Allow the formal engine to perform a same-cycle result in the ALU
[soc.git] / src / soc / decoder / isa / radixmmu.py
index 8b716aa55355713dad482a64cba8376dfd151f52..7f43ae697ed125fc18f0b8f9f04b90b380d99dc9 100644 (file)
@@ -1,535 +1,5 @@
-# SPDX-License-Identifier: LGPLv3+
-# Copyright (C) 2020, 2021 Luke Kenneth Casson Leighton <lkcl@lkcl.net>
-# Copyright (C) 2021 Tobias Platen
-# Funded by NLnet http://nlnet.nl
-"""core of the python-based POWER9 simulator
+# moved to openpower-isa
+# https://git.libre-soc.org/?p=openpower-isa.git;a=summary
+# wildcard imports here ONLY to support migration
 
-this is part of a cycle-accurate POWER9 simulator.  its primary purpose is
-not speed, it is for both learning and educational purposes, as well as
-a method of verifying the HDL.
-
-related bugs:
-
-* https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=604
-"""
-
-from nmigen.back.pysim import Settle
-from copy import copy
-from soc.decoder.selectable_int import (FieldSelectableInt, SelectableInt,
-                                        selectconcat)
-from soc.decoder.helpers import exts, gtu, ltu, undefined
-from soc.decoder.isa.mem import Mem
-
-import math
-import sys
-
-# very quick, TODO move to SelectableInt utils later
-def genmask(shift, size):
-    res = SelectableInt(0, size)
-    for i in range(size):
-        if i < shift:
-            res[size-1-i] = SelectableInt(1, 1)
-    return res
-
-"""
-    Get Root Page
-
-    //Accessing 2nd double word of partition table (pate1)
-    //Ref: Power ISA Manual v3.0B, Book-III, section 5.7.6.1
-    //           PTCR Layout
-    // ====================================================
-    // -----------------------------------------------
-    // | /// |     PATB                | /// | PATS  |
-    // -----------------------------------------------
-    // 0     4                       51 52 58 59    63
-    // PATB[4:51] holds the base address of the Partition Table,
-    // right shifted by 12 bits.
-    // This is because the address of the Partition base is
-    // 4k aligned. Hence, the lower 12bits, which are always
-    // 0 are ommitted from the PTCR.
-    //
-    // Thus, The Partition Table Base is obtained by (PATB << 12)
-    //
-    // PATS represents the partition table size right-shifted by 12 bits.
-    // The minimal size of the partition table is 4k.
-    // Thus partition table size = (1 << PATS + 12).
-    //
-    //        Partition Table
-    //  ====================================================
-    //  0    PATE0            63  PATE1             127
-    //  |----------------------|----------------------|
-    //  |                      |                      |
-    //  |----------------------|----------------------|
-    //  |                      |                      |
-    //  |----------------------|----------------------|
-    //  |                      |                      | <-- effLPID
-    //  |----------------------|----------------------|
-    //           .
-    //           .
-    //           .
-    //  |----------------------|----------------------|
-    //  |                      |                      |
-    //  |----------------------|----------------------|
-    //
-    // The effective LPID  forms the index into the Partition Table.
-    //
-    // Each entry in the partition table contains 2 double words, PATE0, PATE1,
-    // corresponding to that partition.
-    //
-    // In case of Radix, The structure of PATE0 and PATE1 is as follows.
-    //
-    //     PATE0 Layout
-    // -----------------------------------------------
-    // |1|RTS1|/|     RPDB          | RTS2 |  RPDS   |
-    // -----------------------------------------------
-    //  0 1  2 3 4                55 56  58 59      63
-    //
-    // HR[0] : For Radix Page table, first bit should be 1.
-    // RTS1[1:2] : Gives one fragment of the Radix treesize
-    // RTS2[56:58] : Gives the second fragment of the Radix Tree size.
-    // RTS = (RTS1 << 3 + RTS2) + 31.
-    //
-    // RPDB[4:55] = Root Page Directory Base.
-    // RPDS = Logarithm of Root Page Directory Size right shifted by 3.
-    //        Thus, Root page directory size = 1 << (RPDS + 3).
-    //        Note: RPDS >= 5.
-    //
-    //   PATE1 Layout
-    // -----------------------------------------------
-    // |///|       PRTB             |  //  |  PRTS   |
-    // -----------------------------------------------
-    // 0  3 4                     51 52  58 59     63
-    //
-    // PRTB[4:51]   = Process Table Base. This is aligned to size.
-    // PRTS[59: 63] = Process Table Size right shifted by 12.
-    //                Minimal size of the process table is 4k.
-    //                Process Table Size = (1 << PRTS + 12).
-    //                Note: PRTS <= 24.
-    //
-    //                Computing the size aligned Process Table Base:
-    //                   table_base = (PRTB  & ~((1 << PRTS) - 1)) << 12
-    //                Thus, the lower 12+PRTS bits of table_base will
-    //                be zero.
-
-
-    //Ref: Power ISA Manual v3.0B, Book-III, section 5.7.6.2
-    //
-    //        Process Table
-    // ==========================
-    //  0    PRTE0            63  PRTE1             127
-    //  |----------------------|----------------------|
-    //  |                      |                      |
-    //  |----------------------|----------------------|
-    //  |                      |                      |
-    //  |----------------------|----------------------|
-    //  |                      |                      | <-- effPID
-    //  |----------------------|----------------------|
-    //           .
-    //           .
-    //           .
-    //  |----------------------|----------------------|
-    //  |                      |                      |
-    //  |----------------------|----------------------|
-    //
-    // The effective Process id (PID) forms the index into the Process Table.
-    //
-    // Each entry in the partition table contains 2 double words, PRTE0, PRTE1,
-    // corresponding to that process
-    //
-    // In case of Radix, The structure of PRTE0 and PRTE1 is as follows.
-    //
-    //     PRTE0 Layout
-    // -----------------------------------------------
-    // |/|RTS1|/|     RPDB          | RTS2 |  RPDS   |
-    // -----------------------------------------------
-    //  0 1  2 3 4                55 56  58 59      63
-    //
-    // RTS1[1:2] : Gives one fragment of the Radix treesize
-    // RTS2[56:58] : Gives the second fragment of the Radix Tree size.
-    // RTS = (RTS1 << 3 + RTS2) << 31,
-    //        since minimal Radix Tree size is 4G.
-    //
-    // RPDB = Root Page Directory Base.
-    // RPDS = Root Page Directory Size right shifted by 3.
-    //        Thus, Root page directory size = RPDS << 3.
-    //        Note: RPDS >= 5.
-    //
-    //   PRTE1 Layout
-    // -----------------------------------------------
-    // |                      ///                    |
-    // -----------------------------------------------
-    // 0                                            63
-    // All bits are reserved.
-
-
-"""
-
-# see qemu/target/ppc/mmu-radix64.c for reference
-class RADIX:
-    def __init__(self, mem, caller):
-        self.mem = mem
-        self.caller = caller
-        #TODO move to lookup
-        self.dsisr = self.caller.spr["DSISR"]
-        self.dar   = self.caller.spr["DAR"]
-        self.pidr  = self.caller.spr["PIDR"]
-        self.prtbl = self.caller.spr["PRTBL"]
-
-        # cached page table stuff
-        self.pgtbl0 = 0
-        self.pt0_valid = False
-        self.pgtbl3 = 0
-        self.pt3_valid = False
-
-    def __call__(self, addr, sz):
-        val = self.ld(addr.value, sz, swap=False)
-        print("RADIX memread", addr, sz, val)
-        return SelectableInt(val, sz*8)
-
-    def ld(self, address, width=8, swap=True, check_in_mem=False):
-        print("RADIX: ld from addr 0x%x width %d" % (address, width))
-
-        mode = 'LOAD' # XXX TODO: executable load (icache)
-        addr = SelectableInt(address, 64)
-        (shift, mbits, pgbase) = self._decode_prte(addr)
-        #shift = SelectableInt(0, 32)
-
-        pte = self._walk_tree(addr, pgbase, mode, mbits, shift)
-        # use pte to caclculate phys address
-        return self.mem.ld(address, width, swap, check_in_mem)
-
-        # XXX set SPRs on error
-
-    # TODO implement
-    def st(self, address, v, width=8, swap=True):
-        print("RADIX: st to addr 0x%x width %d data %x" % (address, width, v))
-
-        mode = 'STORE'
-        addr = SelectableInt(address, 64)
-        (shift, mbits, pgbase) = self._decode_prte(addr)
-        pte = self._walk_tree(addr, pgbase, mode, mbits, shift)
-
-        # use pte to caclculate phys address (addr)
-        return self.mem.st(addr.value, v, width, swap)
-
-        # XXX set SPRs on error
-
-    def memassign(self, addr, sz, val):
-        print("memassign", addr, sz, val)
-        self.st(addr.value, val.value, sz, swap=False)
-
-    def _next_level(self):
-        return True
-        ## DSISR_R_BADCONFIG
-        ## read_entry
-        ## DSISR_NOPTE
-        ## Prepare for next iteration
-
-    def _walk_tree(self, addr, pgbase, mode, mbits, shift):
-        """walk tree
-
-        // vaddr                    64 Bit
-        // vaddr |-----------------------------------------------------|
-        //       | Unused    |  Used                                   |
-        //       |-----------|-----------------------------------------|
-        //       | 0000000   | usefulBits = X bits (typically 52)      |
-        //       |-----------|-----------------------------------------|
-        //       |           |<--Cursize---->|                         |
-        //       |           |    Index      |                         |
-        //       |           |    into Page  |                         |
-        //       |           |    Directory  |                         |
-        //       |-----------------------------------------------------|
-        //                        |                       |
-        //                        V                       |
-        // PDE  |---------------------------|             |
-        //      |V|L|//|  NLB       |///|NLS|             |
-        //      |---------------------------|             |
-        // PDE = Page Directory Entry                     |
-        // [0] = V = Valid Bit                            |
-        // [1] = L = Leaf bit. If 0, then                 |
-        // [4:55] = NLB = Next Level Base                 |
-        //                right shifted by 8              |
-        // [59:63] = NLS = Next Level Size                |
-        //            |    NLS >= 5                       |
-        //            |                                   V
-        //            |                     |--------------------------|
-        //            |                     |   usfulBits = X-Cursize  |
-        //            |                     |--------------------------|
-        //            |---------------------><--NLS-->|                |
-        //                                  | Index   |                |
-        //                                  | into    |                |
-        //                                  | PDE     |                |
-        //                                  |--------------------------|
-        //                                                    |
-        // If the next PDE obtained by                        |
-        // (NLB << 8 + 8 * index) is a                        |
-        // nonleaf, then repeat the above.                    |
-        //                                                    |
-        // If the next PDE is a leaf,                         |
-        // then Leaf PDE structure is as                      |
-        // follows                                            |
-        //                                                    |
-        //                                                    |
-        // Leaf PDE                                           |
-        // |------------------------------|           |----------------|
-        // |V|L|sw|//|RPN|sw|R|C|/|ATT|EAA|           | usefulBits     |
-        // |------------------------------|           |----------------|
-        // [0] = V = Valid Bit                                 |
-        // [1] = L = Leaf Bit = 1 if leaf                      |
-        //                      PDE                            |
-        // [2] = Sw = Sw bit 0.                                |
-        // [7:51] = RPN = Real Page Number,                    V
-        //          real_page = RPN << 12 ------------->  Logical OR
-        // [52:54] = Sw Bits 1:3                               |
-        // [55] = R = Reference                                |
-        // [56] = C = Change                                   V
-        // [58:59] = Att =                                Physical Address
-        //           0b00 = Normal Memory
-        //           0b01 = SAO
-        //           0b10 = Non Idenmpotent
-        //           0b11 = Tolerant I/O
-        // [60:63] = Encoded Access
-        //           Authority
-        //
-        """
-        # get sprs
-        print("_walk_tree")
-        pidr  = self.caller.spr["PIDR"]
-        prtbl = self.caller.spr["PRTBL"]
-        print(pidr)
-        print(prtbl)
-
-        # get address of root entry
-        prtable_addr = self._get_prtable_addr(shift, prtbl, addr, pidr)
-        print("prtable_addr",prtable_addr)
-
-        # read root entry - imcomplete
-        swap = False
-        check_in_mem = False
-        entry_width = 8
-        value = self.mem.ld(prtable_addr.value, entry_width, swap, check_in_mem)
-        print("value",value)
-
-
-        # walk tree starts on prtbl
-        while True:
-            ret = self._next_level()
-            if ret: return ret
-        # TODO fix AttributeError: 'RADIX' object has no attribute 'pid'
-
-    def _decode_prte(self, data):
-        """PRTE0 Layout
-           -----------------------------------------------
-           |/|RTS1|/|     RPDB          | RTS2 |  RPDS   |
-           -----------------------------------------------
-            0 1  2 3 4                55 56  58 59      63
-        """
-        # note that SelectableInt does big-endian!  so the indices
-        # below *directly* match the spec, unlike microwatt which
-        # has to turn them around (to LE)
-        zero = SelectableInt(0, 1)
-        rts = selectconcat(zero,
-                           data[56:59],      # RTS2
-                           data[1:3],        # RTS1
-                           )
-        masksize = data[59:64]               # RPDS
-        mbits = selectconcat(zero, masksize)
-        pgbase = selectconcat(data[8:56],  # part of RPDB
-                             SelectableInt(0, 16),)
-
-        return (rts, mbits, pgbase)
-
-    def _segment_check(self, addr, mbits, shift):
-        """checks segment valid
-                    mbits := '0' & r.mask_size;
-            v.shift := r.shift + (31 - 12) - mbits;
-            nonzero := or(r.addr(61 downto 31) and not finalmask(30 downto 0));
-            if r.addr(63) /= r.addr(62) or nonzero = '1' then
-                v.state := RADIX_FINISH;
-                v.segerror := '1';
-            elsif mbits < 5 or mbits > 16 or mbits > (r.shift + (31 - 12)) then
-                v.state := RADIX_FINISH;
-                v.badtree := '1';
-            else
-                v.state := RADIX_LOOKUP;
-        """
-        # note that SelectableInt does big-endian!  so the indices
-        # below *directly* match the spec, unlike microwatt which
-        # has to turn them around (to LE)
-        mask = genmask(shift, 44)
-        nonzero = addr[1:32] & mask[13:44] # mask 31 LSBs (BE numbered 13:44)
-        print ("RADIX _segment_check nonzero", bin(nonzero.value))
-        print ("RADIX _segment_check addr[0-1]", addr[0].value, addr[1].value)
-        if addr[0] != addr[1] or nonzero == 1:
-            return "segerror"
-        limit = shift + (31 - 12)
-        if mbits < 5 or mbits > 16 or mbits > limit:
-            return "badtree"
-        new_shift = shift + (31 - 12) - mbits
-        return new_shift
-
-    def _check_perms(self, data, priv, iside, store):
-        """check page permissions
-        // Leaf PDE                                           |
-        // |------------------------------|           |----------------|
-        // |V|L|sw|//|RPN|sw|R|C|/|ATT|EAA|           | usefulBits     |
-        // |------------------------------|           |----------------|
-        // [0] = V = Valid Bit                                 |
-        // [1] = L = Leaf Bit = 1 if leaf                      |
-        //                      PDE                            |
-        // [2] = Sw = Sw bit 0.                                |
-        // [7:51] = RPN = Real Page Number,                    V
-        //          real_page = RPN << 12 ------------->  Logical OR
-        // [52:54] = Sw Bits 1:3                               |
-        // [55] = R = Reference                                |
-        // [56] = C = Change                                   V
-        // [58:59] = Att =                                Physical Address
-        //           0b00 = Normal Memory
-        //           0b01 = SAO
-        //           0b10 = Non Idenmpotent
-        //           0b11 = Tolerant I/O
-        // [60:63] = Encoded Access
-        //           Authority
-        //
-                    -- test leaf bit
-                        -- check permissions and RC bits
-                        perm_ok := '0';
-                        if r.priv = '1' or data(3) = '0' then
-                            if r.iside = '0' then
-                                perm_ok := data(1) or (data(2) and not r.store);
-                            else
-                                -- no IAMR, so no KUEP support for now
-                                -- deny execute permission if cache inhibited
-                                perm_ok := data(0) and not data(5);
-                            end if;
-                        end if;
-                        rc_ok := data(8) and (data(7) or not r.store);
-                        if perm_ok = '1' and rc_ok = '1' then
-                            v.state := RADIX_LOAD_TLB;
-                        else
-                            v.state := RADIX_FINISH;
-                            v.perm_err := not perm_ok;
-                            -- permission error takes precedence over RC error
-                            v.rc_error := perm_ok;
-                        end if;
-        """
-        # check permissions and RC bits
-        perm_ok = 0
-        if priv == 1 or data[60] == 0:
-            if iside == 0:
-                perm_ok = data[62] | (data[61] & (store == 0))
-            # no IAMR, so no KUEP support for now
-            # deny execute permission if cache inhibited
-            perm_ok = data[63] & ~data[58]
-        rc_ok = data[55] & (data[56] | (store == 0))
-        if perm_ok == 1 and rc_ok == 1:
-            return True
-        return "perm_err" if perm_ok == 0 else "rc_err"
-
-    def _get_prtable_addr(self, shift, prtbl, addr, pid):
-        """
-        if r.addr(63) = '1' then
-            effpid := x"00000000";
-        else
-            effpid := r.pid;
-        end if;
-        x"00" & r.prtbl(55 downto 36) &
-                ((r.prtbl(35 downto 12) and not finalmask(23 downto 0)) or
-                (effpid(31 downto 8) and finalmask(23 downto 0))) &
-                effpid(7 downto 0) & "0000";
-        """
-        print ("_get_prtable_addr_", shift, prtbl, addr, pid)
-        finalmask = genmask(shift, 44)
-        finalmask24 = finalmask[20:44]
-        if addr[0].value == 1:
-            effpid = SelectableInt(0, 32)
-        else:
-            effpid = pid #self.pid # TODO, check on this
-        zero16 = SelectableInt(0, 16)
-        zero4 = SelectableInt(0, 4)
-        res = selectconcat(zero16,
-                           prtbl[8:28],                        #
-                           (prtbl[28:52] & ~finalmask24) |     #
-                           (effpid[0:24] & finalmask24),       #
-                           effpid[24:32],
-                           zero4
-                           )
-        return res
-
-    def _get_pgtable_addr(self, mask_size, pgbase, addrsh):
-        """
-        x"00" & r.pgbase(55 downto 19) &
-        ((r.pgbase(18 downto 3) and not mask) or (addrsh and mask)) &
-        "000";
-        """
-        mask16 = genmask(mask_size+5, 16)
-        zero8 = SelectableInt(0, 8)
-        zero3 = SelectableInt(0, 3)
-        res = selectconcat(zero8,
-                           pgbase[8:45],              #
-                           (prtbl[45:61] & ~mask16) | #
-                           (addrsh       & mask16),   #
-                           zero3
-                           )
-        return res
-
-    def _get_pte(self, shift, addr, pde):
-        """
-        x"00" &
-        ((r.pde(55 downto 12) and not finalmask) or
-         (r.addr(55 downto 12) and finalmask))
-        & r.pde(11 downto 0);
-        """
-        finalmask = genmask(shift, 44)
-        zero8 = SelectableInt(0, 8)
-        res = selectconcat(zero8,
-                           (pde[8:52]  & ~finalmask) | #
-                           (addr[8:52] & finalmask),   #
-                           pde[52:64],
-                           )
-        return res
-
-
-# very quick test of maskgen function (TODO, move to util later)
-if __name__ == '__main__':
-    # set up dummy minimal ISACaller
-    spr = {'DSISR': SelectableInt(0, 64),
-           'DAR': SelectableInt(0, 64),
-           'PIDR': SelectableInt(0, 64),
-           'PRTBL': SelectableInt(0, 64)
-    }
-    class ISACaller: pass
-    caller = ISACaller()
-    caller.spr = spr
-
-    shift = SelectableInt(5, 6)
-    mask = genmask(shift, 43)
-    print ("    mask", bin(mask.value))
-
-    mem = Mem(row_bytes=8)
-    mem = RADIX(mem, caller)
-    # -----------------------------------------------
-    # |/|RTS1|/|     RPDB          | RTS2 |  RPDS   |
-    # -----------------------------------------------
-    # |0|1  2|3|4                55|56  58|59     63|
-    data = SelectableInt(0, 64)
-    data[1:3] = 0b01
-    data[56:59] = 0b11
-    data[59:64] = 0b01101 # mask
-    data[55] = 1
-    (rts, mbits, pgbase) = mem._decode_prte(data)
-    print ("    rts", bin(rts.value), rts.bits)
-    print ("    mbits", bin(mbits.value), mbits.bits)
-    print ("    pgbase", hex(pgbase.value), pgbase.bits)
-    addr = SelectableInt(0x1000, 64)
-    check = mem._segment_check(addr, mbits, shift)
-    print ("    segment check", check)
-
-    print("walking tree")
-    # addr = unchanged
-    # pgbase = None 
-    mode = None
-    #mbits = None
-    shift = rts
-    result = mem._walk_tree(addr, pgbase, mode, mbits, shift)
-    print(result)
+from openpower.decoder.isa.radixmmu import *