Linux 4.6-rc6
[linux/fpc-iii.git] / arch / nios2 / kernel / insnemu.S
blob1c6b651e770d34092aa98bca2a2f4da368e2647c
1 /*
2  *  Copyright (C) 2003-2013 Altera Corporation
3  *  All rights reserved.
4  *
5  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
6  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
7  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
8  * (at your option) any later version.
9  *
10  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
11  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
12  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
13  * GNU General Public License for more details.
14  *
15  * You should have received a copy of the GNU General Public License
16  * along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
17  */
20 #include <linux/linkage.h>
21 #include <asm/entry.h>
23 .set noat
24 .set nobreak
27 * Explicitly allow the use of r1 (the assembler temporary register)
28 * within this code. This register is normally reserved for the use of
29 * the compiler.
32 ENTRY(instruction_trap)
33         ldw     r1, PT_R1(sp)           // Restore registers
34         ldw     r2, PT_R2(sp)
35         ldw     r3, PT_R3(sp)
36         ldw     r4, PT_R4(sp)
37         ldw     r5, PT_R5(sp)
38         ldw     r6, PT_R6(sp)
39         ldw     r7, PT_R7(sp)
40         ldw     r8, PT_R8(sp)
41         ldw     r9, PT_R9(sp)
42         ldw     r10, PT_R10(sp)
43         ldw     r11, PT_R11(sp)
44         ldw     r12, PT_R12(sp)
45         ldw     r13, PT_R13(sp)
46         ldw     r14, PT_R14(sp)
47         ldw     r15, PT_R15(sp)
48         ldw     ra, PT_RA(sp)
49         ldw     fp, PT_FP(sp)
50         ldw     gp, PT_GP(sp)
51         ldw     et, PT_ESTATUS(sp)
52         wrctl   estatus, et
53         ldw     ea, PT_EA(sp)
54         ldw     et, PT_SP(sp)           /* backup sp in et */
56         addi    sp, sp, PT_REGS_SIZE
58         /* INSTRUCTION EMULATION
59         *  ---------------------
60         *
61         * Nios II processors generate exceptions for unimplemented instructions.
62         * The routines below emulate these instructions.  Depending on the
63         * processor core, the only instructions that might need to be emulated
64         * are div, divu, mul, muli, mulxss, mulxsu, and mulxuu.
65         *
66         * The emulations match the instructions, except for the following
67         * limitations:
68         *
69         * 1) The emulation routines do not emulate the use of the exception
70         *    temporary register (et) as a source operand because the exception
71         *    handler already has modified it.
72         *
73         * 2) The routines do not emulate the use of the stack pointer (sp) or
74         *    the exception return address register (ea) as a destination because
75         *    modifying these registers crashes the exception handler or the
76         *    interrupted routine.
77         *
78         * Detailed Design
79         * ---------------
80         *
81         * The emulation routines expect the contents of integer registers r0-r31
82         * to be on the stack at addresses sp, 4(sp), 8(sp), ... 124(sp).  The
83         * routines retrieve source operands from the stack and modify the
84         * destination register's value on the stack prior to the end of the
85         * exception handler.  Then all registers except the destination register
86         * are restored to their previous values.
87         *
88         * The instruction that causes the exception is found at address -4(ea).
89         * The instruction's OP and OPX fields identify the operation to be
90         * performed.
91         *
92         * One instruction, muli, is an I-type instruction that is identified by
93         * an OP field of 0x24.
94         *
95         * muli   AAAAA,BBBBB,IIIIIIIIIIIIIIII,-0x24-
96         *           27    22                6      0    <-- LSB of field
97         *
98         * The remaining emulated instructions are R-type and have an OP field
99         * of 0x3a.  Their OPX fields identify them.
100         *
101         * R-type AAAAA,BBBBB,CCCCC,XXXXXX,NNNNN,-0x3a-
102         *           27    22    17     11     6      0  <-- LSB of field
103         *
104         *
105         * Opcode Encoding.  muli is identified by its OP value.  Then OPX & 0x02
106         * is used to differentiate between the division opcodes and the
107         * remaining multiplication opcodes.
108         *
109         * Instruction   OP      OPX    OPX & 0x02
110         * -----------   ----    ----   ----------
111         * muli          0x24
112         * divu          0x3a    0x24         0
113         * div           0x3a    0x25         0
114         * mul           0x3a    0x27      != 0
115         * mulxuu        0x3a    0x07      != 0
116         * mulxsu        0x3a    0x17      != 0
117         * mulxss        0x3a    0x1f      != 0
118         */
121         /*
122         * Save everything on the stack to make it easy for the emulation
123         * routines to retrieve the source register operands.
124         */
126         addi sp, sp, -128
127         stw zero, 0(sp) /* Save zero on stack to avoid special case for r0. */
128         stw r1, 4(sp)
129         stw r2,  8(sp)
130         stw r3, 12(sp)
131         stw r4, 16(sp)
132         stw r5, 20(sp)
133         stw r6, 24(sp)
134         stw r7, 28(sp)
135         stw r8, 32(sp)
136         stw r9, 36(sp)
137         stw r10, 40(sp)
138         stw r11, 44(sp)
139         stw r12, 48(sp)
140         stw r13, 52(sp)
141         stw r14, 56(sp)
142         stw r15, 60(sp)
143         stw r16, 64(sp)
144         stw r17, 68(sp)
145         stw r18, 72(sp)
146         stw r19, 76(sp)
147         stw r20, 80(sp)
148         stw r21, 84(sp)
149         stw r22, 88(sp)
150         stw r23, 92(sp)
151                 /* Don't bother to save et.  It's already been changed. */
152         rdctl r5, estatus
153         stw r5,  100(sp)
155         stw gp, 104(sp)
156         stw et, 108(sp) /* et contains previous sp value. */
157         stw fp, 112(sp)
158         stw ea, 116(sp)
159         stw ra, 120(sp)
162         /*
163         * Split the instruction into its fields.  We need 4*A, 4*B, and 4*C as
164         * offsets to the stack pointer for access to the stored register values.
165         */
166         ldw r2,-4(ea)   /* r2 = AAAAA,BBBBB,IIIIIIIIIIIIIIII,PPPPPP */
167         roli r3, r2, 7  /* r3 = BBB,IIIIIIIIIIIIIIII,PPPPPP,AAAAA,BB */
168         roli r4, r3, 3  /* r4 = IIIIIIIIIIIIIIII,PPPPPP,AAAAA,BBBBB */
169         roli r5, r4, 2  /* r5 = IIIIIIIIIIIIII,PPPPPP,AAAAA,BBBBB,II */
170         srai r4, r4, 16 /* r4 = (sign-extended) IMM16 */
171         roli r6, r5, 5  /* r6 = XXXX,NNNNN,PPPPPP,AAAAA,BBBBB,CCCCC,XX */
172         andi r2, r2, 0x3f       /* r2 = 00000000000000000000000000,PPPPPP */
173         andi r3, r3, 0x7c       /* r3 = 0000000000000000000000000,AAAAA,00 */
174         andi r5, r5, 0x7c       /* r5 = 0000000000000000000000000,BBBBB,00 */
175         andi r6, r6, 0x7c       /* r6 = 0000000000000000000000000,CCCCC,00 */
177         /* Now
178         * r2 = OP
179         * r3 = 4*A
180         * r4 = IMM16 (sign extended)
181         * r5 = 4*B
182         * r6 = 4*C
183         */
185         /*
186         * Get the operands.
187         *
188         * It is necessary to check for muli because it uses an I-type
189         * instruction format, while the other instructions are have an R-type
190         * format.
191         *
192         *  Prepare for either multiplication or division loop.
193         *  They both loop 32 times.
194         */
195         movi r14, 32
197         add  r3, r3, sp         /* r3 = address of A-operand. */
198         ldw  r3, 0(r3)          /* r3 = A-operand. */
199         movi r7, 0x24           /* muli opcode (I-type instruction format) */
200         beq r2, r7, mul_immed /* muli doesn't use the B register as a source */
202         add  r5, r5, sp         /* r5 = address of B-operand. */
203         ldw  r5, 0(r5)          /* r5 = B-operand. */
204                                 /* r4 = SSSSSSSSSSSSSSSS,-----IMM16------ */
205                                 /* IMM16 not needed, align OPX portion */
206                                 /* r4 = SSSSSSSSSSSSSSSS,CCCCC,-OPX--,00000 */
207         srli r4, r4, 5          /* r4 = 00000,SSSSSSSSSSSSSSSS,CCCCC,-OPX-- */
208         andi r4, r4, 0x3f       /* r4 = 00000000000000000000000000,-OPX-- */
210         /* Now
211         * r2 = OP
212         * r3 = src1
213         * r5 = src2
214         * r4 = OPX (no longer can be muli)
215         * r6 = 4*C
216         */
219         /*
220         *  Multiply or Divide?
221         */
222         andi r7, r4, 0x02       /* For R-type multiply instructions,
223                                    OPX & 0x02 != 0 */
224         bne r7, zero, multiply
227         /* DIVISION
228         *
229         * Divide an unsigned dividend by an unsigned divisor using
230         * a shift-and-subtract algorithm.  The example below shows
231         * 43 div 7 = 6 for 8-bit integers.  This classic algorithm uses a
232         * single register to store both the dividend and the quotient,
233         * allowing both values to be shifted with a single instruction.
234         *
235         *                               remainder dividend:quotient
236         *                               --------- -----------------
237         *   initialize                   00000000     00101011:
238         *   shift                        00000000     0101011:_
239         *   remainder >= divisor? no     00000000     0101011:0
240         *   shift                        00000000     101011:0_
241         *   remainder >= divisor? no     00000000     101011:00
242         *   shift                        00000001     01011:00_
243         *   remainder >= divisor? no     00000001     01011:000
244         *   shift                        00000010     1011:000_
245         *   remainder >= divisor? no     00000010     1011:0000
246         *   shift                        00000101     011:0000_
247         *   remainder >= divisor? no     00000101     011:00000
248         *   shift                        00001010     11:00000_
249         *   remainder >= divisor? yes    00001010     11:000001
250         *       remainder -= divisor   - 00000111
251         *                              ----------
252         *                                00000011     11:000001
253         *   shift                        00000111     1:000001_
254         *   remainder >= divisor? yes    00000111     1:0000011
255         *       remainder -= divisor   - 00000111
256         *                              ----------
257         *                                00000000     1:0000011
258         *   shift                        00000001     :0000011_
259         *   remainder >= divisor? no     00000001     :00000110
260         *
261         * The quotient is 00000110.
262         */
264 divide:
265         /*
266         *  Prepare for division by assuming the result
267         *  is unsigned, and storing its "sign" as 0.
268         */
269         movi r17, 0
272         /* Which division opcode? */
273         xori r7, r4, 0x25               /* OPX of div */
274         bne r7, zero, unsigned_division
277         /*
278         *  OPX is div.  Determine and store the sign of the quotient.
279         *  Then take the absolute value of both operands.
280         */
281         xor r17, r3, r5         /* MSB contains sign of quotient */
282         bge r3,zero,dividend_is_nonnegative
283         sub r3, zero, r3        /* -r3 */
284 dividend_is_nonnegative:
285         bge r5, zero, divisor_is_nonnegative
286         sub r5, zero, r5        /* -r5 */
287 divisor_is_nonnegative:
290 unsigned_division:
291         /* Initialize the unsigned-division loop. */
292         movi r13, 0     /* remainder = 0 */
294         /* Now
295         * r3 = dividend : quotient
296         * r4 = 0x25 for div, 0x24 for divu
297         * r5 = divisor
298         * r13 = remainder
299         * r14 = loop counter (already initialized to 32)
300         * r17 = MSB contains sign of quotient
301         */
304         /*
305         *   for (count = 32; count > 0; --count)
306         *   {
307         */
308 divide_loop:
310         /*
311         *       Division:
312         *
313         *       (remainder:dividend:quotient) <<= 1;
314         */
315         slli r13, r13, 1
316         cmplt r7, r3, zero      /* r7 = MSB of r3 */
317         or r13, r13, r7
318         slli r3, r3, 1
321         /*
322         *       if (remainder >= divisor)
323         *       {
324         *           set LSB of quotient
325         *           remainder -= divisor;
326         *       }
327         */
328         bltu r13, r5, div_skip
329         ori r3, r3, 1
330         sub r13, r13, r5
331 div_skip:
333         /*
334         *   }
335         */
336         subi r14, r14, 1
337         bne r14, zero, divide_loop
340         /* Now
341         * r3 = quotient
342         * r4 = 0x25 for div, 0x24 for divu
343         * r6 = 4*C
344         * r17 = MSB contains sign of quotient
345         */
348         /*
349         *  Conditionally negate signed quotient.  If quotient is unsigned,
350         *  the sign already is initialized to 0.
351         */
352         bge r17, zero, quotient_is_nonnegative
353         sub r3, zero, r3                /* -r3 */
354         quotient_is_nonnegative:
357         /*
358         *  Final quotient is in r3.
359         */
360         add r6, r6, sp
361         stw r3, 0(r6)   /* write quotient to stack */
362         br restore_registers
367         /* MULTIPLICATION
368         *
369         * A "product" is the number that one gets by summing a "multiplicand"
370         * several times.  The "multiplier" specifies the number of copies of the
371         * multiplicand that are summed.
372         *
373         * Actual multiplication algorithms don't use repeated addition, however.
374         * Shift-and-add algorithms get the same answer as repeated addition, and
375         * they are faster.  To compute the lower half of a product (pppp below)
376         * one shifts the product left before adding in each of the partial
377         * products (a * mmmm) through (d * mmmm).
378         *
379         * To compute the upper half of a product (PPPP below), one adds in the
380         * partial products (d * mmmm) through (a * mmmm), each time following
381         * the add by a right shift of the product.
382         *
383         *     mmmm
384         *   * abcd
385         *   ------
386         *     ####  = d * mmmm
387         *    ####   = c * mmmm
388         *   ####    = b * mmmm
389         *  ####     = a * mmmm
390         * --------
391         * PPPPpppp
392         *
393         * The example above shows 4 partial products.  Computing actual Nios II
394         * products requires 32 partials.
395         *
396         * It is possible to compute the result of mulxsu from the result of
397         * mulxuu because the only difference between the results of these two
398         * opcodes is the value of the partial product associated with the sign
399         * bit of rA.
400         *
401         *   mulxsu = mulxuu - (rA < 0) ? rB : 0;
402         *
403         * It is possible to compute the result of mulxss from the result of
404         * mulxsu because the only difference between the results of these two
405         * opcodes is the value of the partial product associated with the sign
406         * bit of rB.
407         *
408         *   mulxss = mulxsu - (rB < 0) ? rA : 0;
409         *
410         */
412 mul_immed:
413         /* Opcode is muli.  Change it into mul for remainder of algorithm. */
414         mov r6, r5              /* Field B is dest register, not field C. */
415         mov r5, r4              /* Field IMM16 is src2, not field B. */
416         movi r4, 0x27           /* OPX of mul is 0x27 */
418 multiply:
419         /* Initialize the multiplication loop. */
420         movi r9, 0      /* mul_product    = 0 */
421         movi r10, 0     /* mulxuu_product = 0 */
422         mov r11, r5     /* save original multiplier for mulxsu and mulxss */
423         mov r12, r5     /* mulxuu_multiplier (will be shifted) */
424         movi r16, 1     /* used to create "rori B,A,1" from "ror B,A,r16" */
426         /* Now
427         * r3 = multiplicand
428         * r5 = mul_multiplier
429         * r6 = 4 * dest_register (used later as offset to sp)
430         * r7 = temp
431         * r9 = mul_product
432         * r10 = mulxuu_product
433         * r11 = original multiplier
434         * r12 = mulxuu_multiplier
435         * r14 = loop counter (already initialized)
436         * r16 = 1
437         */
440         /*
441         *   for (count = 32; count > 0; --count)
442         *   {
443         */
444 multiply_loop:
446         /*
447         *       mul_product <<= 1;
448         *       lsb = multiplier & 1;
449         */
450         slli r9, r9, 1
451         andi r7, r12, 1
453         /*
454         *       if (lsb == 1)
455         *       {
456         *           mulxuu_product += multiplicand;
457         *       }
458         */
459         beq r7, zero, mulx_skip
460         add r10, r10, r3
461         cmpltu r7, r10, r3 /* Save the carry from the MSB of mulxuu_product. */
462         ror r7, r7, r16 /* r7 = 0x80000000 on carry, or else 0x00000000 */
463 mulx_skip:
465         /*
466         *       if (MSB of mul_multiplier == 1)
467         *       {
468         *           mul_product += multiplicand;
469         *       }
470         */
471         bge r5, zero, mul_skip
472         add r9, r9, r3
473 mul_skip:
475         /*
476         *       mulxuu_product >>= 1;           logical shift
477         *       mul_multiplier <<= 1;           done with MSB
478         *       mulx_multiplier >>= 1;          done with LSB
479         */
480         srli r10, r10, 1
481         or r10, r10, r7         /* OR in the saved carry bit. */
482         slli r5, r5, 1
483         srli r12, r12, 1
486         /*
487         *   }
488         */
489         subi r14, r14, 1
490         bne r14, zero, multiply_loop
493         /*
494         *  Multiply emulation loop done.
495         */
497         /* Now
498         * r3 = multiplicand
499         * r4 = OPX
500         * r6 = 4 * dest_register (used later as offset to sp)
501         * r7 = temp
502         * r9 = mul_product
503         * r10 = mulxuu_product
504         * r11 = original multiplier
505         */
508         /* Calculate address for result from 4 * dest_register */
509         add r6, r6, sp
512         /*
513         * Select/compute the result based on OPX.
514         */
517         /* OPX == mul?  Then store. */
518         xori r7, r4, 0x27
519         beq r7, zero, store_product
521         /* It's one of the mulx.. opcodes.  Move over the result. */
522         mov r9, r10
524         /* OPX == mulxuu?  Then store. */
525         xori r7, r4, 0x07
526         beq r7, zero, store_product
528         /* Compute mulxsu
529          *
530          * mulxsu = mulxuu - (rA < 0) ? rB : 0;
531          */
532         bge r3, zero, mulxsu_skip
533         sub r9, r9, r11
534 mulxsu_skip:
536         /* OPX == mulxsu?  Then store. */
537         xori r7, r4, 0x17
538         beq r7, zero, store_product
540         /* Compute mulxss
541          *
542          * mulxss = mulxsu - (rB < 0) ? rA : 0;
543          */
544         bge r11,zero,mulxss_skip
545         sub r9, r9, r3
546 mulxss_skip:
547         /* At this point, assume that OPX is mulxss, so store*/
550 store_product:
551         stw r9, 0(r6)
554 restore_registers:
555                         /* No need to restore r0. */
556         ldw r5, 100(sp)
557         wrctl estatus, r5
559         ldw r1, 4(sp)
560         ldw r2, 8(sp)
561         ldw r3, 12(sp)
562         ldw r4, 16(sp)
563         ldw r5, 20(sp)
564         ldw r6, 24(sp)
565         ldw r7, 28(sp)
566         ldw r8, 32(sp)
567         ldw r9, 36(sp)
568         ldw r10, 40(sp)
569         ldw r11, 44(sp)
570         ldw r12, 48(sp)
571         ldw r13, 52(sp)
572         ldw r14, 56(sp)
573         ldw r15, 60(sp)
574         ldw r16, 64(sp)
575         ldw r17, 68(sp)
576         ldw r18, 72(sp)
577         ldw r19, 76(sp)
578         ldw r20, 80(sp)
579         ldw r21, 84(sp)
580         ldw r22, 88(sp)
581         ldw r23, 92(sp)
582                         /* Does not need to restore et */
583         ldw gp, 104(sp)
585         ldw fp, 112(sp)
586         ldw ea, 116(sp)
587         ldw ra, 120(sp)
588         ldw sp, 108(sp) /* last restore sp */
589         eret
591 .set at
592 .set break