微程序控制器擴(kuò)展指令研究

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

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的核心課程之一，學(xué)好該課程對(duì)于學(xué)生建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整機(jī)概念和培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能力至關(guān)重要[1]?！坝?jì)算機(jī)組成原理”是理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的一門(mén)課程，其中的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，是學(xué)好“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的關(guān)鍵[2]。

文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了4位乘法指令與8位除4位的除法指令，文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了基于TEC-XP指令級(jí)、微體系級(jí)的仿真系統(tǒng)以及脫機(jī)運(yùn)算器、中斷嵌套和I/O通信三大部件實(shí)驗(yàn)的仿真軟件，文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]將EDA軟件Proteus應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中,文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]方式的缺點(diǎn)是學(xué)生無(wú)法動(dòng)手操作，很難形成對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的直觀理解，并且都未涉及乘除指令的實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一個(gè)8位模型機(jī)，控制器包含了14條指令，但未包含乘法、除法等指令。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了加法、取數(shù)、轉(zhuǎn)移等指令，但并未設(shè)計(jì)乘除指令。文獻(xiàn)[9]要求學(xué)生至少設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)7條指令，但并未要求設(shè)計(jì)乘除指令。

目前，我校計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要是基于清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系研制的TEC-XP16計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)而開(kāi)展進(jìn)行的。與大多數(shù)高校一樣，該課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還是停留在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)階段，為了使學(xué)生更好掌握計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部件的工作原理，理解指令的執(zhí)行流程，系統(tǒng)地建立計(jì)算機(jī)整機(jī)概念，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)、創(chuàng)新能力，需要開(kāi)發(fā)一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，如在CPU的控制器中擴(kuò)展一些新指令。

文獻(xiàn)[10]介紹了TH-union教學(xué)機(jī)微程序控制器部件實(shí)驗(yàn)的原理及實(shí)驗(yàn)步驟，屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有擴(kuò)展新指令。文獻(xiàn)[11]在TEC-2000教學(xué)機(jī)微程序控制器中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了四條擴(kuò)展指令，NXOR DR,SR、SWRM DR,[SR]、ADTW DR與ADRM DR,[SR]，并將擴(kuò)展的新指令用程序進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[12]在TEC-2000教學(xué)機(jī)微程序控制器中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩條擴(kuò)展指令，NXOR DR,SR與SWRM DR,[SR]，并將擴(kuò)展的新指令用程序進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]在TEC-2000教學(xué)機(jī)微程序控制器中擴(kuò)展的指令都比較簡(jiǎn)單，每條擴(kuò)展指令只需要1～4條微指令即可實(shí)現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有研究在TEC-XP16教學(xué)機(jī)微程序控制器中擴(kuò)展較復(fù)雜指令，如乘法指令、除法指令的文獻(xiàn)。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)MUL乘法指令與DIV除法指令的方法，所設(shè)計(jì)的MUL指令與DIV指令分別需要25條微指令和29條微指令組成的微程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。然后，以擴(kuò)展MUL指令為例，詳細(xì)介紹了如何在控制器的源文件中添加擴(kuò)展指令的控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式、編譯控制器的源文件、對(duì)MACH器件進(jìn)行編程、編寫(xiě)程序驗(yàn)證擴(kuò)展指令是否正確的整個(gè)過(guò)程。最后，我們以實(shí)驗(yàn)方式驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的乘法指令與除法指令的功能。

1 基本組成及其工作原理

微程序控制器的核心部件是控制存儲(chǔ)器，控制存儲(chǔ)器用于存放全部微程序。每一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，每個(gè)微程序由若干條微指令組成，每條微指令對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)控制信號(hào)。微指令是以二進(jìn)制代碼形式表示的，每一位代表一個(gè)控制信號(hào)，若某位為1，表示對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)有效，若某位為0，表示對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)無(wú)效。在程序執(zhí)行過(guò)程中，將逐條執(zhí)行每條指令對(duì)應(yīng)的每一條微指令，用微指令中的控制命令字段控制計(jì)算機(jī)各功能部件的運(yùn)行，并用微指令中的下地址字段形成后續(xù)微指令的地址[13]。

在TEC-XP16教學(xué)計(jì)算機(jī)中，微程序控制器與組合邏輯控制器的主要邏輯電路都是由一片MACH芯片實(shí)現(xiàn)的。微程序控制器由控制存儲(chǔ)器、微指令寄存器、映射指令操作碼為微指令地址的MAPROM、產(chǎn)生微指令是否轉(zhuǎn)移信號(hào)CC的條件判斷線路SCC GAL、實(shí)現(xiàn)微指令字中的下條微指令地址和MAPROM輸出的下條微指令地址二選一功能的線路、確定微指令執(zhí)行次序的Am2910芯片等部分組成[14]。

在TEC-XP16教學(xué)計(jì)算機(jī)中擴(kuò)展新指令時(shí)，首先，要設(shè)計(jì)好新指令對(duì)應(yīng)的微程序，然后將設(shè)計(jì)好的組成微程序的所有微指令寫(xiě)入控制存儲(chǔ)器中。

在以前的教學(xué)機(jī)產(chǎn)品中，如TEC-2000教學(xué)機(jī)中，控制存儲(chǔ)器中的內(nèi)容是保存在ROM芯片中的，而在TEC-XP16教學(xué)計(jì)算機(jī)中，控制存儲(chǔ)器的內(nèi)容不是保存在ROM芯片中的，控制存儲(chǔ)器的內(nèi)容是用組合邏輯表達(dá)式表示的[14]。

2 設(shè)計(jì)微程序控制器的擴(kuò)展指令

在TEC-XP16教學(xué)機(jī)中擴(kuò)展指令過(guò)程中，首先，根據(jù)設(shè)計(jì)好的新指令對(duì)應(yīng)的微程序修改描述MACH芯片功能的ABEL語(yǔ)言源程序；然后將修改后的ABEL語(yǔ)言程序用ISP LEVER軟件編譯成.jed文件，接著將.jed文件下載到MACH芯片中；最后，在教學(xué)機(jī)上調(diào)試運(yùn)行包含擴(kuò)展指令的教學(xué)機(jī)程序。

在現(xiàn)有的TEC-XP16教學(xué)機(jī)中，描述MACH芯片功能的ABEL語(yǔ)言源程序同時(shí)實(shí)現(xiàn)了組合邏輯控制器與微程序控制器，但兩種控制器都只能執(zhí)行29條基本指令。本文在TEC-XP16教學(xué)機(jī)微程序控制器中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩條擴(kuò)展指令：乘法指令MUL DR,SR與除法指令DIV DR,SR。

2.1 設(shè)計(jì)條件

(1) 硬件：TEC-XP16教學(xué)機(jī)，PC機(jī)，Lattice USB下載電纜HW-USB-2A。

(2) 軟件：Lattice ispLEVER Classic 2.0軟件、WinPcec軟件。

2.2 乘法指令與除法指令的設(shè)計(jì)過(guò)程

在TEC-XP16教學(xué)機(jī)的微程序控制器中擴(kuò)展指令的主要過(guò)程如下：

(1) 確定乘法指令與除法指令的格式和功能，如表1所示。

表1 MUL指令與DIV指令的指令格式與功能

(2) 按乘法指令與除法指令的功能和格式，設(shè)計(jì)8位無(wú)符號(hào)數(shù)乘法算法，8位無(wú)符號(hào)數(shù)除法算法，如算法1，算法2所示。

算法1(8位無(wú)符號(hào)數(shù)乘法算法) 被乘數(shù)與乘數(shù)都用8位無(wú)符號(hào)數(shù)表示，被乘數(shù)與乘數(shù)分別放在DR、SR寄存器，乘積為16位無(wú)符號(hào)數(shù)，乘積16位放R6寄存器。

(1) 保存R3、R8寄存器內(nèi)容到堆棧；

(2) 初始化，部分積R6初始化為0，R3、R8寄存器初始化為8；

(3) 將DR寄存器內(nèi)容左移8位；

(4) 將SR寄存器內(nèi)容右移1位，最低位移入C觸發(fā)器；

(5) 如果C為1，則轉(zhuǎn)(6)，如果C為0，轉(zhuǎn)(7)；

(6) (R6)+(DR)→R6；

(7) R6寄存器內(nèi)容右移一位，最低位移入C觸發(fā)器；

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

(9) 出?；謴?fù)R3、R8寄存器內(nèi)容。

算法2(8位無(wú)符號(hào)數(shù)除法算法) 被除數(shù)與除數(shù)都用8位無(wú)符號(hào)數(shù)表示，被除數(shù)與除數(shù)分別放在DR、SR寄存器，R9寄存器放8位商。

(1) 保存R3寄存器內(nèi)容到堆棧；

(2) 初始化，R3初始化為9(上商9次)，R9初始化為0；

(3) (DR)-(SR)→DR；

(4) 如果S為0，則轉(zhuǎn)(5)，如果S為1，轉(zhuǎn)(9)；

(5) R3減1，結(jié)果不為0，則轉(zhuǎn)(6)，結(jié)果為0，則轉(zhuǎn)(12)；

(6) 將R9寄存器內(nèi)容增1，轉(zhuǎn)(4)；

(7) 將R9寄存器內(nèi)容左移一位，將DR寄存器內(nèi)容左移一位；

(8) (DR)-(SR)→DR，轉(zhuǎn)(4)；

(9) R3減1，結(jié)果不為0，則轉(zhuǎn)(10)，結(jié)果為0，則轉(zhuǎn)(13)；

(10) 將R9寄存器內(nèi)容左移一位，將DR寄存器內(nèi)容左移一位；

(11) (DR)+(SR)→DR，轉(zhuǎn)(4)；

(12) 將R9寄存器內(nèi)容增1；

(13) 出?；謴?fù)R3寄存器內(nèi)容。

(3) 根據(jù)乘除指令的算法，劃分指令執(zhí)行步驟并設(shè)計(jì)每一步的執(zhí)行功能，MUL指令的執(zhí)行步驟表如表2所示。DIV指令的指令執(zhí)行步驟表由于論文篇幅關(guān)系省略。

表2 MUL指令的執(zhí)行步驟表

(4) 根據(jù)指令執(zhí)行步驟表，設(shè)計(jì)微指令地址和下地址字段的取值，并設(shè)計(jì)每一個(gè)控制信號(hào)的狀態(tài)值，如表3、表4所示。乘法指令的操作碼為E8H，微程序入口地址為6AH，除法指令的操作碼為E9H，微程序入口地址為87H。

表3 MUL指令的微程序表

續(xù)表3

表4 DIV指令的微程序表

續(xù)表4

如圖1所示，一條微指令由16位的下地址字段和32位的控制命令字段共同組成，下地址字段用于正確給出下一條微指令的地址，控制命令字段給出的32位控制信號(hào)用于控制教學(xué)機(jī)各功能部件的運(yùn)行[13]。

微下地址命令碼微轉(zhuǎn)移條件MRWI2-I0I8-I6I5-I3B口地址A口地址SSTSSHSCIDC2DC116位下地址字段32位控制命令字段

圖1 TEC-XP16教學(xué)機(jī)的微指令格式

圖1中，命令碼CI3～CI0為0010時(shí)，根據(jù)指令的操作碼從MAPROM找到該指令對(duì)應(yīng)的微程序的入口地址，從而開(kāi)始該條指令的執(zhí)行。命令碼CI3～CI0為1110時(shí)，順序執(zhí)行，即執(zhí)行緊跟在本條微指令后面的那條微指令，(μPC)+1→μPC。

如表5所示，命令碼CI3～CI0為0011時(shí)，用于條件微轉(zhuǎn)移控制，微轉(zhuǎn)移條件SCC3～SCC0用于條件微轉(zhuǎn)移時(shí)給出轉(zhuǎn)移依據(jù)的條件，條件滿足時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)移，下一條微指令的地址為當(dāng)前微指令中微下地址字段的內(nèi)容；條件不滿足，順序執(zhí)行[14]。

表5 條件微指令轉(zhuǎn)移所依據(jù)的判斷條件表

(5) 根據(jù)表3和表4，修改描述MACH芯片功能的ABEL語(yǔ)言源程序，編譯適配后下載到MACH芯片中。

(6) 寫(xiě)一個(gè)包含所設(shè)計(jì)的乘法指令與除法指令的教學(xué)機(jī)程序，通過(guò)運(yùn)行該程序檢查執(zhí)行結(jié)果的正確性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的乘除指令是否正確。

3 MUL擴(kuò)展指令的實(shí)現(xiàn)

下面將以MUL指令為例，介紹在微程序控制器的ABEL源文件中添加擴(kuò)展指令的控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式，編譯控制器的ABEL源文件，對(duì)MACH器件編程，編寫(xiě)程序驗(yàn)證擴(kuò)展指令是否正確的整個(gè)過(guò)程。

(1) 啟動(dòng)Lattice ispLEVER Classic 2.0中的ispLEVER Classic Project Navigator軟件，新建一個(gè)項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱必須是lc4256。

(2) 選擇器件類型，如圖2所示。

圖2 選擇器件類型

(3) 單擊“Add Source”按鈕，添加控制器源文件m256c.abl。然后，單擊“完成”按鈕。

(4) 右鍵單擊m256c.abl文件，選擇“Open”命令。在文本編輯器中打開(kāi)m256c.abl文件。

(5) 在文本編輯器中修改m256c.abl控制器源文件(文中字體加粗的代碼是添加的代碼)。

我們?cè)O(shè)計(jì)的MUL指令的操作碼為E8H，因此，在RET=(IR==[1,0,0,0,1,1,1,1]);后面加一行代碼：

MUL=(IR==[1,1,1,0,1,0,0,0]);

依據(jù)表3 MUL指令的微程序表修改CC信號(hào)的邏輯表達(dá)式，當(dāng)CC信號(hào)為低電平時(shí)微程序執(zhí)行轉(zhuǎn)移，為高電平時(shí)則順序執(zhí)行。當(dāng)SCC3～SCC0為0100，NADR為01110101并且Z為0時(shí)，CC為低電平，即當(dāng)Z為0執(zhí)行地址為77H的JRNZ 75微指令后將轉(zhuǎn)移到75H地址執(zhí)行微指令。當(dāng)SCC3～SCC0為0100，NADR為01111011并且C為0時(shí)，CC為低電平，即當(dāng)C為0執(zhí)行地址為79H的JRNC 7B微指令后將轉(zhuǎn)移到7BH地址執(zhí)行微指令。當(dāng)SCC3～SCC0為0100，NADR為00110000并且Z為1時(shí)，CC為低電平，即當(dāng)Z為1執(zhí)行地址為7DH的JRZ 7F微指令后將轉(zhuǎn)移到30H地址執(zhí)行微指令。修改后的CC0表達(dá)式如下：

CC0=!SCC3&!SCC2&!SCC1&!SCC0

#!SCC3& SCC2& SCC1&!SCC0&(IN_)

#!SCC3& SCC2&!SCC1&!SCC0&(JRC)&!C

#!SCC3& SCC2&!SCC1&!SCC0&(JRNC)&C

#!SCC3& SCC2&!SCC1&!SCC0&(JRZ)&!Z

#!SCC3&SCC2&!SCC1&!SCC0&(JRNZ)&Z

#!SCC3&SCC2&!SCC1&!SCC0&(MUL)&

(NADR==[0,1,1,1,0,1,0,1])&(Z==0)

#!SCC3& SCC2&!SCC1&!SCC0&(MUL)&

(NADR==[0,1,1,1,1,0,1,1])&(C==0)

#!SCC3& SCC2&!SCC1&!SCC0&(MUL)&

(NADR==[0,1,1,1,1,1,1,1])&(Z==1)

# CCM;

CCM=!SCC3& SCC2& SCC1& SCC0&(PUSH)

#!SCC3& SCC2& SCC1& SCC0&(POP)

#!SCC3& SCC2&!SCC1& SCC0&(JRS)&!S

#!SCC3& SCC2&!SCC1& SCC0&(JRNS)&S

#!SCC3&!SCC2& SCC1&!SCC0&!INT;

!CC=CC0;

如圖3所示，MACH芯片向AM2910器件提供8位下地址信息D7～D0，該地址有2個(gè)來(lái)源[15]，通過(guò)AM2910產(chǎn)生的_PL和_MAP信號(hào)進(jìn)行選擇，當(dāng)_PL為低時(shí)，該地址來(lái)自微指令中的8位下地址字段NADR7～NADR0；當(dāng)_MAP為低時(shí)，該地址來(lái)自MAPROM的輸出，MAPROM是通過(guò)組合邏輯表達(dá)式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖3 TEC-XP16教學(xué)機(jī)控制器的總體組成

我們?cè)O(shè)計(jì)的MUL 指令的微程序入口地址為6AH，因此，D0、D2、D4、D7表達(dá)式不需要修改，在D6、D5、D3、D1的邏輯表達(dá)式中需增加MUL匯編指令。修改后的D1、D3、D5、D6的邏輯表達(dá)式如下：

D1=!C_M&(!_MAP&(AND#OR#TEST#MVRR#SHL#SHR#IN_#OUT#POP#POPF#LDRR#JMPA#CALA#RET#IRET#NOT#ASR#CLC#STC#JMPR#LDRA#STRA#SWRR#MUL)#NADR1&!_PL);

D3=!C_M&(!_MAP&(XOR_#CMP#TEST#MVRR#INC#DEC#SHR#SHL#STRR#LDRR#MVRD#JMPA#CALA#EI#DI#JMPR#JRS#JRNS#LDRA#LDRX#STRA#SWRR#MUL)#NADR3&!_PL);

D5=!C_M&(!_MAP&(RET#IRET#JRS#JRNS#CALR#STRX#SWRR#MUL)#NADR5&!_PL);

D6=!C_M&(!_MAP&(EI#DI#IRET#ADC#SBB#NOT#ASR#RCL#RCR#CLC#STC#JMPR#JRS#JRNS#LDRA#LDRX#STRA#STRX#CALR#SWRR#MUL)#NADR6&!_PL);

按照所設(shè)計(jì)的乘法指令和除法指令的微程序表中的內(nèi)容修改描述 MACH 芯片功能的 ABEL語(yǔ)言源程序，即分別寫(xiě)出微指令每一位信號(hào)的完整的邏輯表達(dá)式，即把在微程序表中該位信號(hào)取值為1或0時(shí)所對(duì)應(yīng)的微指令地址或在一起。

依據(jù)表3 MUL指令微程序表的內(nèi)容修改微程序控制器16位下地址字段的邏輯表達(dá)式，即微下地址NADR7～ NADR0、命令碼CI3～CI0、微轉(zhuǎn)移條件SCC3～SCC0的邏輯表達(dá)式。由于論文篇幅關(guān)系代碼省略。

依據(jù)表3 MUL指令微程序表的內(nèi)容修改微程序控制器32位控制命令字段的邏輯表達(dá)式。其中，DC2_200、DC2_100、DC2_000、DC1_200、DC1_100、DC1_000表達(dá)式不需要修改。由于論文篇幅關(guān)系代碼省略。

(6) 保存m256c.abl文件。

(7) 在左側(cè)源文件窗口中單擊m256c.abl文件，雙擊Compile Logic任務(wù)項(xiàng)，即對(duì)源文件m256c.abl進(jìn)行編譯。

(8) 在左側(cè)源文件窗口中點(diǎn)擊器件圖標(biāo)，在右側(cè)窗口中雙擊JEDEC File任務(wù)項(xiàng)生成lc4256.jed文件。完成后以綠色的“√”標(biāo)記。若有警告信息，則以黃色的“!”標(biāo)記，警告信息一般并不影響JEDEC文件的使用。

(9) 啟動(dòng)Lattice ispLEVER Classic 2.0中的ispVM System軟件，彈出主界面。

(10) 將教學(xué)機(jī)左下方五個(gè)黑色的控制開(kāi)關(guān)撥為10100(1表示往上撥，0表示往下?lián)?。

(11) 通過(guò)Lattice USB 下載電纜HW-USB-2A連接PC機(jī)與教學(xué)計(jì)算機(jī)上MACH芯片，打開(kāi)教學(xué)計(jì)算機(jī)電源。

(12) 執(zhí)行Options、Cable and I/O Port Setup…命令，設(shè)置Cable為USB接口，因?yàn)槲覀冇玫氖荱SB ispDOWNLOAD Cables。

(13) 通過(guò)ispVM System軟件主界面的SCAN按鈕找到在線編程器件。

(14) 右擊所找到的編程器件LC4256V，選擇“Edit Device”，在“Device Information”窗口中選擇Device為 LC4256V(B)，通過(guò)Browse按鈕選擇已編譯好的JED文件(lc4256.jed)，單擊OK按鈕。

(15) 重新回到ispVM System軟件主界面，點(diǎn)擊GO命令進(jìn)行下載編程。如圖4所示，在Status窗口中顯示信息“Operation Done:No errors.Operation:Successful”，表示對(duì)LC4256V器件的編程已經(jīng)成功。

圖4 編程成功

(16) 關(guān)閉教學(xué)計(jì)算機(jī)電源，拔下下載編程電纜。

(17) 將教學(xué)機(jī)左下方五個(gè)黑色的控制開(kāi)關(guān)撥為00010(1表示往上撥，0表示往下?lián)?，啟動(dòng)WinPcec16軟件，然后打開(kāi)教學(xué)機(jī)電源，先按RESET鍵，后按START鍵，啟動(dòng)教學(xué)機(jī)監(jiān)控程序。

(18) 在WinPcec16中編寫(xiě)一個(gè)包含擴(kuò)展指令MUL的教學(xué)機(jī)程序，如圖5所示。其中，MUL指令為我們?cè)O(shè)計(jì)的擴(kuò)展指令，教學(xué)機(jī)中規(guī)定擴(kuò)展指令必須用E命令將二進(jìn)制形式的擴(kuò)展指令寫(xiě)入教學(xué)機(jī)內(nèi)存。程序中MUL指令的二進(jìn)制代碼為E812(十六進(jìn)制形式)，E8為MUL指令的操作碼，1、2分別表示R1、R2寄存器編號(hào)。該程序?qū)1寄存器內(nèi)容與R2寄存器內(nèi)容相乘，乘積存放在R6寄存器，即10010001×10110101=01100110 10000101(十六進(jìn)制數(shù)6685)，程序運(yùn)行結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的擴(kuò)展指令MUL是正確的。

圖5 包含擴(kuò)展指令MUL的教學(xué)機(jī)程序的運(yùn)行結(jié)果

(19) 在WinPcec16軟件中編寫(xiě)一個(gè)包含擴(kuò)展指令DIV的教學(xué)機(jī)程序，該程序?qū)1寄存器內(nèi)容與R2寄存器內(nèi)容相除，商存放在R9寄存器，即10111100÷11011110=0.11011000(十六進(jìn)制數(shù)00D8)，余數(shù)存放在R1寄存器，余數(shù)補(bǔ)碼為1111111111010010(十六進(jìn)制數(shù)FFD2)，余數(shù)為負(fù)，則需通過(guò)余數(shù)補(bǔ)碼+除數(shù)補(bǔ)碼恢復(fù)余數(shù)，1111111111010010+.0000000011011110=0000000010110000，即余數(shù)為+0.10110000，程序運(yùn)行結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的擴(kuò)展指令DIV是正確的，如圖6所示。擴(kuò)展指令必須用E命令輸入。

圖6 包含擴(kuò)展指令DIV的教學(xué)機(jī)程序的運(yùn)行結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有研究在TEC-XP16教學(xué)機(jī)微程序控制器中擴(kuò)展較復(fù)雜指令，如乘法指令、除法指令的文獻(xiàn)。為解決TEC-XP16教學(xué)機(jī)缺少乘法指令和除法指令的問(wèn)題,本文對(duì)TEC-XP16教學(xué)機(jī)微程序控制器中擴(kuò)展乘法指令與除法指令進(jìn)行了嘗試，設(shè)計(jì)了一種8位無(wú)符號(hào)數(shù)乘法指令與一種8位無(wú)符號(hào)數(shù)除法指令。對(duì)所設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的乘法指令與除法指令進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了我們所設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的乘法指令與除法指令的功能是正確的。目前，已在我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)15級(jí)學(xué)生計(jì)算機(jī)組成原理課中開(kāi)設(shè)了一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，如本文提到的在微程序控制器中擴(kuò)展一些新指令。從學(xué)生的反饋來(lái)看，多開(kāi)設(shè)這種設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生從根本上理解計(jì)算機(jī)各組成部件的工作原理以及各個(gè)組成部件之間的聯(lián)系，使學(xué)生更易形成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)整機(jī)概念，有益于提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。下一步將嘗試?yán)媒虒W(xué)機(jī)AM2901運(yùn)算器芯片中的乘商寄存器實(shí)現(xiàn)16位乘法指令與16位除法指令，以及在微程序控制器中擴(kuò)展補(bǔ)碼乘法與補(bǔ)碼除法等指令。