add Makefile for verilog compilation
[rv32.git] / cpu.py
diff --git a/cpu.py b/cpu.py
index bdf234d742d833038a1cca4b209f71b5aa5093b3..29cbe574a8e266a5e5b4c30a666a123696d3e3a4 100644 (file)
--- a/cpu.py
+++ b/cpu.py
@@ -58,46 +58,18 @@ class Decoder:
     opcode = Signal(7, name="decoder_opcode")
     act = Signal(decode_action, name="decoder_action")
 
+
 class MStatus:
     def __init__(self, comb, sync):
         self.comb = comb
         self.sync = sync
         self.mpie = Signal(name="mstatus_mpie")
         self.mie = Signal(name="mstatus_mie")
-        self.mprv = Signal(name="mstatus_mprv")
-        self.tsr = Signal(name="mstatus_tsr")
-        self.tw = Signal(name="mstatus_tw")
-        self.tvm = Signal(name="mstatus_tvm")
-        self.mxr = Signal(name="mstatus_mxr")
-        self._sum = Signal(name="mstatus_sum")
-        self.xs = Signal(name="mstatus_xs")
-        self.fs = Signal(name="mstatus_fs")
-        self.mpp = Signal(2, name="mstatus_mpp")
-        self.spp = Signal(name="mstatus_spp")
-        self.spie = Signal(name="mstatus_spie")
-        self.upie = Signal(name="mstatus_upie")
-        self.sie = Signal(name="mstatus_sie")
-        self.uie = Signal(name="mstatus_uie")
-
-        for n in dir(self):
-            if n in ['make', 'mpp', 'comb', 'sync'] or n.startswith("_"):
-                continue
-            self.comb += getattr(self, n).eq(0x0)
-        self.comb += self.mpp.eq(0b11)
+        self.mstatus = Signal(32, name="mstatus")
 
         self.sync += self.mie.eq(0)
         self.sync += self.mpie.eq(0)
-
-    def make(self):
-        return Cat(
-                self.uie, self.sie, Constant(0), self.mie,
-                self.upie, self.spie, Constant(0), self.mpie,
-                self.spp, Constant(0, 2), self.mpp,
-                self.fs, self.xs, self.mprv, self._sum,
-                self.mxr, self.tvm, self.tw, self.tsr,
-                Constant(0, 8),
-                (self.xs == Constant(0b11, 2)) | (self.fs == Constant(0b11, 2))
-                )
+        self.sync += self.mstatus.eq(0)
 
 
 class MIE:
@@ -107,51 +79,12 @@ class MIE:
         self.meie = Signal(name="mie_meie")
         self.mtie = Signal(name="mie_mtie")
         self.msie = Signal(name="mie_msie")
-        self.seie = Signal(name="mie_seie")
-        self.ueie = Signal(name="mie_ueie")
-        self.stie = Signal(name="mie_stie")
-        self.utie = Signal(name="mie_utie")
-        self.ssie = Signal(name="mie_ssie")
-        self.usie = Signal(name="mie_usie")
-
-        for n in dir(self):
-            if n in ['make', 'comb', 'sync'] or n.startswith("_"):
-                continue
-            self.comb += getattr(self, n).eq(0x0)
-
-        self.sync += self.meie.eq(0)
-        self.sync += self.mtie.eq(0)
-        self.sync += self.msie.eq(0)
-
-    def make(self):
-        return Cat( self.usie, self.ssie, 0, self.msie,
-                    self.utie, self.stie, 0, self.mtie,
-                    self.ueie, self.seie, 0, self.meie, )
+        self.mie = Signal(32)
 
 
 class MIP:
-    def __init__(self, comb, sync):
-        self.comb = comb
-        self.sync = sync
-        self.meip = Signal(name="mip_meip") # TODO: implement ext interrupts
-        self.seip = Signal(name="mip_seip")
-        self.ueip = Signal(name="mip_uiep")
-        self.mtip = Signal(name="mip_mtip") # TODO: implement timer interrupts
-        self.stip = Signal(name="mip_stip")
-        self.msip = Signal(name="mip_stip")
-        self.utip = Signal(name="mip_utip")
-        self.ssip = Signal(name="mip_ssip")
-        self.usip = Signal(name="mip_usip")
-
-        for n in dir(self):
-            if n in ['make', 'comb', 'sync'] or n.startswith("_"):
-                continue
-            self.comb += getattr(self, n).eq(0x0)
-
-    def make(self):
-        return Cat( self.usip, self.ssip, 0, self.msip,
-                    self.utip, self.stip, 0, self.mtip,
-                    self.ueip, self.seip, 0, self.meip, )
+    def __init__(self):
+        self.mip = Signal(32)
 
 
 class M:
@@ -290,16 +223,6 @@ class CPU(Module):
     """
     """
 
-    def get_ls_misaligned(self, ls, funct3, load_store_address_low_2):
-        """ returns whether a load/store is misaligned
-        """
-        return Case(funct3[:2],
-                { F3.sb: ls.eq(Constant(0)),
-                  F3.sh: ls.eq(load_store_address_low_2[0] != 0),
-                  F3.sw: ls.eq(load_store_address_low_2[0:2] != Constant(0, 2)),
-                  "default": ls.eq(Constant(1))
-                })
-
     def get_lsbm(self, dc):
         return Cat(Constant(1),
                    Mux((dc.funct3[1] | dc.funct3[0]),
@@ -312,52 +235,11 @@ class CPU(Module):
     #    return [m.mcause.eq(0),
     #            ]
 
-    def handle_trap(self, m, ms, ft, dc, load_store_misaligned):
-        s = [ms.mpie.eq(ms.mie),
-             ms.mie.eq(0),
-             m.mepc.eq(Mux(ft.action == FA.noerror_trap,
-                           ft.output_pc + 4,
-                           ft.output_pc))]
-
-        # fetch action ack trap
-        i = If(ft.action == FA.ack_trap,
-                m.mcause.eq(cause_instruction_access_fault)
-              )
-
-        # ecall/ebreak
-        i = i.Elif((dc.act & DA.trap_ecall_ebreak) != 0,
-                m.mcause.eq(Mux(dc.immediate[0],
-                                cause_machine_environment_call,
-                                cause_breakpoint))
-              )
-
-        # load
-        i = i.Elif((dc.act & DA.load) != 0,
-                If(load_store_misaligned,
-                    m.mcause.eq(cause_load_address_misaligned)
-                ).Else(
-                    m.mcause.eq(cause_load_access_fault)
-                )
-              )
-
-        # store
-        i = i.Elif((dc.act & DA.store) != 0,
-                If(load_store_misaligned,
-                    m.mcause.eq(cause_store_amo_address_misaligned)
-                ).Else(
-                    m.mcause.eq(cause_store_amo_access_fault)
-                )
-              )
-
-        # jal/jalr -> misaligned=error, otherwise jump
-        i = i.Elif((dc.act & (DA.jal | DA.jalr | DA.branch)) != 0,
-                m.mcause.eq(cause_instruction_address_misaligned)
-              )
-
-        # defaults to illegal instruction
-        i = i.Else(m.mcause.eq(cause_illegal_instruction))
-
-        s.append(i)
+    def handle_trap(self, mcause, mepc, mie, mpie):
+        s = [mcause.eq(self.new_mcause),
+             mepc.eq(self.new_mepc),
+             mpie.eq(self.new_mpie),
+             mie.eq(self.new_mie)]
         return s
 
     def main_block(self, mtvec, mip, minfo, misa, csr, mi, m, mstatus, mie,
@@ -367,15 +249,17 @@ class CPU(Module):
                          lui_auipc_result):
         c = {}
         c[FOS.empty] = []
-        c[FOS.trap] = self.handle_trap(m, mstatus, ft, dc,
-                                       load_store_misaligned)
+        c[FOS.trap] = self.handle_trap(m.mcause, m.mepc,
+                                       mstatus.mie, mstatus.mpie)
         c[FOS.valid] = self.handle_valid(mtvec, mip, minfo, misa, csr, mi, m,
                                        mstatus, mie, ft, dc,
                                        load_store_misaligned,
                                        loaded_value,
                                        alu_result,
                                        lui_auipc_result)
-        return Case(ft.output_state, c)
+        return [self.regs.w_en.eq(0),
+                Case(ft.output_state, c),
+                self.regs.w_en.eq(0)]
 
     def write_register(self, rd, val):
         return [self.regs.rd.eq(rd),
@@ -390,10 +274,7 @@ class CPU(Module):
                            lui_auipc_result):
         # fetch action ack trap
         i = If((ft.action == FA.ack_trap) | (ft.action == FA.noerror_trap),
-                [self.handle_trap(m, mstatus, ft, dc,
-                                       load_store_misaligned),
-                 self.regs.w_en.eq(0) # no writing to registers
-                ]
+                self.handle_trap(m.mcause, m.mepc, mstatus.mie, mstatus.mpie)
               )
 
         # load
@@ -427,7 +308,6 @@ class CPU(Module):
         i = i.Elif((dc.act & (DA.fence | DA.fence_i |
                               DA.store | DA.branch)) != 0,
                 # do nothing
-               self.regs.w_en.eq(0) # no writing to registers
               )
 
         return i
@@ -455,7 +335,7 @@ class CPU(Module):
         c[csr_misa     ] = csr_output_value.eq(misa.misa)
         # mstatus
         c[csr_mstatus  ] = [
-            csr_output_value.eq(mstatus.make()),
+            csr_output_value.eq(mstatus.mstatus),
             csr.evaluate_csr_funct3_op(dc.funct3, csr_output_value,
                                                   csr_written_value),
             mstatus.mpie.eq(csr_written_value[7]),
@@ -463,7 +343,7 @@ class CPU(Module):
         ]
         # mie
         c[csr_mie      ] = [
-            csr_output_value.eq(mie.make()),
+            csr_output_value.eq(mie.mie),
             csr.evaluate_csr_funct3_op(dc.funct3, csr_output_value,
                                                   csr_written_value),
             mie.meie.eq(csr_written_value[11]),
@@ -503,7 +383,7 @@ class CPU(Module):
 
         # mip
         c[csr_mip  ] = [
-            csr_output_value.eq(mip.make()),
+            csr_output_value.eq(mip.mip),
             csr.evaluate_csr_funct3_op(dc.funct3, csr_output_value,
                                                   csr_written_value),
         ]
@@ -513,24 +393,6 @@ class CPU(Module):
                     self.write_register(dc.rd, csr_output_value)
                 )]
 
-        """
-                `csr_mip: begin
-                    csr_output_value = 0;
-                    csr_output_value[11] = mip_meip;
-                    csr_output_value[9] = mip_seip;
-                    csr_output_value[8] = mip_ueip;
-                    csr_output_value[7] = mip_mtip;
-                    csr_output_value[5] = mip_stip;
-                    csr_output_value[4] = mip_utip;
-                    csr_output_value[3] = mip_msip;
-                    csr_output_value[1] = mip_ssip;
-                    csr_output_value[0] = mip_usip;
-                end
-                endcase
-        end
-        endcase
-    end
-        """
     def __init__(self):
         Module.__init__(self)
         self.clk = ClockSignal()
@@ -632,16 +494,23 @@ class CPU(Module):
 
         load_store_address = Signal(32)
         load_store_address_low_2 = Signal(2)
-
-        self.comb += load_store_address.eq(dc.immediate + self.regs.rs1)
-        self.comb += load_store_address_low_2.eq(
-                            dc.immediate[:2] + self.regs.rs1[:2])
-
         load_store_misaligned = Signal()
+        unmasked_loaded_value = Signal(32)
+        loaded_value = Signal(32)
+
+        lsc = Instance("CPULoadStoreCalc", name="cpu_loadstore_calc",
+            i_dc_immediate = dc.immediate,
+            i_dc_funct3 = dc.funct3,
+            i_rs1 = self.regs.rs1,
+            i_rs2 = self.regs.rs2,
+            i_rw_data_in = mi.rw_data_in,
+            i_rw_data_out = mi.rw_data_out,
+            o_load_store_address = load_store_address,
+            o_load_store_address_low_2 = load_store_address_low_2,
+            o_load_store_misaligned = load_store_misaligned,
+            o_loaded_value = loaded_value)
 
-        lsa = self.get_ls_misaligned(load_store_misaligned, dc.funct3,
-                                     load_store_address_low_2)
-        self.comb += lsa
+        self.specials += lsc
 
         # XXX rwaddr not 31:2 any more
         self.comb += mi.rw_address.eq(load_store_address[2:])
@@ -656,50 +525,6 @@ class CPU(Module):
                 _Operator("<<", [unshifted_load_store_byte_mask,
                                         load_store_address_low_2]))
 
-        # XXX not obvious
-        b3 = Mux(load_store_address_low_2[1],
-                 Mux(load_store_address_low_2[0], self.regs.rs2[0:8],
-                                                  self.regs.rs2[8:16]),
-                 Mux(load_store_address_low_2[0], self.regs.rs2[16:24],
-                                                  self.regs.rs2[24:32]))
-        b2 = Mux(load_store_address_low_2[1], self.regs.rs2[0:8],
-                                              self.regs.rs2[16:24])
-        b1 = Mux(load_store_address_low_2[0], self.regs.rs2[0:8],
-                                              self.regs.rs2[8:16])
-        b0 = self.regs.rs2[0:8]
-
-        self.comb += mi.rw_data_in.eq(Cat(b0, b1, b2, b3))
-
-        # XXX not obvious
-        unmasked_loaded_value = Signal(32)
-
-        b0 = Mux(load_store_address_low_2[1],
-                 Mux(load_store_address_low_2[0], mi.rw_data_out[24:32],
-                                                  mi.rw_data_out[16:24]),
-                 Mux(load_store_address_low_2[0], mi.rw_data_out[15:8],
-                                                  mi.rw_data_out[0:8]))
-        b1 = Mux(load_store_address_low_2[1], mi.rw_data_out[24:31],
-                                              mi.rw_data_out[8:16])
-        b23 = mi.rw_data_out[16:32]
-
-        self.comb += unmasked_loaded_value.eq(Cat(b0, b1, b23))
-
-        # XXX not obvious
-        loaded_value = Signal(32)
-
-        b0 = unmasked_loaded_value[0:8]
-        b1 = Mux(dc.funct3[0:2] == 0,
-                Replicate(~dc.funct3[2] & unmasked_loaded_value[7], 8),
-                unmasked_loaded_value[8:16])
-        b2 = Mux(dc.funct3[1] == 0,
-                Replicate(~dc.funct3[2] &
-                           Mux(dc.funct3[0], unmasked_loaded_value[15],
-                                                  unmasked_loaded_value[7]),
-                          16),
-                unmasked_loaded_value[16:32])
-
-        self.comb += loaded_value.eq(Cat(b0, b1, b2))
-
         self.comb += mi.rw_active.eq(~self.reset
                         & (ft.output_state == FOS.valid)
                         & ~load_store_misaligned
@@ -757,7 +582,27 @@ class CPU(Module):
         mstatus = MStatus(self.comb, self.sync)
         mie = MIE(self.comb, self.sync)
         misa = Misa(self.comb, self.sync)
-        mip = MIP(self.comb, self.sync)
+        mip = MIP()
+
+        mp = Instance("CPUMIP", name="cpu_mip",
+            o_mip = mip.mip)
+
+        self.specials += mp
+
+        mii = Instance("CPUMIE", name="cpu_mie",
+            o_mie = mie.mie,
+            i_meie = mie.meie,
+            i_mtie = mie.mtie,
+            i_msie = mie.msie)
+
+        self.specials += mii
+
+        ms = Instance("CPUMStatus", name="cpu_mstatus",
+            o_mstatus = mstatus.mstatus,
+            i_mpie = mstatus.mpie,
+            i_mie = mstatus.mie)
+
+        self.specials += ms
 
         # CSR decoding
         csr = CSR(self.comb, self.sync, dc, self.regs.rs1)
@@ -777,6 +622,25 @@ class CPU(Module):
 
         minfo = MInfo(self.comb)
 
+        self.new_mcause = Signal(32)
+        self.new_mepc = Signal(32)
+        self.new_mpie = Signal()
+        self.new_mie = Signal()
+
+        ht = Instance("CPUHandleTrap", "cpu_handle_trap",
+                      i_ft_action = ft.action,
+                      i_ft_output_pc = ft.output_pc,
+                      i_dc_action = dc.act,
+                      i_dc_immediate = dc.immediate,
+                      i_load_store_misaligned = load_store_misaligned,
+                      i_mie = mstatus.mie,
+                      o_mcause = self.new_mcause,
+                      o_mepc = self.new_mepc,
+                      o_mpie = self.new_mpie,
+                      o_mie = self.new_mie)
+
+        self.specials += ht
+
         self.sync += If(~self.reset,
                         self.main_block(mtvec, mip, minfo, misa, csr, mi, m,
                                         mstatus, mie, ft, dc,