基于TEC-XP16的16位乘除指令設(shè)計(jì)

宗德才，王康康

（1. 常熟理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500；

2. 江蘇科技大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

目前，國內(nèi)很多高校計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是基于TEC-XP16教學(xué)機(jī)進(jìn)行的。為使學(xué)生系統(tǒng)建立整機(jī)概念，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，亟需開發(fā)一些設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，如為TEC-XP16教學(xué)機(jī)設(shè)計(jì)一些新指令。

在TEC-2000微程序控制器中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了NXOR等四條指令[1]。在TEC-2000微程序控制器中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了NXOR和SWRM指令[2]。提出了在TEC-XP16組合邏輯控制器中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)SWRR等簡(jiǎn)單指令的方法[3]。提出了TEC-XP16微程序控制器中8bit無符號(hào)乘除指令的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法[4]。

本文提出了一種在TEC-XP16教學(xué)機(jī)微程序控制器中設(shè)計(jì)16bit無符號(hào)乘法指令MULS、16bit無符號(hào)除法指令DIVS與16bit變形補(bǔ)碼乘法指令MULB的方法。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的16bit無符號(hào)數(shù)乘法指令MULS、16bit無符號(hào)除法指令DIVS與16bit變形補(bǔ)碼乘法指令MULB是正確的。

1 16bit乘除指令的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了三條指令：16bit無符號(hào)乘法指令MULS、16bit無符號(hào)除法指令DIVS與16bit變形補(bǔ)碼乘法指令MULB。

1.1 軟硬件環(huán)境

在16bit乘除指令的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中用到的硬件設(shè)備主要有TEC-XP16教學(xué)機(jī)、Lattice USB下載電纜HW-USB-2A等；使用的軟件主要有Lattice ispLEVER Classic 2.0和WinPcec等軟件。

1.2 16bit乘除指令的設(shè)計(jì)

下面將介紹三種16bit乘除指令的格式和功能并設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法。主要以16bit變形補(bǔ)碼乘法指令為例，介紹其在TEC-XP16教學(xué)機(jī)微程序控制器中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過程。

設(shè)計(jì)16bit乘除指令的主要步驟如下：

（1）設(shè)計(jì)16bit乘除指令的功能，如表1所示。

表1 MULS、MULB與DIVS指令的格式與功能

（2）根據(jù)三種16bit乘除指令的功能和格式，分別設(shè)計(jì)了算法1，算法2，算法3。

算法1.（16bit無符號(hào)數(shù)乘法）.乘積高16bit存R6寄存器，乘積低16bit存R9寄存器。其中，Q寄存器是教學(xué)機(jī)AM2901運(yùn)算器芯片中的乘商寄存器。

（1）初始化R6、R8寄存器，(R6) = 0，(R8) = 17，乘數(shù)從SR送Q寄存器。

（2）R6與Q寄存器聯(lián)合右移一位，Q0移入C觸發(fā)器。

（3）如果C為0，則轉(zhuǎn)（4），如果C不為0，轉(zhuǎn)（6）。

（4）R8減1，結(jié)果不為0，則轉(zhuǎn)（5），結(jié)果為0，則轉(zhuǎn)（8）。

（5）R6與Q寄存器聯(lián)合右移一位，Q0移入C觸發(fā)器，轉(zhuǎn)（3）。

（6）R8減1，結(jié)果不為0，則轉(zhuǎn)（7），結(jié)果為0，則轉(zhuǎn)（8）。

（7）(R6)+(DR)→R6，R6與Q寄存器聯(lián)合右移一位，Q0移入C觸發(fā)器，轉(zhuǎn)（3）。

（8）Q寄存器內(nèi)容傳送到R9寄存器。

基2 Booth算法[5]通過比較乘數(shù)相鄰兩位的值決定進(jìn)行加法、減法還是僅進(jìn)行移位操作。

根據(jù)基2 booth算法，我們?cè)O(shè)計(jì)了16bit變形補(bǔ)碼乘法算法。

算法2.（16bit變形補(bǔ)碼乘法）.乘積為32bit變形補(bǔ)碼，乘積高16bit存R6寄存器，乘積低16bit存R9寄存器。

（1）初始化R6、R8寄存器，(R6) = 0，(R8) = 17，乘數(shù)從SR送Q寄存器，C觸發(fā)器清0。

（2）將Q寄存器內(nèi)容送R7寄存器。

（3）將R7寄存器與C觸發(fā)器循環(huán)右移，將C觸發(fā)器值移到R7寄存器最高位，將R7寄存器最低位移入C觸發(fā)器。

（4）檢查C的值，即Q0的值（Q0即乘數(shù)yn）。

（5）將R7寄存器邏輯左移一位，將R7最高位移入C觸發(fā)器，檢查C的值（C即附加位）。

（6）如果Q0=C，則轉(zhuǎn)（7），如果Q0=0，C=1，則轉(zhuǎn)（9），如果Q0=1，C=0，則轉(zhuǎn)（11）。

（7）R8減1，結(jié)果不為0，則轉(zhuǎn)（8），結(jié)果為0，則轉(zhuǎn)（13）。

（8）R6與Q寄存器聯(lián)合右移一位，Q0移入C觸發(fā)器，轉(zhuǎn)（2）。

（9）R8減1，結(jié)果不為0，則轉(zhuǎn)（10），結(jié)果為0，則轉(zhuǎn)（13）。

（10）(R6)+(DR)→R6，然后R6與Q寄存器聯(lián)合右移一位，Q0移入C觸發(fā)器，轉(zhuǎn)（2）。

（11）R8減1，結(jié)果不為0，則轉(zhuǎn)（12），結(jié)果為0，則轉(zhuǎn)（13）。

（12）(R6)-(DR)→R6，然后R6與Q寄存器聯(lián)合右移一位，Q0移入C觸發(fā)器，轉(zhuǎn)（2）。

（13）Q寄存器內(nèi)容傳送到R9寄存器。

算法3.（16bit無符號(hào)數(shù)除法）. R9寄存器存16bit商，R7寄存器存余數(shù)。

（1）初始化Q寄存器、R8寄存器，(Q) = 0，(R8) = 16，被除數(shù)從DR送R7寄存器。

（2）(R7)-(SR)→R7，R7與Q寄存器聯(lián)合左移一位，RAM15移入C觸發(fā)器，Q0為/F15（其中，RAM15為運(yùn)算結(jié)果最低位，F(xiàn)15為運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)位）。

（3）如果C為0，則轉(zhuǎn)（4），如果C不為0，轉(zhuǎn)（6）。

（4）R8減1，結(jié)果不為0，則轉(zhuǎn)（5），結(jié)果為0，則轉(zhuǎn)（8）。

（5）(R7)-(SR)→R7，R7與Q寄存器聯(lián)合左移一位，RAM15移入C觸發(fā)器，Q0為/F15，轉(zhuǎn)（3）。

（6）R8減1，結(jié)果不為0，則轉(zhuǎn)（7），結(jié)果為0，則轉(zhuǎn)（8）。

（7）(R7)+(SR)→R7，R7與Q寄存器聯(lián)合左移一位，RAM15移入C觸發(fā)器，Q0為/F15，轉(zhuǎn)（3）。

（8）Q寄存器內(nèi)容傳送到R9寄存器。

（9）根據(jù)16bit乘除指令算法，設(shè)計(jì)16bit乘除指令的執(zhí)行步驟，其中MULB指令的執(zhí)行步驟如表3所示。

表3 MULB指令的執(zhí)行步驟表

（10）根據(jù)MULB指令執(zhí)行步驟表，設(shè)計(jì)每一條微指令的地址和下地址字段的值，并設(shè)計(jì)每一條微指令中每一個(gè)控制信號(hào)的值，最終得到MULB指令的微程序表。16bit無符號(hào)數(shù)乘法指令的操作碼為EAH，微程序入口地址為AFH，16bit無符號(hào)數(shù)除法指令的操作碼為EBH，微程序入口地址為D0H，16bit變形補(bǔ)碼乘法指令的操作碼為ECH，微程序入口地址為7FH。

在TEC-XP16中，每一條微指令由下地址字段和控制命令字段組成[6]。16bit下地址字段包括8bit下地址、4bit命令碼和4bit微轉(zhuǎn)移條件，32bit控制命令字段包括3bit MRW信號(hào)、3bit I2～I(xiàn)0信號(hào)、3bit I8～I(xiàn)6信號(hào)、3bit I5～I(xiàn)3信號(hào)、4bit B口地址、4bit A口地址、3bit SST信號(hào)、3bit SSHSCI信號(hào)、3bit DC2信號(hào)、3bit DC1信號(hào)。

當(dāng)命令碼CI3～CI0為0011時(shí)，用于條件微轉(zhuǎn)移控制[7]，如表2所示。

表2 條件微指令轉(zhuǎn)移所依據(jù)的判斷條件表

（11）根據(jù)MULB指令微程序表，修改描述MACH芯片功能的ABEL語言源程序m256c.abl，編譯適配后下載到MACH芯片中。

首先，修改描述MACH芯片功能的ABEL語言源程序m256c.abl。所設(shè)計(jì)的MULB指令的操作碼為ECH，因此，加一行代碼：MULB = (IR==[1,1,1,0,1,1,0,0]);

其次，依據(jù)表2修改源程序m256c.abl文件中CC信號(hào)的邏輯表達(dá)式。修改后的CC0與CC表達(dá)式如下所示：

MACH芯片向AM2910器件提供8位下地址D7～D0，該地址有2個(gè)來源[8]。我們?cè)O(shè)計(jì)的MULB指令的微程序入口地址為7FH，因此，在D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0的邏輯表達(dá)式中需增加MULB信號(hào)。

然后，依據(jù)MULB指令微程序表中的內(nèi)容修改源程序m256c.abl文件中16bit下地址字段和32bit控制命令字段的邏輯表達(dá)式。由于論文篇幅關(guān)系代碼省略。

最后，對(duì)修改后的m256c.abl文件編譯后下載到教學(xué)機(jī)MACH芯片中，其過程詳見文獻(xiàn)[3-4]。

（12）設(shè)計(jì)程序驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的16 bit乘除指令的功能。

為了驗(yàn)證MULB指令的功能是否正確，在WinPcec16軟件中編寫了一個(gè)包含MULB指令的教學(xué)機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)16 bit變形補(bǔ)碼的乘法運(yùn)算。

3123H的變形補(bǔ)碼×2123H的變形補(bǔ)碼=3123H×123H=065C3AC9H（變形補(bǔ)碼），

3123H的變形補(bǔ)碼×（-2123H的變形補(bǔ)碼）=3123H×DEDDH=F9A3C537（變形補(bǔ)碼），

程序運(yùn)行結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的擴(kuò)展指令MULB是正確的，如圖1所示。

圖1 包含MULB指令的教學(xué)機(jī)程序

2 結(jié)論

目前，國內(nèi)外還沒有研究在TEC-XP16教學(xué)機(jī)微程序控制器中設(shè)計(jì)16bit乘除指令的文獻(xiàn)。本文設(shè)計(jì)了一種16bit無符號(hào)數(shù)乘法指令、16bit無符號(hào)數(shù)除法指令與一種16bit變形補(bǔ)碼乘法指令，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的16bit乘除指令是正確的。

下一步將研究在TEC-XP16教學(xué)機(jī)組合邏輯控制器中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)16bit乘除指令等復(fù)雜指令的方法。