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--project3 --Microcode --Boyuan Chen --12.1.14
--Data Path & Controler
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library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_arith.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_unsigned.ALL;

entity Microcode is
    port (SW    : in  std_logic_vector(3 downto 0);
          Clock : in  std_logic;
          Reset : in  std_logic;
                         DY    : in  std_logic_vector(3 downto 0);
          addx  : out std_logic_vector(3 downto 0);
          LED   : out std_logic_vector(3 downto 0));
end Microcode;

architecture Behavioral of Microcode is
         
    signal addi, dx: integer range 0 to 3;
    signal Test : std_logic_vector(1 downto 0);
    signal Natt : std_logic_vector(3 downto 0);
    signal EnA, EnN, EnL,Wr : std_logic;
    signal EnC : std_logic_vector(1 downto 0);
    signal SelMux, SelAlu : std_logic_vector (1 downto 0);
    signal Zf, Cf: std_logic;
    signal X, Y, F, Kval, RegA, RegC, RegN, RegL: std_logic_vector(3 downto 0);
    subtype MREC is std_logic_vector(19 downto 0);
    type MSTORE is array (natural range<>) of MREC;
    constant MROM : MSTORE :=(
         "00"&"0000"&'0'&"00"&'1'&'0'&"11"&"10"&"0000"&'0',
         "11"&"0000"&'0'&"00"&'0'&'0'&"10"&"11"&"0001"&'0',
         "00"&"0000"&'1'&"00"&'0'&'0'&"10"&"10"&"0001"&'0',
         "00"&"0000"&'0'&"00"&'1'&'1'&"10"&"10"&"0000"&'0',
         "10"&"0000"&'0'&"00"&'0'&'0'&"00"&"00"&"0000"&'0',
         "00"&"0000"&'0'&"01"&'0'&'0'&"10"&"00"&"0000"&'0',
         "00"&"0000"&'0'&"00"&'1'&'1'&"00"&"00"&"0000"&'0',
         "01"&"0100"&'1'&"00"&'0'&'0'&"01"&"10"&"0000"&'0');

Begin

--Microstore Rom
    test   <= MROM(addi)(19 downto 18);
    natt   <= MROM(addi)(17 downto 14);
    EnA    <= MROM(addi)(13);
    EnC    <= MROM(addi)(12 downto 11);
    EnN    <= MROM(addi)(10);
    EnL    <= MROM(addi)(9);
    SelMux <= MROM(addi)(8 downto 7);
    SelAlu <= MROM(addi)(6 downto 5);
    Kval   <= MROM(addi)(4 downto 1);
    Wr     <= MROM(addi)(0);
    dx     <= CONV_INTEGER(natt);
   
--Address Counter
Process(Reset,Clock)
    begin
        if reset = '1' then
            addi <= 0;
        elsif Clock'event and Clock ='1' then
            addi <= addi +1;  
            if test = "01" then
                addi <= dx;                                                 --always branch (next value in natt)
            elsif test ="10" then
                if cf = '1' then addi <= dx; --branch if c flag is high (next value in natt)
                end if;
            elsif test ="11" then
                if zf = '1' then addi <= dx; --branch if z flag is high (next value in natt)
                end if;
            end if;
        end if;
end process;

--RegA enable and load
Process(Reset,Clock)
    begin
        if reset = '1' then
            RegA <= "0000";
        elsif Clock'event and Clock = '1' then
            if EnA = '1' then
                RegA <= F;
            end if;
        end if;
End Process;

--RegC endable and load !!RegC represents RegD!!
Process(Reset,Clock)
    begin
        if reset = '1' then
            RegC <= "0000";
        elsif Clock'event and Clock = '1' then
            if EnC = "10" then
                RegC <= DY;
                                elsif EnC(0) <= '1' then
                                    RegC <= F;
                                else RegC <= RegC;
                                end if;
        end if;
End Process;

--RegN endable and load
Process(Reset,Clock)
    begin
        if reset = '1' then
            RegN <= "0000";
        elsif Clock'event and Clock = '1' then
            if EnN = '1' then
                RegN <= F;
            end if;
        end if;
End Process;

X         <= RegN;

--RegL endable and load
Process(Reset,Clock)
    begin
        if reset = '1' then
            RegL <= "0000";
        elsif Clock'event and Clock = '1' then
            if EnL = '1' then
               RegL <= F;
            end if;
        end if;
End Process;

--multiplexer
Y <= RegA when SelMux = "00" else
     RegC when SelMux = "01" else
     Kval when SelMux = "10" else
     Sw   when SelMux = "11";
     
--Alu
process(X,Y,SelAlu)
    variable temp : std_logic_vector (4 downto 0);
    variable muxout : std_logic_vector(3 downto 0);
    variable zf1 : std_logic;

    begin
        temp := "00000";
        zf1  := '0';
        muxout := "0000";
        cf <= '0';

        case SelAlu is
            when "00" => temp := ('0' & X) + ('0' & Y); --addition
                         muxout := temp (3 downto 0);
                         cf <= temp(4);
            when "01" => temp := ('0' & X) - ('0' & Y); --subtraction
                         muxout := temp (3 downto 0);
                         cf <= temp(4);
            when "10" => muxout := Y;                   --F = Y
            when "11" => muxout := X and Y;             --bitwise AND
                                when others => muxout := x;
        end case;
        
        for i in 0 to 3 loop                            --z flag check
            zf1 := muxout(i) or zf1;
        end loop;
        
        f  <= muxout;
        zf <= not zf1;
end process;

-- assign output values
LED <= RegL;

--convert integer to state address
ADDX <= conv_std_logic_vector(addi,4);
end Behavioral;