        # XXX WEIRDNESS for FP16 non-canonical NaN handling
+        # under review
+
+        ## if a is zero and b is NaN return -b
+        #with m.If(a.is_zero & (a.s==0) & b.is_nan):
+        #    m.d.comb += self.out_do_z.eq(1)
+        #    m.d.comb += z.create(b.s, b.e, Cat(b.m[3:-2], ~b.m[0]))
+
+        ## if b is zero and a is NaN return -a
+        #with m.Elif(b.is_zero & (b.s==0) & a.is_nan):
+        #    m.d.comb += self.out_do_z.eq(1)
+        #    m.d.comb += z.create(a.s, a.e, Cat(a.m[3:-2], ~a.m[0]))
+
+        ## if a is -zero and b is NaN return -b
+        #with m.Elif(a.is_zero & (a.s==1) & b.is_nan):
+        #    m.d.comb += self.out_do_z.eq(1)
+        #    m.d.comb += z.create(a.s & b.s, b.e, Cat(b.m[3:-2], 1))
+
+        ## if b is -zero and a is NaN return -a
+        #with m.Elif(b.is_zero & (b.s==1) & a.is_nan):
+        #    m.d.comb += self.out_do_z.eq(1)
+        #    m.d.comb += z.create(a.s & b.s, a.e, Cat(a.m[3:-2], 1))
+
+        # if a is inf return inf (or NaN)
+        with m.Elif(self.i.a.is_inf):
+            m.d.comb += self.out_do_z.eq(1)
+            m.d.comb += self.out_z.inf(self.i.a.s)
+            # if a is inf and signs don't match return NaN
+            with m.If(self.i.b.exp_128 & s_nomatch):
+                m.d.comb += self.out_z.nan(0)
+
+        # if b is inf return inf
+        with m.Elif(self.i.b.is_inf):
+            m.d.comb += self.out_do_z.eq(1)
+            m.d.comb += self.out_z.inf(self.i.b.s)
+
+        # if a is zero and b zero return signed-a/b
+        with m.Elif(self.i.a.is_zero & self.i.b.is_zero):
+            m.d.comb += self.out_do_z.eq(1)
+            m.d.comb += self.out_z.create(self.i.a.s & self.i.b.s,
+                                          self.i.b.e,
+                                          self.i.b.m[3:-1])
+
+        # if a is zero return b
+        with m.Elif(self.i.a.is_zero):
+            m.d.comb += self.out_do_z.eq(1)
+            m.d.comb += self.out_z.create(self.i.b.s, self.i.b.e,
+                                      self.i.b.m[3:-1])
+
+        # if b is zero return a
+        with m.Elif(self.i.b.is_zero):
+            m.d.comb += self.out_do_z.eq(1)
+            m.d.comb += self.out_z.create(self.i.a.s, self.i.a.e,
+                                      self.i.a.m[3:-1])
+
+        # if a equal to -b return zero (+ve zero)
+        with m.Elif(s_nomatch & m_match & (self.i.a.e == self.i.b.e)):
+            m.d.comb += self.out_do_z.eq(1)
+            m.d.comb += self.out_z.zero(0)
+
+        # Denormalised Number checks
+        with m.Else():
+            m.d.comb += self.out_do_z.eq(0)
+
+        return m
 
-    def inf(self, s):
-        return self.create(s, self.P128, 0)
 
-    def zero(self, s):
-        return self.create(s, self.N127, 0)
+class FPID:
+    def __init__(self, id_wid):
+        self.id_wid = id_wid
+        if self.id_wid:
+            self.in_mid = Signal(id_wid, reset_less=True)
+            self.out_mid = Signal(id_wid, reset_less=True)
+        else:
+            self.in_mid = None
+            self.out_mid = None
 
-    def is_nan(self):
-        return (self.e == self.P128) & (self.m != 0)
+    def idsync(self, m):
+        if self.id_wid is not None:
+            m.d.sync += self.out_mid.eq(self.in_mid)
 
-    def is_inf(self):
-        return (self.e == self.P128) & (self.m == 0)
 
-    def is_zero(self):
-        return (self.e == self.N127) & (self.m == self.mzero)
+class FPAddSpecialCases(FPState, FPID):
+    """ special cases: NaNs, infs, zeros, denormalised
+        NOTE: some of these are unique to add.  see "Special Operations"
+        https://steve.hollasch.net/cgindex/coding/ieeefloat.html
+    """
 
-    def is_overflowed(self):
-        return (self.e > self.P127)
+    def __init__(self, width, id_wid):
+        FPState.__init__(self, "special_cases")
+        FPID.__init__(self, id_wid)
+        self.mod = FPAddSpecialCasesMod(width)
+        self.out_z = self.mod.ospec()
+        self.out_do_z = Signal(reset_less=True)
 
-    def is_denormalised(self):
-        return (self.e == self.N126) & (self.m[23] == 0)
+    def setup(self, m, in_a, in_b, in_mid):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        self.mod.setup(m, in_a, in_b, self.out_do_z)
+        if self.in_mid is not None:
+            m.d.comb += self.in_mid.eq(in_mid)
+
+    def action(self, m):
+        self.idsync(m)
+        with m.If(self.out_do_z):
+            m.d.sync += self.out_z.v.eq(self.mod.out_z.v) # only take the output
+            m.next = "put_z"
+        with m.Else():
+            m.next = "denormalise"
+
+
+class FPAddSpecialCasesDeNorm(FPState, FPID):
+    """ special cases: NaNs, infs, zeros, denormalised
+        NOTE: some of these are unique to add.  see "Special Operations"
+        https://steve.hollasch.net/cgindex/coding/ieeefloat.html
+    """
+
+    def __init__(self, width, id_wid):
+        FPState.__init__(self, "special_cases")
+        FPID.__init__(self, id_wid)
+        self.smod = FPAddSpecialCasesMod(width)
+        self.out_z = self.smod.ospec()
+        self.out_do_z = Signal(reset_less=True)
+
+        self.dmod = FPAddDeNormMod(width)
+        self.o = self.dmod.ospec()
+
+    def setup(self, m, in_a, in_b, in_mid):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        self.smod.setup(m, in_a, in_b, self.out_do_z)
+        self.dmod.setup(m, in_a, in_b)
+        if self.in_mid is not None:
+            m.d.comb += self.in_mid.eq(in_mid)
+
+    def action(self, m):
+        self.idsync(m)
+        with m.If(self.out_do_z):
+            m.d.sync += self.out_z.v.eq(self.smod.out_z.v) # only take output
+            m.next = "put_z"
+        with m.Else():
+            m.next = "align"
+            m.d.sync += self.o.a.eq(self.dmod.o.a)
+            m.d.sync += self.o.b.eq(self.dmod.o.b)
+
+
+class FPAddDeNormMod(FPState):
 
-class FPOp:
     def __init__(self, width):
         self.width = width
+        self.i = self.ispec()
+        self.o = self.ospec()
 
-        self.v     = Signal(width)
-        self.stb = Signal()
-        self.ack = Signal()
+    def ispec(self):
+        return FPNumBase2Ops(self.width)
 
-    def ports(self):
-        return [self.v, self.stb, self.ack]
+    def ospec(self):
+        return FPNumBase2Ops(self.width)
 
+    def setup(self, m, in_a, in_b):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        m.submodules.denormalise = self
+        m.d.comb += self.i.a.eq(in_a)
+        m.d.comb += self.i.b.eq(in_b)
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Module()
+        m.submodules.denorm_in_a = self.i.a
+        m.submodules.denorm_in_b = self.i.b
+        m.submodules.denorm_out_a = self.o.a
+        m.submodules.denorm_out_b = self.o.b
+        # hmmm, don't like repeating identical code
+        m.d.comb += self.o.a.eq(self.i.a)
+        with m.If(self.i.a.exp_n127):
+            m.d.comb += self.o.a.e.eq(self.i.a.N126) # limit a exponent
+        with m.Else():
+            m.d.comb += self.o.a.m[-1].eq(1) # set top mantissa bit
 
-class Overflow:
-    def __init__(self):
-        self.guard = Signal()     # tot[2]
-        self.round_bit = Signal() # tot[1]
-        self.sticky = Signal()    # tot[0]
+        m.d.comb += self.o.b.eq(self.i.b)
+        with m.If(self.i.b.exp_n127):
+            m.d.comb += self.o.b.e.eq(self.i.b.N126) # limit a exponent
+        with m.Else():
+            m.d.comb += self.o.b.m[-1].eq(1) # set top mantissa bit
 
+        return m
+
+
+class FPAddDeNorm(FPState, FPID):
+
+    def __init__(self, width, id_wid):
+        FPState.__init__(self, "denormalise")
+        FPID.__init__(self, id_wid)
+        self.mod = FPAddDeNormMod(width)
+        self.out_a = FPNumBase(width)
+        self.out_b = FPNumBase(width)
+
+    def setup(self, m, in_a, in_b, in_mid):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        self.mod.setup(m, in_a, in_b)
+        if self.in_mid is not None:
+            m.d.comb += self.in_mid.eq(in_mid)
+
+    def action(self, m):
+        self.idsync(m)
+        # Denormalised Number checks
+        m.next = "align"
+        m.d.sync += self.out_a.eq(self.mod.out_a)
+        m.d.sync += self.out_b.eq(self.mod.out_b)
+
+
+class FPAddAlignMultiMod(FPState):
+
+    def __init__(self, width):
+        self.in_a = FPNumBase(width)
+        self.in_b = FPNumBase(width)
+        self.out_a = FPNumIn(None, width)
+        self.out_b = FPNumIn(None, width)
+        self.exp_eq = Signal(reset_less=True)
+
+    def elaborate(self, platform):
+        # This one however (single-cycle) will do the shift
+        # in one go.
+
+        m = Module()
+
+        m.submodules.align_in_a = self.in_a
+        m.submodules.align_in_b = self.in_b
+        m.submodules.align_out_a = self.out_a
+        m.submodules.align_out_b = self.out_b
+
+        # NOTE: this does *not* do single-cycle multi-shifting,
+        #       it *STAYS* in the align state until exponents match
+
+        # exponent of a greater than b: shift b down
+        m.d.comb += self.exp_eq.eq(0)
+        m.d.comb += self.out_a.eq(self.in_a)
+        m.d.comb += self.out_b.eq(self.in_b)
+        agtb = Signal(reset_less=True)
+        altb = Signal(reset_less=True)
+        m.d.comb += agtb.eq(self.in_a.e > self.in_b.e)
+        m.d.comb += altb.eq(self.in_a.e < self.in_b.e)
+        with m.If(agtb):
+            m.d.comb += self.out_b.shift_down(self.in_b)
+        # exponent of b greater than a: shift a down
+        with m.Elif(altb):
+            m.d.comb += self.out_a.shift_down(self.in_a)
+        # exponents equal: move to next stage.
+        with m.Else():
+            m.d.comb += self.exp_eq.eq(1)
+        return m
+
+
+class FPAddAlignMulti(FPState, FPID):
+
+    def __init__(self, width, id_wid):
+        FPID.__init__(self, id_wid)
+        FPState.__init__(self, "align")
+        self.mod = FPAddAlignMultiMod(width)
+        self.out_a = FPNumIn(None, width)
+        self.out_b = FPNumIn(None, width)
+        self.exp_eq = Signal(reset_less=True)
+
+    def setup(self, m, in_a, in_b, in_mid):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        m.submodules.align = self.mod
+        m.d.comb += self.mod.in_a.eq(in_a)
+        m.d.comb += self.mod.in_b.eq(in_b)
+        #m.d.comb += self.out_a.eq(self.mod.out_a)
+        #m.d.comb += self.out_b.eq(self.mod.out_b)
+        m.d.comb += self.exp_eq.eq(self.mod.exp_eq)
+        if self.in_mid is not None:
+            m.d.comb += self.in_mid.eq(in_mid)
+
+    def action(self, m):
+        self.idsync(m)
+        m.d.sync += self.out_a.eq(self.mod.out_a)
+        m.d.sync += self.out_b.eq(self.mod.out_b)
+        with m.If(self.exp_eq):
+            m.next = "add_0"
+
+
+class FPNumIn2Ops:
+
+    def __init__(self, width):
+        self.a = FPNumIn(None, width)
+        self.b = FPNumIn(None, width)
+
+    def eq(self, i):
+        return [self.a.eq(i.a), self.b.eq(i.b)]
+
+
+class FPAddAlignSingleMod:
 
-class FPADD:
     def __init__(self, width):
         self.width = width
+        self.i = self.ispec()
+        self.o = self.ospec()
 
-        self.in_a     = FPOp(width)
-        self.in_b     = FPOp(width)
-        self.out_z     = FPOp(width)
+    def ispec(self):
+        return FPNumBase2Ops(self.width)
 
-    def get_op(self, m, op, v, next_state):
-        with m.If((op.ack) & (op.stb)):
-            m.next = next_state
-            m.d.sync += [
-                v.eq(op.v),
-                op.ack.eq(0)
+    def ospec(self):
+        return FPNumIn2Ops(self.width)
+
+    def setup(self, m, in_a, in_b):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        m.submodules.align = self
+        m.d.comb += self.i.a.eq(in_a)
+        m.d.comb += self.i.b.eq(in_b)
+
+    def elaborate(self, platform):
+        """ Aligns A against B or B against A, depending on which has the
+            greater exponent.  This is done in a *single* cycle using
+            variable-width bit-shift
+
+            the shifter used here is quite expensive in terms of gates.
+            Mux A or B in (and out) into temporaries, as only one of them
+            needs to be aligned against the other
+        """
+        m = Module()
+
+        m.submodules.align_in_a = self.i.a
+        m.submodules.align_in_b = self.i.b
+        m.submodules.align_out_a = self.o.a
+        m.submodules.align_out_b = self.o.b
+
+        # temporary (muxed) input and output to be shifted
+        t_inp = FPNumBase(self.width)
+        t_out = FPNumIn(None, self.width)
+        espec = (len(self.i.a.e), True)
+        msr = MultiShiftRMerge(self.i.a.m_width, espec)
+        m.submodules.align_t_in = t_inp
+        m.submodules.align_t_out = t_out
+        m.submodules.multishift_r = msr
+
+        ediff = Signal(espec, reset_less=True)
+        ediffr = Signal(espec, reset_less=True)
+        tdiff = Signal(espec, reset_less=True)
+        elz = Signal(reset_less=True)
+        egz = Signal(reset_less=True)
+
+        # connect multi-shifter to t_inp/out mantissa (and tdiff)
+        m.d.comb += msr.inp.eq(t_inp.m)
+        m.d.comb += msr.diff.eq(tdiff)
+        m.d.comb += t_out.m.eq(msr.m)
+        m.d.comb += t_out.e.eq(t_inp.e + tdiff)
+        m.d.comb += t_out.s.eq(t_inp.s)
+
+        m.d.comb += ediff.eq(self.i.a.e - self.i.b.e)
+        m.d.comb += ediffr.eq(self.i.b.e - self.i.a.e)
+        m.d.comb += elz.eq(self.i.a.e < self.i.b.e)
+        m.d.comb += egz.eq(self.i.a.e > self.i.b.e)
+
+        # default: A-exp == B-exp, A and B untouched (fall through)
+        m.d.comb += self.o.a.eq(self.i.a)
+        m.d.comb += self.o.b.eq(self.i.b)
+        # only one shifter (muxed)
+        #m.d.comb += t_out.shift_down_multi(tdiff, t_inp)
+        # exponent of a greater than b: shift b down
+        with m.If(egz):
+            m.d.comb += [t_inp.eq(self.i.b),
+                         tdiff.eq(ediff),
+                         self.o.b.eq(t_out),
+                         self.o.b.s.eq(self.i.b.s), # whoops forgot sign
+                        ]
+        # exponent of b greater than a: shift a down
+        with m.Elif(elz):
+            m.d.comb += [t_inp.eq(self.i.a),
+                         tdiff.eq(ediffr),
+                         self.o.a.eq(t_out),
+                         self.o.a.s.eq(self.i.a.s), # whoops forgot sign
+                        ]
+        return m
+
+
+class FPAddAlignSingle(FPState, FPID):
+
+    def __init__(self, width, id_wid):
+        FPState.__init__(self, "align")
+        FPID.__init__(self, id_wid)
+        self.mod = FPAddAlignSingleMod(width)
+        self.out_a = FPNumIn(None, width)
+        self.out_b = FPNumIn(None, width)
+
+    def setup(self, m, in_a, in_b, in_mid):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        self.mod.setup(m, in_a, in_b)
+        if self.in_mid is not None:
+            m.d.comb += self.in_mid.eq(in_mid)
+
+    def action(self, m):
+        self.idsync(m)
+        # NOTE: could be done as comb
+        m.d.sync += self.out_a.eq(self.mod.out_a)
+        m.d.sync += self.out_b.eq(self.mod.out_b)
+        m.next = "add_0"
+
+
+class FPAddAlignSingleAdd(FPState, FPID):
+
+    def __init__(self, width, id_wid):
+        FPState.__init__(self, "align")
+        FPID.__init__(self, id_wid)
+        self.mod = FPAddAlignSingleMod(width)
+        self.o = self.mod.ospec()
+
+        self.a0mod = FPAddStage0Mod(width)
+        self.a0_out_z = FPNumBase(width, False)
+        self.out_tot = Signal(self.a0_out_z.m_width + 4, reset_less=True)
+        self.a0_out_z = FPNumBase(width, False)
+
+        self.a1mod = FPAddStage1Mod(width)
+        self.a1o = self.a1mod.ospec()
+
+    def setup(self, m, in_a, in_b, in_mid):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        self.mod.setup(m, in_a, in_b)
+        m.d.comb += self.o.eq(self.mod.o)
+
+        self.a0mod.setup(m, self.o.a, self.o.b)
+        m.d.comb += self.a0_out_z.eq(self.a0mod.o.z)
+        m.d.comb += self.out_tot.eq(self.a0mod.o.tot)
+
+        self.a1mod.setup(m, self.out_tot, self.a0_out_z)
+
+        if self.in_mid is not None:
+            m.d.comb += self.in_mid.eq(in_mid)
+
+    def action(self, m):
+        self.idsync(m)
+        m.d.sync += self.a1o.eq(self.a1mod.o)
+        m.next = "normalise_1"
+
+
+class FPAddStage0Data:
+
+    def __init__(self, width):
+        self.z = FPNumBase(width, False)
+        self.tot = Signal(self.z.m_width + 4, reset_less=True)
+
+    def eq(self, i):
+        return [self.z.eq(i.z), self.tot.eq(i.tot)]
+
+
+class FPAddStage0Mod:
+
+    def __init__(self, width):
+        self.width = width
+        self.i = self.ispec()
+        self.o = self.ospec()
+
+    def ispec(self):
+        return FPNumBase2Ops(self.width)
+
+    def ospec(self):
+        return FPAddStage0Data(self.width)
+
+    def setup(self, m, in_a, in_b):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        m.submodules.add0 = self
+        m.d.comb += self.i.a.eq(in_a)
+        m.d.comb += self.i.b.eq(in_b)
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Module()
+        m.submodules.add0_in_a = self.i.a
+        m.submodules.add0_in_b = self.i.b
+        m.submodules.add0_out_z = self.o.z
+
+        m.d.comb += self.o.z.e.eq(self.i.a.e)
+
+        # store intermediate tests (and zero-extended mantissas)
+        seq = Signal(reset_less=True)
+        mge = Signal(reset_less=True)
+        am0 = Signal(len(self.i.a.m)+1, reset_less=True)
+        bm0 = Signal(len(self.i.b.m)+1, reset_less=True)
+        m.d.comb += [seq.eq(self.i.a.s == self.i.b.s),
+                     mge.eq(self.i.a.m >= self.i.b.m),
+                     am0.eq(Cat(self.i.a.m, 0)),
+                     bm0.eq(Cat(self.i.b.m, 0))
+                    ]
+        # same-sign (both negative or both positive) add mantissas
+        with m.If(seq):
+            m.d.comb += [
+                self.o.tot.eq(am0 + bm0),
+                self.o.z.s.eq(self.i.a.s)
             ]
+        # a mantissa greater than b, use a
+        with m.Elif(mge):
+            m.d.comb += [
+                self.o.tot.eq(am0 - bm0),
+                self.o.z.s.eq(self.i.a.s)
+            ]
+        # b mantissa greater than a, use b
         with m.Else():
-            m.d.sync += op.ack.eq(1)
-
-    def normalise_1(self, m, z, of, next_state):
-        with m.If((z.m[-1] == 0) & (z.e > z.N126)):
-            m.d.sync +=[
-                z.e.eq(z.e - 1),  # DECREASE exponent
-                z.m.eq(z.m << 1), # shift mantissa UP
-                z.m[0].eq(of.guard),       # steal guard bit (was tot[2])
-                of.guard.eq(of.round_bit), # steal round_bit (was tot[1])
-                of.round_bit.eq(0),        # reset round bit
+            m.d.comb += [
+                self.o.tot.eq(bm0 - am0),
+                self.o.z.s.eq(self.i.b.s)
+        ]
+        return m
+
+
+class FPAddStage0(FPState, FPID):
+    """ First stage of add.  covers same-sign (add) and subtract
+        special-casing when mantissas are greater or equal, to
+        give greatest accuracy.
+    """
+
+    def __init__(self, width, id_wid):
+        FPState.__init__(self, "add_0")
+        FPID.__init__(self, id_wid)
+        self.mod = FPAddStage0Mod(width)
+        self.o = self.mod.ospec()
+
+    def setup(self, m, in_a, in_b, in_mid):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        self.mod.setup(m, in_a, in_b)
+        if self.in_mid is not None:
+            m.d.comb += self.in_mid.eq(in_mid)
+
+    def action(self, m):
+        self.idsync(m)
+        # NOTE: these could be done as combinatorial (merge add0+add1)
+        m.d.sync += self.o.eq(self.mod.o)
+        m.next = "add_1"
+
+
+class FPAddStage1Data:
+
+    def __init__(self, width):
+        self.z = FPNumBase(width, False)
+        self.of = Overflow()
+
+    def eq(self, i):
+        return [self.z.eq(i.z), self.of.eq(i.of)]
+
+
+
+class FPAddStage1Mod(FPState):
+    """ Second stage of add: preparation for normalisation.
+        detects when tot sum is too big (tot[27] is kinda a carry bit)
+    """
+
+    def __init__(self, width):
+        self.width = width
+        self.i = self.ispec()
+        self.o = self.ospec()
+
+    def ispec(self):
+        return FPAddStage0Data(self.width)
+
+    def ospec(self):
+        return FPAddStage1Data(self.width)
+
+    def setup(self, m, in_tot, in_z):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        m.submodules.add1 = self
+        m.submodules.add1_out_overflow = self.o.of
+
+        m.d.comb += self.i.z.eq(in_z)
+        m.d.comb += self.i.tot.eq(in_tot)
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Module()
+        #m.submodules.norm1_in_overflow = self.in_of
+        #m.submodules.norm1_out_overflow = self.out_of
+        #m.submodules.norm1_in_z = self.in_z
+        #m.submodules.norm1_out_z = self.out_z
+        m.d.comb += self.o.z.eq(self.i.z)
+        # tot[-1] (MSB) gets set when the sum overflows. shift result down
+        with m.If(self.i.tot[-1]):
+            m.d.comb += [
+                self.o.z.m.eq(self.i.tot[4:]),
+                self.o.of.m0.eq(self.i.tot[4]),
+                self.o.of.guard.eq(self.i.tot[3]),
+                self.o.of.round_bit.eq(self.i.tot[2]),
+                self.o.of.sticky.eq(self.i.tot[1] | self.i.tot[0]),
+                self.o.z.e.eq(self.i.z.e + 1)
+        ]
+        # tot[-1] (MSB) zero case
+        with m.Else():
+            m.d.comb += [
+                self.o.z.m.eq(self.i.tot[3:]),
+                self.o.of.m0.eq(self.i.tot[3]),
+                self.o.of.guard.eq(self.i.tot[2]),
+                self.o.of.round_bit.eq(self.i.tot[1]),
+                self.o.of.sticky.eq(self.i.tot[0])
+        ]
+        return m
+
+
+class FPAddStage1(FPState, FPID):
+
+    def __init__(self, width, id_wid):
+        FPState.__init__(self, "add_1")
+        FPID.__init__(self, id_wid)
+        self.mod = FPAddStage1Mod(width)
+        self.out_z = FPNumBase(width, False)
+        self.out_of = Overflow()
+        self.norm_stb = Signal()
+
+    def setup(self, m, in_tot, in_z, in_mid):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        self.mod.setup(m, in_tot, in_z)
+
+        m.d.sync += self.norm_stb.eq(0) # sets to zero when not in add1 state
+
+        if self.in_mid is not None:
+            m.d.comb += self.in_mid.eq(in_mid)
+
+    def action(self, m):
+        self.idsync(m)
+        m.d.sync += self.out_of.eq(self.mod.out_of)
+        m.d.sync += self.out_z.eq(self.mod.out_z)
+        m.d.sync += self.norm_stb.eq(1)
+        m.next = "normalise_1"
+
+
+class FPNormaliseModSingle:
+
+    def __init__(self, width):
+        self.width = width
+        self.in_z = FPNumBase(width, False)
+        self.out_z = FPNumBase(width, False)
+
+    def setup(self, m, in_z, out_z, modname):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        m.submodules.normalise = self
+        m.d.comb += self.in_z.eq(in_z)
+        m.d.comb += out_z.eq(self.out_z)
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Module()
+
+        mwid = self.out_z.m_width+2
+        pe = PriorityEncoder(mwid)
+        m.submodules.norm_pe = pe
+
+        m.submodules.norm1_out_z = self.out_z
+        m.submodules.norm1_in_z = self.in_z
+
+        in_z = FPNumBase(self.width, False)
+        in_of = Overflow()
+        m.submodules.norm1_insel_z = in_z
+        m.submodules.norm1_insel_overflow = in_of
+
+        espec = (len(in_z.e), True)
+        ediff_n126 = Signal(espec, reset_less=True)
+        msr = MultiShiftRMerge(mwid, espec)
+        m.submodules.multishift_r = msr
+
+        m.d.comb += in_z.eq(self.in_z)
+        m.d.comb += in_of.eq(self.in_of)
+        # initialise out from in (overridden below)
+        m.d.comb += self.out_z.eq(in_z)
+        m.d.comb += self.out_of.eq(in_of)
+        # normalisation increase/decrease conditions
+        decrease = Signal(reset_less=True)
+        m.d.comb += decrease.eq(in_z.m_msbzero)
+        # decrease exponent
+        with m.If(decrease):
+            # *sigh* not entirely obvious: count leading zeros (clz)
+            # with a PriorityEncoder: to find from the MSB
+            # we reverse the order of the bits.
+            temp_m = Signal(mwid, reset_less=True)
+            temp_s = Signal(mwid+1, reset_less=True)
+            clz = Signal((len(in_z.e), True), reset_less=True)
+            m.d.comb += [
+                # cat round and guard bits back into the mantissa
+                temp_m.eq(Cat(in_of.round_bit, in_of.guard, in_z.m)),
+                pe.i.eq(temp_m[::-1]),          # inverted
+                clz.eq(pe.o),                   # count zeros from MSB down
+                temp_s.eq(temp_m << clz),       # shift mantissa UP
+                self.out_z.e.eq(in_z.e - clz),  # DECREASE exponent
+                self.out_z.m.eq(temp_s[2:]),    # exclude bits 0&1
             ]
+
+        return m
+
+
+class FPNorm1ModSingle:
+
+    def __init__(self, width):
+        self.width = width
+        self.out_norm = Signal(reset_less=True)
+        self.in_z = FPNumBase(width, False)
+        self.in_of = Overflow()
+        self.out_z = FPNumBase(width, False)
+        self.out_of = Overflow()
+
+    def setup(self, m, in_z, in_of, out_z):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        m.submodules.normalise_1 = self
+
+        m.d.comb += self.in_z.eq(in_z)
+        m.d.comb += self.in_of.eq(in_of)
+
+        m.d.comb += out_z.eq(self.out_z)
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Module()
+
+        mwid = self.out_z.m_width+2
+        pe = PriorityEncoder(mwid)
+        m.submodules.norm_pe = pe
+
+        m.submodules.norm1_out_z = self.out_z
+        m.submodules.norm1_out_overflow = self.out_of
+        m.submodules.norm1_in_z = self.in_z
+        m.submodules.norm1_in_overflow = self.in_of
+
+        in_z = FPNumBase(self.width, False)
+        in_of = Overflow()
+        m.submodules.norm1_insel_z = in_z
+        m.submodules.norm1_insel_overflow = in_of
+
+        espec = (len(in_z.e), True)
+        ediff_n126 = Signal(espec, reset_less=True)
+        msr = MultiShiftRMerge(mwid, espec)
+        m.submodules.multishift_r = msr
+
+        m.d.comb += in_z.eq(self.in_z)
+        m.d.comb += in_of.eq(self.in_of)
+        # initialise out from in (overridden below)
+        m.d.comb += self.out_z.eq(in_z)
+        m.d.comb += self.out_of.eq(in_of)
+        # normalisation increase/decrease conditions
+        decrease = Signal(reset_less=True)
+        increase = Signal(reset_less=True)
+        m.d.comb += decrease.eq(in_z.m_msbzero & in_z.exp_gt_n126)
+        m.d.comb += increase.eq(in_z.exp_lt_n126)
+        # decrease exponent
+        with m.If(decrease):
+            # *sigh* not entirely obvious: count leading zeros (clz)
+            # with a PriorityEncoder: to find from the MSB
+            # we reverse the order of the bits.
+            temp_m = Signal(mwid, reset_less=True)
+            temp_s = Signal(mwid+1, reset_less=True)
+            clz = Signal((len(in_z.e), True), reset_less=True)
+            # make sure that the amount to decrease by does NOT
+            # go below the minimum non-INF/NaN exponent
+            limclz = Mux(in_z.exp_sub_n126 > pe.o, pe.o,
+                         in_z.exp_sub_n126)
+            m.d.comb += [
+                # cat round and guard bits back into the mantissa
+                temp_m.eq(Cat(in_of.round_bit, in_of.guard, in_z.m)),
+                pe.i.eq(temp_m[::-1]),          # inverted
+                clz.eq(limclz),                 # count zeros from MSB down
+                temp_s.eq(temp_m << clz),       # shift mantissa UP
+                self.out_z.e.eq(in_z.e - clz),  # DECREASE exponent
+                self.out_z.m.eq(temp_s[2:]),    # exclude bits 0&1
+                self.out_of.m0.eq(temp_s[2]),   # copy of mantissa[0]
+                # overflow in bits 0..1: got shifted too (leave sticky)
+                self.out_of.guard.eq(temp_s[1]),     # guard
+                self.out_of.round_bit.eq(temp_s[0]), # round
+            ]
+        # increase exponent
+        with m.Elif(increase):
+            temp_m = Signal(mwid+1, reset_less=True)
+            m.d.comb += [
+                temp_m.eq(Cat(in_of.sticky, in_of.round_bit, in_of.guard,
+                              in_z.m)),
+                ediff_n126.eq(in_z.N126 - in_z.e),
+                # connect multi-shifter to inp/out mantissa (and ediff)
+                msr.inp.eq(temp_m),
+                msr.diff.eq(ediff_n126),
+                self.out_z.m.eq(msr.m[3:]),
+                self.out_of.m0.eq(temp_s[3]),   # copy of mantissa[0]
+                # overflow in bits 0..1: got shifted too (leave sticky)
+                self.out_of.guard.eq(temp_s[2]),     # guard
+                self.out_of.round_bit.eq(temp_s[1]), # round
+                self.out_of.sticky.eq(temp_s[0]), # sticky
+                self.out_z.e.eq(in_z.e + ediff_n126),
+            ]
+
+        return m
+
+
+class FPNorm1ModMulti:
+
+    def __init__(self, width, single_cycle=True):
+        self.width = width
+        self.in_select = Signal(reset_less=True)
+        self.in_z = FPNumBase(width, False)
+        self.in_of = Overflow()
+        self.temp_z = FPNumBase(width, False)
+        self.temp_of = Overflow()
+        self.out_z = FPNumBase(width, False)
+        self.out_of = Overflow()
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Module()
+
+        m.submodules.norm1_out_z = self.out_z
+        m.submodules.norm1_out_overflow = self.out_of
+        m.submodules.norm1_temp_z = self.temp_z
+        m.submodules.norm1_temp_of = self.temp_of
+        m.submodules.norm1_in_z = self.in_z
+        m.submodules.norm1_in_overflow = self.in_of
+
+        in_z = FPNumBase(self.width, False)
+        in_of = Overflow()
+        m.submodules.norm1_insel_z = in_z
+        m.submodules.norm1_insel_overflow = in_of
+
+        # select which of temp or in z/of to use
+        with m.If(self.in_select):
+            m.d.comb += in_z.eq(self.in_z)
+            m.d.comb += in_of.eq(self.in_of)
         with m.Else():
-            m.next = next_state
-
-    def normalise_2(self, m, z, of, next_state):
-        with m.If(z.e < z.N126):
-            m.d.sync +=[
-                z.e.eq(z.e + 1),  # INCREASE exponent
-                z.m.eq(z.m >> 1), # shift mantissa DOWN
-                of.guard.eq(z.m[0]),
-                of.round_bit.eq(of.guard),
-                of.sticky.eq(of.sticky | of.round_bit)
+            m.d.comb += in_z.eq(self.temp_z)
+            m.d.comb += in_of.eq(self.temp_of)
+        # initialise out from in (overridden below)
+        m.d.comb += self.out_z.eq(in_z)
+        m.d.comb += self.out_of.eq(in_of)
+        # normalisation increase/decrease conditions
+        decrease = Signal(reset_less=True)
+        increase = Signal(reset_less=True)
+        m.d.comb += decrease.eq(in_z.m_msbzero & in_z.exp_gt_n126)
+        m.d.comb += increase.eq(in_z.exp_lt_n126)
+        m.d.comb += self.out_norm.eq(decrease | increase) # loop-end
+        # decrease exponent
+        with m.If(decrease):
+            m.d.comb += [
+                self.out_z.e.eq(in_z.e - 1),  # DECREASE exponent
+                self.out_z.m.eq(in_z.m << 1), # shift mantissa UP
+                self.out_z.m[0].eq(in_of.guard), # steal guard (was tot[2])
+                self.out_of.guard.eq(in_of.round_bit), # round (was tot[1])
+                self.out_of.round_bit.eq(0),        # reset round bit
+                self.out_of.m0.eq(in_of.guard),
+            ]
+        # increase exponent
+        with m.Elif(increase):
+            m.d.comb += [
+                self.out_z.e.eq(in_z.e + 1),  # INCREASE exponent
+                self.out_z.m.eq(in_z.m >> 1), # shift mantissa DOWN
+                self.out_of.guard.eq(in_z.m[0]),
+                self.out_of.m0.eq(in_z.m[1]),
+                self.out_of.round_bit.eq(in_of.guard),
+                self.out_of.sticky.eq(in_of.sticky | in_of.round_bit)
             ]
+
+        return m
+
+
+class FPNorm1Single(FPState, FPID):
+
+    def __init__(self, width, id_wid, single_cycle=True):
+        FPID.__init__(self, id_wid)
+        FPState.__init__(self, "normalise_1")
+        self.mod = FPNorm1ModSingle(width)
+        self.out_norm = Signal(reset_less=True)
+        self.out_z = FPNumBase(width)
+        self.out_roundz = Signal(reset_less=True)
+
+    def setup(self, m, in_z, in_of, in_mid):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        self.mod.setup(m, in_z, in_of, self.out_z)
+
+        if self.in_mid is not None:
+            m.d.comb += self.in_mid.eq(in_mid)
+
+    def action(self, m):
+        self.idsync(m)
+        m.d.sync += self.out_roundz.eq(self.mod.out_of.roundz)
+        m.next = "round"
+
+
+class FPNorm1Multi(FPState, FPID):
+
+    def __init__(self, width, id_wid):
+        FPID.__init__(self, id_wid)
+        FPState.__init__(self, "normalise_1")
+        self.mod = FPNorm1ModMulti(width)
+        self.stb = Signal(reset_less=True)
+        self.ack = Signal(reset=0, reset_less=True)
+        self.out_norm = Signal(reset_less=True)
+        self.in_accept = Signal(reset_less=True)
+        self.temp_z = FPNumBase(width)
+        self.temp_of = Overflow()
+        self.out_z = FPNumBase(width)
+        self.out_roundz = Signal(reset_less=True)
+
+    def setup(self, m, in_z, in_of, norm_stb, in_mid):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        self.mod.setup(m, in_z, in_of, norm_stb,
+                       self.in_accept, self.temp_z, self.temp_of,
+                       self.out_z, self.out_norm)
+
+        m.d.comb += self.stb.eq(norm_stb)
+        m.d.sync += self.ack.eq(0) # sets to zero when not in normalise_1 state
+
+        if self.in_mid is not None:
+            m.d.comb += self.in_mid.eq(in_mid)
+
+    def action(self, m):
+        self.idsync(m)
+        m.d.comb += self.in_accept.eq((~self.ack) & (self.stb))
+        m.d.sync += self.temp_of.eq(self.mod.out_of)
+        m.d.sync += self.temp_z.eq(self.out_z)
+        with m.If(self.out_norm):
+            with m.If(self.in_accept):
+                m.d.sync += [
+                    self.ack.eq(1),
+                ]
+            with m.Else():
+                m.d.sync += self.ack.eq(0)
+        with m.Else():
+            # normalisation not required (or done).
+            m.next = "round"
+            m.d.sync += self.ack.eq(1)
+            m.d.sync += self.out_roundz.eq(self.mod.out_of.roundz)
+
+
+class FPNormToPack(FPState, FPID):
+
+    def __init__(self, width, id_wid):
+        FPID.__init__(self, id_wid)
+        FPState.__init__(self, "normalise_1")
+        self.width = width
+
+    def setup(self, m, in_z, in_of, in_mid):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+
+        # Normalisation (chained to input in_z+in_of)
+        nmod = FPNorm1ModSingle(self.width)
+        n_out_z = FPNumBase(self.width)
+        n_out_roundz = Signal(reset_less=True)
+        nmod.setup(m, in_z, in_of, n_out_z)
+
+        # Rounding (chained to normalisation)
+        rmod = FPRoundMod(self.width)
+        r_out_z = FPNumBase(self.width)
+        rmod.setup(m, n_out_z, n_out_roundz)
+        m.d.comb += n_out_roundz.eq(nmod.out_of.roundz)
+        m.d.comb += r_out_z.eq(rmod.out_z)
+
+        # Corrections (chained to rounding)
+        cmod = FPCorrectionsMod(self.width)
+        c_out_z = FPNumBase(self.width)
+        cmod.setup(m, r_out_z)
+        m.d.comb += c_out_z.eq(cmod.out_z)
+
+        # Pack (chained to corrections)
+        self.pmod = FPPackMod(self.width)
+        self.out_z = FPNumBase(self.width)
+        self.pmod.setup(m, c_out_z)
+
+        # Multiplex ID
+        if self.in_mid is not None:
+            m.d.comb += self.in_mid.eq(in_mid)
+
+    def action(self, m):
+        self.idsync(m) # copies incoming ID to outgoing
+        m.d.sync += self.out_z.v.eq(self.pmod.out_z.v) # outputs packed result
+        m.next = "pack_put_z"
+
+
+class FPRoundMod:
+
+    def __init__(self, width):
+        self.in_roundz = Signal(reset_less=True)
+        self.in_z = FPNumBase(width, False)
+        self.out_z = FPNumBase(width, False)
+
+    def setup(self, m, in_z, roundz):
+        m.submodules.roundz = self
+
+        m.d.comb += self.in_z.eq(in_z)
+        m.d.comb += self.in_roundz.eq(roundz)
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Module()
+        m.d.comb += self.out_z.eq(self.in_z)
+        with m.If(self.in_roundz):
+            m.d.comb += self.out_z.m.eq(self.in_z.m + 1) # mantissa rounds up
+            with m.If(self.in_z.m == self.in_z.m1s): # all 1s
+                m.d.comb += self.out_z.e.eq(self.in_z.e + 1) # exponent up
+        return m
+
+
+class FPRound(FPState, FPID):
+
+    def __init__(self, width, id_wid):
+        FPState.__init__(self, "round")
+        FPID.__init__(self, id_wid)
+        self.mod = FPRoundMod(width)
+        self.out_z = FPNumBase(width)
+
+    def setup(self, m, in_z, roundz, in_mid):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        self.mod.setup(m, in_z, roundz)
+
+        if self.in_mid is not None:
+            m.d.comb += self.in_mid.eq(in_mid)
+
+    def action(self, m):
+        self.idsync(m)
+        m.d.sync += self.out_z.eq(self.mod.out_z)
+        m.next = "corrections"
+
+
+class FPCorrectionsMod:
+
+    def __init__(self, width):
+        self.in_z = FPNumOut(width, False)
+        self.out_z = FPNumOut(width, False)
+
+    def setup(self, m, in_z):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        m.submodules.corrections = self
+        m.d.comb += self.in_z.eq(in_z)
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Module()
+        m.submodules.corr_in_z = self.in_z
+        m.submodules.corr_out_z = self.out_z
+        m.d.comb += self.out_z.eq(self.in_z)
+        with m.If(self.in_z.is_denormalised):
+            m.d.comb += self.out_z.e.eq(self.in_z.N127)
+        return m
+
+
+class FPCorrections(FPState, FPID):
+
+    def __init__(self, width, id_wid):
+        FPState.__init__(self, "corrections")
+        FPID.__init__(self, id_wid)
+        self.mod = FPCorrectionsMod(width)
+        self.out_z = FPNumBase(width)
+
+    def setup(self, m, in_z, in_mid):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        self.mod.setup(m, in_z)
+        if self.in_mid is not None:
+            m.d.comb += self.in_mid.eq(in_mid)
+
+    def action(self, m):
+        self.idsync(m)
+        m.d.sync += self.out_z.eq(self.mod.out_z)
+        m.next = "pack"
+
+
+class FPPackMod:
+
+    def __init__(self, width):
+        self.in_z = FPNumOut(width, False)
+        self.out_z = FPNumOut(width, False)
+
+    def setup(self, m, in_z):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        m.submodules.pack = self
+        m.d.comb += self.in_z.eq(in_z)
+
+    def elaborate(self, platform):
+        m = Module()
+        m.submodules.pack_in_z = self.in_z
+        with m.If(self.in_z.is_overflowed):
+            m.d.comb += self.out_z.inf(self.in_z.s)
         with m.Else():
-            m.next = next_state
-
-    def round(self, m, z, of, next_state):
-        m.next = next_state
-        with m.If(of.guard & (of.round_bit | of.sticky | z.m[0])):
-            m.d.sync += z.m.eq(z.m + 1) # mantissa rounds up
-            with m.If(z.m == z.m1s): # all 1s
-                m.d.sync += z.e.eq(z.e + 1) # exponent rounds up
-
-    def corrections(self, m, z, next_state):
-        m.next = next_state
-        # denormalised, correct exponent to zero
-        with m.If(z.is_denormalised()):
-            m.d.sync += z.m.eq(-127)
-        # FIX SIGN BUG: -a + a = +0.
-        with m.If((z.e == z.N126) & (z.m[0:] == 0)):
-            m.d.sync += z.s.eq(0)
-
-    def pack(self, m, z, next_state):
-        m.next = next_state
-        # if overflow occurs, return inf
-        with m.If(z.is_overflowed()):
-            m.d.sync += z.inf(0)
+            m.d.comb += self.out_z.create(self.in_z.s, self.in_z.e, self.in_z.m)
+        return m
+
+
+class FPPack(FPState, FPID):
+
+    def __init__(self, width, id_wid):
+        FPState.__init__(self, "pack")
+        FPID.__init__(self, id_wid)
+        self.mod = FPPackMod(width)
+        self.out_z = FPNumOut(width, False)
+
+    def setup(self, m, in_z, in_mid):
+        """ links module to inputs and outputs
+        """
+        self.mod.setup(m, in_z)
+        if self.in_mid is not None:
+            m.d.comb += self.in_mid.eq(in_mid)
+
+    def action(self, m):
+        self.idsync(m)
+        m.d.sync += self.out_z.v.eq(self.mod.out_z.v)
+        m.next = "pack_put_z"
+
+
+class FPPutZ(FPState):
+
+    def __init__(self, state, in_z, out_z, in_mid, out_mid, to_state=None):
+        FPState.__init__(self, state)
+        if to_state is None:
+            to_state = "get_ops"
+        self.to_state = to_state
+        self.in_z = in_z
+        self.out_z = out_z
+        self.in_mid = in_mid
+        self.out_mid = out_mid
+
+    def action(self, m):
+        if self.in_mid is not None:
+            m.d.sync += self.out_mid.eq(self.in_mid)
+        m.d.sync += [
+          self.out_z.v.eq(self.in_z.v)
+        ]
+        with m.If(self.out_z.stb & self.out_z.ack):
+            m.d.sync += self.out_z.stb.eq(0)
+            m.next = self.to_state
         with m.Else():
-            m.d.sync += z.create(z.s, z.e, z.m)
+            m.d.sync += self.out_z.stb.eq(1)
+
 
-    def put_z(self, m, z, out_z, next_state):
+class FPPutZIdx(FPState):
+
+    def __init__(self, state, in_z, out_zs, in_mid, to_state=None):
+        FPState.__init__(self, state)
+        if to_state is None:
+            to_state = "get_ops"
+        self.to_state = to_state
+        self.in_z = in_z
+        self.out_zs = out_zs
+        self.in_mid = in_mid
+
+    def action(self, m):
+        outz_stb = Signal(reset_less=True)
+        outz_ack = Signal(reset_less=True)
+        m.d.comb += [outz_stb.eq(self.out_zs[self.in_mid].stb),
+                     outz_ack.eq(self.out_zs[self.in_mid].ack),
+                    ]
         m.d.sync += [
-          out_z.stb.eq(1),
-          out_z.v.eq(z.v)
+          self.out_zs[self.in_mid].v.eq(self.in_z.v)
         ]
-        with m.If(out_z.stb & out_z.ack):
-            m.d.sync += out_z.stb.eq(0)
-            m.next = next_state
+        with m.If(outz_stb & outz_ack):
+            m.d.sync += self.out_zs[self.in_mid].stb.eq(0)
+            m.next = self.to_state
+        with m.Else():
+            m.d.sync += self.out_zs[self.in_mid].stb.eq(1)
+
+
+class FPADDBaseMod(FPID):
+
+    def __init__(self, width, id_wid=None, single_cycle=False, compact=True):
+        """ IEEE754 FP Add
+
+            * width: bit-width of IEEE754.  supported: 16, 32, 64
+            * id_wid: an identifier that is sync-connected to the input
+            * single_cycle: True indicates each stage to complete in 1 clock
+            * compact: True indicates a reduced number of stages
+        """
+        FPID.__init__(self, id_wid)
+        self.width = width
+        self.single_cycle = single_cycle
+        self.compact = compact
+
+        self.in_t = Trigger()
+        self.in_a  = Signal(width)
+        self.in_b  = Signal(width)
+        self.out_z = FPOp(width)
+
+        self.states = []
+
+    def add_state(self, state):
+        self.states.append(state)
+        return state
 
     def get_fragment(self, platform=None):
+        """ creates the HDL code-fragment for FPAdd
+        """
         m = Module()
+        m.submodules.out_z = self.out_z
+        m.submodules.in_t = self.in_t
+        if self.compact:
+            self.get_compact_fragment(m, platform)
+        else:
+            self.get_longer_fragment(m, platform)
 
-        # Latches
-        a = FPNum(self.width)
-        b = FPNum(self.width)
-        z = FPNum(self.width, 24)
+        with m.FSM() as fsm:
 
-        tot = Signal(28)     # sticky/round/guard bits, 23 result, 1 overflow
+            for state in self.states:
+                with m.State(state.state_from):
+                    state.action(m)
 
-        of = Overflow()
+        return m
 
-        with m.FSM() as fsm:
+    def get_longer_fragment(self, m, platform=None):
 
-            # ******
-            # gets operand a
-
-            with m.State("get_a"):
-                self.get_op(m, self.in_a, a.v, "get_b")
-
-            # ******
-            # gets operand b
-
-            with m.State("get_b"):
-                self.get_op(m, self.in_b, b.v, "unpack")
-
-            # ******
-            # unpacks operands into sign, mantissa and exponent
-
-            with m.State("unpack"):
-                m.next = "special_cases"
-                m.d.sync += a.decode()
-                m.d.sync += b.decode()
-
-            # ******
-            # special cases: NaNs, infs, zeros, denormalised
-
-            with m.State("special_cases"):
-
-                # if a is NaN or b is NaN return NaN
-                with m.If(a.is_nan() | b.is_nan()):
-                    m.next = "put_z"
-                    m.d.sync += z.nan(1)
-
-                # if a is inf return inf (or NaN)
-                with m.Elif(a.is_inf()):
-                    m.next = "put_z"
-                    m.d.sync += z.inf(a.s)
-                    # if a is inf and signs don't match return NaN
-                    with m.If((b.e == b.P128) & (a.s != b.s)):
-                        m.d.sync += z.nan(b.s)
-
-                # if b is inf return inf
-                with m.Elif(b.is_inf()):
-                    m.next = "put_z"
-                    m.d.sync += z.inf(b.s)
-
-                # if a is zero and b zero return signed-a/b
-                with m.Elif(a.is_zero() & b.is_zero()):
-                    m.next = "put_z"
-                    m.d.sync += z.create(a.s & b.s, b.e[0:8], b.m[3:-1])
-
-                # if a is zero return b
-                with m.Elif(a.is_zero()):
-                    m.next = "put_z"
-                    m.d.sync += z.create(b.s, b.e[0:8], b.m[3:-1])
-
-                # if b is zero return a
-                with m.Elif(b.is_zero()):
-                    m.next = "put_z"
-                    m.d.sync += z.create(a.s, a.e[0:8], a.m[3:-1])
-
-                # Denormalised Number checks
-                with m.Else():
-                    m.next = "align"
-                    # denormalise a check
-                    with m.If(a.e == a.N127):
-                        m.d.sync += a.e.eq(-126) # limit a exponent
-                    with m.Else():
-                        m.d.sync += a.m[-1].eq(1) # set top mantissa bit
-                    # denormalise b check
-                    with m.If(b.e == a.N127):
-                        m.d.sync += b.e.eq(-126) # limit b exponent
-                    with m.Else():
-                        m.d.sync += b.m[-1].eq(1) # set top mantissa bit
-
-            # ******
-            # align.  NOTE: this does *not* do single-cycle multi-shifting,
-            #         it *STAYS* in the align state until the exponents match
-
-            with m.State("align"):
-                # exponent of a greater than b: increment b exp, shift b mant
-                with m.If(a.e > b.e):
-                    m.d.sync += b.shift_down()
-                # exponent of b greater than a: increment a exp, shift a mant
-                with m.Elif(a.e < b.e):
-                    m.d.sync += a.shift_down()
-                # exponents equal: move to next stage.
-                with m.Else():
-                    m.next = "add_0"
-
-            # ******
-            # First stage of add.  covers same-sign (add) and subtract
-            # special-casing when mantissas are greater or equal, to
-            # give greatest accuracy.
-
-            with m.State("add_0"):
-                m.next = "add_1"
-                m.d.sync += z.e.eq(a.e)
-                # same-sign (both negative or both positive) add mantissas
-                with m.If(a.s == b.s):
-                    m.d.sync += [
-                        tot.eq(a.m + b.m),
-                        z.s.eq(a.s)
-                    ]
-                # a mantissa greater than b, use a
-                with m.Elif(a.m >= b.m):
-                    m.d.sync += [
-                        tot.eq(a.m - b.m),
-                        z.s.eq(a.s)
+        get = self.add_state(FPGet2Op("get_ops", "special_cases",
+                                      self.in_a, self.in_b, self.width))
+        get.setup(m, self.in_a, self.in_b, self.in_t.stb, self.in_t.ack)
+        a = get.out_op1
+        b = get.out_op2
+
+        sc = self.add_state(FPAddSpecialCases(self.width, self.id_wid))
+        sc.setup(m, a, b, self.in_mid)
+
+        dn = self.add_state(FPAddDeNorm(self.width, self.id_wid))
+        dn.setup(m, a, b, sc.in_mid)
+
+        if self.single_cycle:
+            alm = self.add_state(FPAddAlignSingle(self.width, self.id_wid))
+            alm.setup(m, dn.out_a, dn.out_b, dn.in_mid)
+        else:
+            alm = self.add_state(FPAddAlignMulti(self.width, self.id_wid))
+            alm.setup(m, dn.out_a, dn.out_b, dn.in_mid)
+
+        add0 = self.add_state(FPAddStage0(self.width, self.id_wid))
+        add0.setup(m, alm.out_a, alm.out_b, alm.in_mid)
+
+        add1 = self.add_state(FPAddStage1(self.width, self.id_wid))
+        add1.setup(m, add0.out_tot, add0.out_z, add0.in_mid)
+
+        if self.single_cycle:
+            n1 = self.add_state(FPNorm1Single(self.width, self.id_wid))
+            n1.setup(m, add1.out_z, add1.out_of, add0.in_mid)
+        else:
+            n1 = self.add_state(FPNorm1Multi(self.width, self.id_wid))
+            n1.setup(m, add1.out_z, add1.out_of, add1.norm_stb, add0.in_mid)
+
+        rn = self.add_state(FPRound(self.width, self.id_wid))
+        rn.setup(m, n1.out_z, n1.out_roundz, n1.in_mid)
+
+        cor = self.add_state(FPCorrections(self.width, self.id_wid))
+        cor.setup(m, rn.out_z, rn.in_mid)
+
+        pa = self.add_state(FPPack(self.width, self.id_wid))
+        pa.setup(m, cor.out_z, rn.in_mid)
+
+        ppz = self.add_state(FPPutZ("pack_put_z", pa.out_z, self.out_z,
+                                    pa.in_mid, self.out_mid))
+
+        pz = self.add_state(FPPutZ("put_z", sc.out_z, self.out_z,
+                                    pa.in_mid, self.out_mid))
+
+    def get_compact_fragment(self, m, platform=None):
+
+        get = self.add_state(FPGet2Op("get_ops", "special_cases",
+                                      self.in_a, self.in_b, self.width))
+        get.setup(m, self.in_a, self.in_b, self.in_t.stb, self.in_t.ack)
+        a = get.out_op1
+        b = get.out_op2
+
+        sc = self.add_state(FPAddSpecialCasesDeNorm(self.width, self.id_wid))
+        sc.setup(m, a, b, self.in_mid)
+
+        alm = self.add_state(FPAddAlignSingleAdd(self.width, self.id_wid))
+        alm.setup(m, sc.o.a, sc.o.b, sc.in_mid)
+
+        n1 = self.add_state(FPNormToPack(self.width, self.id_wid))
+        n1.setup(m, alm.a1o.z, alm.a1o.of, alm.in_mid)
+
+        ppz = self.add_state(FPPutZ("pack_put_z", n1.out_z, self.out_z,
+                                    n1.in_mid, self.out_mid))
+
+        pz = self.add_state(FPPutZ("put_z", sc.out_z, self.out_z,
+                                    sc.in_mid, self.out_mid))
+
+
+class FPADDBase(FPState, FPID):
+
+    def __init__(self, width, id_wid=None, single_cycle=False):
+        """ IEEE754 FP Add
+
+            * width: bit-width of IEEE754.  supported: 16, 32, 64
+            * id_wid: an identifier that is sync-connected to the input
+            * single_cycle: True indicates each stage to complete in 1 clock
+        """
+        FPID.__init__(self, id_wid)
+        FPState.__init__(self, "fpadd")
+        self.width = width
+        self.single_cycle = single_cycle
+        self.mod = FPADDBaseMod(width, id_wid, single_cycle)
+
+        self.in_t = Trigger()
+        self.in_a  = Signal(width)
+        self.in_b  = Signal(width)
+        #self.out_z = FPOp(width)
+
+        self.z_done = Signal(reset_less=True) # connects to out_z Strobe
+        self.in_accept = Signal(reset_less=True)
+        self.add_stb = Signal(reset_less=True)
+        self.add_ack = Signal(reset=0, reset_less=True)
+
+    def setup(self, m, a, b, add_stb, in_mid, out_z, out_mid):
+        self.out_z = out_z
+        self.out_mid = out_mid
+        m.d.comb += [self.in_a.eq(a),
+                     self.in_b.eq(b),
+                     self.mod.in_a.eq(self.in_a),
+                     self.mod.in_b.eq(self.in_b),
+                     self.in_mid.eq(in_mid),
+                     self.mod.in_mid.eq(self.in_mid),
+                     self.z_done.eq(self.mod.out_z.trigger),
+                     #self.add_stb.eq(add_stb),
+                     self.mod.in_t.stb.eq(self.in_t.stb),
+                     self.in_t.ack.eq(self.mod.in_t.ack),
+                     self.out_mid.eq(self.mod.out_mid),
+                     self.out_z.v.eq(self.mod.out_z.v),
+                     self.out_z.stb.eq(self.mod.out_z.stb),
+                     self.mod.out_z.ack.eq(self.out_z.ack),
                     ]
-                # b mantissa greater than a, use b
-                with m.Else():
-                    m.d.sync += [
-                        tot.eq(b.m - a.m),
-                        z.s.eq(b.s)
-                ]
 
-            # ******
-            # Second stage of add: preparation for normalisation.
-            # detects when tot sum is too big (tot[27] is kinda a carry bit)
-
-            with m.State("add_1"):
-                m.next = "normalise_1"
-                # tot[27] gets set when the sum overflows. shift result down
-                with m.If(tot[27]):
-                    m.d.sync += [
-                        z.m.eq(tot[4:28]),
-                        of.guard.eq(tot[3]),
-                        of.round_bit.eq(tot[2]),
-                        of.sticky.eq(tot[1] | tot[0]),
-                        z.e.eq(z.e + 1)
-                ]
-                # tot[27] zero case
-                with m.Else():
-                    m.d.sync += [
-                        z.m.eq(tot[3:27]),
-                        of.guard.eq(tot[2]),
-                        of.round_bit.eq(tot[1]),
-                        of.sticky.eq(tot[0])
+        m.d.sync += self.add_stb.eq(add_stb)
+        m.d.sync += self.add_ack.eq(0) # sets to zero when not in active state
+        m.d.sync += self.out_z.ack.eq(0) # likewise
+        #m.d.sync += self.in_t.stb.eq(0)
+
+        m.submodules.fpadd = self.mod
+
+    def action(self, m):
+
+        # in_accept is set on incoming strobe HIGH and ack LOW.
+        m.d.comb += self.in_accept.eq((~self.add_ack) & (self.add_stb))
+
+        #with m.If(self.in_t.ack):
+        #    m.d.sync += self.in_t.stb.eq(0)
+        with m.If(~self.z_done):
+            # not done: test for accepting an incoming operand pair
+            with m.If(self.in_accept):
+                m.d.sync += [
+                    self.add_ack.eq(1), # acknowledge receipt...
+                    self.in_t.stb.eq(1), # initiate add
                 ]
+            with m.Else():
+                m.d.sync += [self.add_ack.eq(0),
+                             self.in_t.stb.eq(0),
+                             self.out_z.ack.eq(1),
+                            ]
+        with m.Else():
+            # done: acknowledge, and write out id and value
+            m.d.sync += [self.add_ack.eq(1),
+                         self.in_t.stb.eq(0)
+                        ]
+            m.next = "put_z"
 
-            # ******
-            # First stage of normalisation.
-            # NOTE: just like "align", this one keeps going round every clock
-            #       until the result's exponent is within acceptable "range"
-            # NOTE: the weirdness of reassigning guard and round is due to
-            #       the extra mantissa bits coming from tot[0..2]
+            return
 
-            with m.State("normalise_1"):
-                self.normalise_1(m, z, of, "normalise_2")
+            if self.in_mid is not None:
+                m.d.sync += self.out_mid.eq(self.mod.out_mid)
 
-            # ******
-            # Second stage of normalisation.
-            # NOTE: just like "align", this one keeps going round every clock
-            #       until the result's exponent is within acceptable "range"
-            # NOTE: the weirdness of reassigning guard and round is due to
-            #       the extra mantissa bits coming from tot[0..2]
+            m.d.sync += [
+              self.out_z.v.eq(self.mod.out_z.v)
+            ]
+            # move to output state on detecting z ack
+            with m.If(self.out_z.trigger):
+                m.d.sync += self.out_z.stb.eq(0)
+                m.next = "put_z"
+            with m.Else():
+                m.d.sync += self.out_z.stb.eq(1)
+
+class ResArray:
+    def __init__(self, width, id_wid):
+        self.width = width
+        self.id_wid = id_wid
+        res = []
+        for i in range(rs_sz):
+            out_z = FPOp(width)
+            out_z.name = "out_z_%d" % i
+            res.append(out_z)
+        self.res = Array(res)
+        self.in_z = FPOp(width)
+        self.in_mid = Signal(self.id_wid, reset_less=True)
+
+    def setup(self, m, in_z, in_mid):
+        m.d.comb += [self.in_z.eq(in_z),
+                     self.in_mid.eq(in_mid)]
 
-            with m.State("normalise_2"):
-                self.normalise_2(m, z, of, "round")
+    def get_fragment(self, platform=None):
+        """ creates the HDL code-fragment for FPAdd
+        """
+        m = Module()
+        m.submodules.res_in_z = self.in_z
+        m.submodules += self.res
 
-            # ******
-            # rounding stage
+        return m
 
-            with m.State("round"):
-                self.round(m, z, of, "corrections")
+    def ports(self):
+        res = []
+        for z in self.res:
+            res += z.ports()
+        return res
+
+
+class FPADD(FPID):
+    """ FPADD: stages as follows:
+
+        FPGetOp (a)
+           |
+        FPGetOp (b)
+           |
+        FPAddBase---> FPAddBaseMod
+           |            |
+        PutZ          GetOps->Specials->Align->Add1/2->Norm->Round/Pack->PutZ
+
+        FPAddBase is tricky: it is both a stage and *has* stages.
+        Connection to FPAddBaseMod therefore requires an in stb/ack
+        and an out stb/ack.  Just as with Add1-Norm1 interaction, FPGetOp
+        needs to be the thing that raises the incoming stb.
+    """
 
-            # ******
-            # correction stage
+    def __init__(self, width, id_wid=None, single_cycle=False, rs_sz=2):
+        """ IEEE754 FP Add
 
-            with m.State("corrections"):
-                self.corrections(m, z, "pack")
+            * width: bit-width of IEEE754.  supported: 16, 32, 64
+            * id_wid: an identifier that is sync-connected to the input
+            * single_cycle: True indicates each stage to complete in 1 clock
+        """
+        self.width = width
+        self.id_wid = id_wid
+        self.single_cycle = single_cycle
+
+        #self.out_z = FPOp(width)
+        self.ids = FPID(id_wid)
+
+        rs = []
+        for i in range(rs_sz):
+            in_a  = FPOp(width)
+            in_b  = FPOp(width)
+            in_a.name = "in_a_%d" % i
+            in_b.name = "in_b_%d" % i
+            rs.append((in_a, in_b))
+        self.rs = Array(rs)
+
+        res = []
+        for i in range(rs_sz):
+            out_z = FPOp(width)
+            out_z.name = "out_z_%d" % i
+            res.append(out_z)
+        self.res = Array(res)
+
+        self.states = []
+
+    def add_state(self, state):
+        self.states.append(state)
+        return state
+
+    def get_fragment(self, platform=None):
+        """ creates the HDL code-fragment for FPAdd
+        """
+        m = Module()
+        m.submodules += self.rs
 
-            # ******
-            # pack stage
+        in_a = self.rs[0][0]
+        in_b = self.rs[0][1]
 
-            with m.State("pack"):
-                self.pack(m, z, "put_z")
+        out_z = FPOp(self.width)
+        out_mid = Signal(self.id_wid, reset_less=True)
+        m.submodules.out_z = out_z
 
-            # ******
-            # put_z stage
+        geta = self.add_state(FPGetOp("get_a", "get_b",
+                                      in_a, self.width))
+        geta.setup(m, in_a)
+        a = geta.out_op
+
+        getb = self.add_state(FPGetOp("get_b", "fpadd",
+                                      in_b, self.width))
+        getb.setup(m, in_b)
+        b = getb.out_op
+
+        ab = FPADDBase(self.width, self.id_wid, self.single_cycle)
+        ab = self.add_state(ab)
+        ab.setup(m, a, b, getb.out_decode, self.ids.in_mid,
+                 out_z, out_mid)
+
+        pz = self.add_state(FPPutZIdx("put_z", ab.out_z, self.res,
+                                    out_mid, "get_a"))
+
+        with m.FSM() as fsm:
 
-            with m.State("put_z"):
-                self.put_z(m, z, self.out_z, "get_a")
+            for state in self.states:
+                with m.State(state.state_from):
+                    state.action(m)
 
         return m
 
 
 if __name__ == "__main__":
-    alu = FPADD(width=32)
-    main(alu, ports=alu.in_a.ports() + alu.in_b.ports() + alu.out_z.ports())
+    if True:
+        alu = FPADD(width=32, id_wid=5, single_cycle=True)
+        main(alu, ports=alu.rs[0][0].ports() + \
+                        alu.rs[0][1].ports() + \
+                        alu.res[0].ports() + \
+                        [alu.ids.in_mid, alu.ids.out_mid])
+    else:
+        alu = FPADDBase(width=32, id_wid=5, single_cycle=True)
+        main(alu, ports=[alu.in_a, alu.in_b] + \
+                        alu.in_t.ports() + \
+                        alu.out_z.ports() + \
+                        [alu.in_mid, alu.out_mid])
 
 
     # works... but don't use, just do "python fname.py convert -t v"