一種快速的浮點(diǎn)乘法指令設(shè)計(jì)方法

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)內(nèi)容主要是基于清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系研制的TEC-XP16 教學(xué)計(jì)算機(jī)而開展的。為了使學(xué)生更好地掌握計(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，迫切需要開發(fā)一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，如在CPU的控制器中設(shè)計(jì)一些新指令。

文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一種4位乘法指令和一種8位除4位除法指令，文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]將EDA 軟件Proteus 應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中,缺點(diǎn)是很難形成對計(jì)算機(jī)硬件的直觀理解，并且都未設(shè)計(jì)浮點(diǎn)乘法等復(fù)雜指令。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一個(gè)8位模型機(jī)，設(shè)計(jì)了14條指令，但未設(shè)計(jì)浮點(diǎn)乘法等復(fù)雜指令。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了加法等指令，但并未設(shè)計(jì)浮點(diǎn)乘法指令等復(fù)雜指令。文獻(xiàn)[6]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)浮點(diǎn)乘法等復(fù)雜指令。

文獻(xiàn)[7]介紹了TH-union 教學(xué)機(jī)微程序控制器的原理及實(shí)驗(yàn)步驟，沒有擴(kuò)展新指令。文獻(xiàn)[8]在TEC-2000教學(xué)機(jī)微程序控制器中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了4條簡單的擴(kuò)展指令。文獻(xiàn)[9]在TEC-2000教學(xué)機(jī)微程序控制器中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了2條簡單的擴(kuò)展指令。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]在TEC-2000教學(xué)機(jī)微程序控制器中擴(kuò)展的指令都比較簡單。文獻(xiàn)[10]研究了在TEC-XP16組合邏輯控制器中擴(kuò)展簡單指令的方法。文獻(xiàn)[11]提出一種微程序控制器中8位無符號(hào)乘法指令與8位無符號(hào)除法指令的設(shè)計(jì)方法，均需要二十多條微指令組成的微程序來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)好微程序后都采用手工方式修改控制器源程序，其效率低、速度慢且容易出錯(cuò)。

本文基于TEC-XP16教學(xué)機(jī)，提出微程序控制器中32位浮點(diǎn)乘法指令的一種快速的設(shè)計(jì)方法。為解決人工方式將每條匯編指令轉(zhuǎn)換成一條或多條微指令速度慢且容易出錯(cuò)等問題，設(shè)計(jì)了匯編程序表和微程序表，并設(shè)計(jì)了一個(gè)Python程序，能夠根據(jù)匯編程序直接自動(dòng)生成微程序。同時(shí)，為解決手工修改控制器ABEL語言源程序速度慢及容易出錯(cuò)等問題，提出一種能夠自動(dòng)修改控制器的ABEL語言源程序的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的32位浮點(diǎn)乘法指令的功能是正確的，平均只需要1.9 s就能根據(jù)匯編程序表自動(dòng)生成微程序表，平均只需0.7 s就能根據(jù)微程序表、微指令轉(zhuǎn)移判斷條件表和微程序入口地址表自動(dòng)修改并生成控制器ABEL語言源程序，極大提高了浮點(diǎn)乘法指令的設(shè)計(jì)速度。該方法也可推廣到其他復(fù)雜指令的設(shè)計(jì)過程上。

1 在微程序控制器中設(shè)計(jì)浮點(diǎn)乘法指令

在TEC-XP16教學(xué)機(jī)微程序控制器中擴(kuò)展指令時(shí)，首先，設(shè)計(jì)新指令對應(yīng)的微程序，根據(jù)微程序修改描述 MACH 芯片功能的 ABEL語言源程序[12]，然后將修改后的ABEL語言程序用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)行包含新指令的教學(xué)機(jī)程序。

在現(xiàn)有的 TEC-XP16 教學(xué)機(jī)中，微程序控制器只能執(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)了一種32位浮點(diǎn)數(shù)乘法指令。

在TEC-XP16教學(xué)機(jī)的微程序控制器中設(shè)計(jì)浮點(diǎn)乘法指令的主要過程如下：

1) 首先，確定32位浮點(diǎn)乘法指令FMUL的格式和功能，如表1所示。

表1 FMUL指令的指令格式與功能

2) 按32位浮點(diǎn)乘法指令的功能和格式，設(shè)計(jì)32位浮點(diǎn)乘法算法，如算法1所示。

算法132位浮點(diǎn)數(shù)乘法運(yùn)算算法

被乘數(shù)與乘數(shù)都用32位IEEE 754浮點(diǎn)數(shù)表示，被乘數(shù)存放在R1、R0寄存器，乘數(shù)存放在R3、R2寄存器，乘積為32位IEEE 754浮點(diǎn)數(shù)，最后，乘積存放在R1、R0寄存器中。

(1) 如果R1和R0都是0，即被乘數(shù)近似為0，則結(jié)果近似為0，否則，轉(zhuǎn)步驟(2)。

(2) 如果R3和R2都是0，即乘數(shù)近似為0，則結(jié)果近似為0，否則，轉(zhuǎn)步驟(3)。

(3) 取被乘數(shù)階碼部分，并右移一位，保存在R6寄存器中，R6中結(jié)果為 00JJ JJJJ JJ00 0000，其中J表示階碼部分。

(4) 取乘數(shù)階碼部分，并右移一位，保存在R7寄存器中，R7中結(jié)果為 00JJ JJJJ JJ00 0000。

(5) 階碼求和：(R6)+(R7)→R6。

(6) 浮點(diǎn)數(shù)中階碼用移碼表示，移碼是在階碼真值基礎(chǔ)上加127，階碼相加時(shí)，127被加了2次，因此，需要把階碼和減去127。即(R6)-(0001 1111 1100 0000)2→R6。

(7) 將乘積的符號(hào)位保存在R7最高位。

(8) 取被乘數(shù)的尾數(shù)部分，并恢復(fù)隱藏位，存放在R1、R0寄存器中，R1、R0中結(jié)果為 0000 0000 1WWW WWWW WWWW WWWW WWWW WWWW，其中W表示階碼部分。

(9) 取得乘數(shù)的尾數(shù)部分，并恢復(fù)隱藏位，存放在R3、R2寄存器，R3、R2中結(jié)果為 0000 0000 1WWW WWWW WWWW WWWW WWWW WWWW。

(10) 將R9、R8清為0，R9、R8存放部分積。

(11) 如果R2為0，只需移位8次，則令R15為1，R10為8，將R3內(nèi)容傳送到R2，R3清為0；如果R2為非0，則令R15為0，R10為16。

(12) 將R2右移一位，R2最低位移入C觸發(fā)器。

(13) 如果C=1,則 R1//R0 + R9//R82→ R9//R8；如果C=0，則轉(zhuǎn)移到步驟(15)。

(14) 如果R10不等于1，則執(zhí)行步驟(15)；如果R10為1，并且R15為1，則轉(zhuǎn)移到步驟(18)(尾數(shù)最高位為整數(shù)1，所以不需要右移)；如果R10為1，且R15為0，則執(zhí)行步驟(15)。

(15) 將R9//R8//R2聯(lián)合右移一位。

(16) R10減1。

(17) 如果R10為0，則執(zhí)行步驟(18)，否則轉(zhuǎn)步驟(13)。

(18) 如果R3為0，則執(zhí)行步驟(19)；否則，令R15為1，R10為8，將R3內(nèi)容傳送到R2，R3清為0，轉(zhuǎn)步驟(12)。

(19) 將R9、R8內(nèi)容分別送到R1、R0,將R2內(nèi)容送到R9。

(20) 如果R1中尾數(shù)最高位為0，則執(zhí)行步驟(21)，否則，執(zhí)行步驟(22)。

(21) 將R1//R0//R9聯(lián)合右移一位，階碼加1，轉(zhuǎn)步驟(20)。

(22) 如果R9最高位為1，則R1//R0 +1 → R1//R0，否則，R1//R0不變。

(23) 如果R1中尾數(shù)最高位的左邊一位為1，則執(zhí)行步驟(24)，否則，執(zhí)行步驟(25)。

(24) 將R1//R0//R9聯(lián)合右移一位，階碼加1。

(25) 如果R6最高位為1，則為下溢，結(jié)果為0，結(jié)束；如果R6次高位為1，則為上溢，令C=1，結(jié)束；如果R6最高兩位為00，則執(zhí)行步驟(26)。

(26) R6最高兩位為00表示結(jié)果沒有溢出，令C=0,將R6左移一位，調(diào)整R1寄存器的內(nèi)容，R1最高位即R7最高位，R1次高位開始的8位即R6中階碼部分，R1低7位即高7位尾數(shù)不變，結(jié)束。

如圖1所示，在IEEE 754格式的32位浮點(diǎn)數(shù)中最高位是數(shù)符，表示浮點(diǎn)數(shù)的正負(fù)，階碼用移碼表示，階碼的真值都被加上一個(gè)偏移量，對于32位浮點(diǎn)數(shù)的偏移量為127。

1位數(shù)符8位階碼7位尾數(shù) 16位尾數(shù)

在IEEE 754格式浮點(diǎn)數(shù)中尾數(shù)部分通常都是規(guī)格化表示的，即非0的有效位最高位總是1，有效位呈如下形式：1.ffff…fff，在實(shí)際的表示中，對于32位浮點(diǎn)數(shù)，這個(gè)整數(shù)位的1被省略，稱為隱藏位。

TEC-XP16教學(xué)機(jī)中共有16個(gè)16位的通用寄存器R0～R15。32位浮點(diǎn)數(shù)需要用兩個(gè)通用寄存器來表示。

3) 根據(jù)算法1，用TEC-XP16教學(xué)機(jī)的匯編指令編寫程序?qū)崿F(xiàn)算法1。同時(shí)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫表。

Python語言具有簡單易學(xué)、免費(fèi)開源和可擴(kuò)展移植性好等特性[13]，因此，選擇Python語言作為程序設(shè)計(jì)語言。

如圖2所示，TEC-XP16教學(xué)機(jī)中，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[14]。

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

根據(jù)TEC-XP16教學(xué)機(jī)微指令的格式，設(shè)計(jì)了微程序表MProgram，如表2所示，用于保存32位浮點(diǎn)數(shù)乘法指令對應(yīng)的由微指令組成的微程序。

表2 MProgram微程序表

為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)匯編程序自動(dòng)生成微程序這一功能，設(shè)計(jì)了匯編程序表AsblProgram，如表3所示，用于保存根據(jù)32位浮點(diǎn)數(shù)乘法運(yùn)算算法編寫的100條匯編指令組成的匯編程序。

表3 AsblProgram匯編程序表

圖2中，命令碼用于控制微指令的執(zhí)行順序，命令碼CI3-CI0為1110時(shí)，順序執(zhí)行。命令碼CI3-CI0為0010時(shí)，根據(jù)指令的操作碼確定該指令對應(yīng)的微程序的入口地址。設(shè)計(jì)了微程序入口地址表MPFAdr，如表4所示，用于保存32位浮點(diǎn)數(shù)乘法指令對應(yīng)的微程序的第一條微指令的地址。

表4 MPFAdr微程序入口地址表

命令碼CI3-CI0為0011時(shí)，用于條件微轉(zhuǎn)移控制，如表5所示，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)前微指令中下地址字段的內(nèi)容；條件不滿足，順序執(zhí)行[15]。

表5 條件微指令轉(zhuǎn)移所依據(jù)的判斷條件表

根據(jù)表5設(shè)計(jì)了CC微指令轉(zhuǎn)移判斷條件表，用于保存微指令轉(zhuǎn)移的條件，如表6所示。

表6 CC微指令轉(zhuǎn)移判斷條件表

由于每一條匯編指令轉(zhuǎn)換后的微指令數(shù)目不同，設(shè)計(jì)了ISEA表(如表7所示)用于存儲(chǔ)每一條匯編指令轉(zhuǎn)換成為微指令后，對應(yīng)的第一條微指令地址start和最后一條微指令的地址end。

表7 ISEA匯編指令微指令地址表

4) 在匯編程序表AsblProgram中輸入實(shí)現(xiàn)32位浮點(diǎn)數(shù)乘法運(yùn)算算法的匯編程序，共有100條匯編指令，在微程序入口地址表MPFAdr 中輸入FMUL指令的操作碼1110 1100，微程序入口地址為0011 1100。

5) 根據(jù)算法2和算法3，用Python語言編程(記為程序1)，能夠自動(dòng)將AsblProgram表中的匯編程序轉(zhuǎn)換成微程序并寫入MProgram表，根據(jù)算法4為JRZ/JRNZ/JRC/JRNC/JRS/JRNS/JR轉(zhuǎn)移類指令更新其微指令中的下地址字段Nadr，根據(jù)算法5為JRZ/JRNZ/JRC/JRNC/JRS/JRNS指令生成CC表。

算法2根據(jù)AsblProgram表中的匯編程序生成MProgram表和ISEA表的算法

(1) 從AsblProgram表中查找所有記錄的最大Number字段值，記為maxNum，令i=1。

(2) 查找AsblProgram表中Number字段等于i的記錄，記為AsbInsti。

(3) 如果記錄AsbInsti的Itype為2，即為MVRD指令，則根據(jù)算法3將MVRD Ri,DATA指令轉(zhuǎn)換成微指令并寫入MProgram表，同時(shí)在ISEA表中寫入MVRD指令對應(yīng)的第一條微指令的地址start和最后一條微指令地址end；如果記錄AsbInsti的Itype為1，即為MVRR指令，則只需轉(zhuǎn)換成一條相應(yīng)的微指令并寫入MProgram表，同時(shí)在ISEA表中寫入MVRR指令對應(yīng)的第一條微指令的地址start和最后一條微指令地址end；如果記錄AsbInsti的Iname為OR、AND、ADD、SUB、XOR、TEST、ADC、CMP、SHR、RCR、SHL、INC、DEC、JR、JRZ、JRNZ、JRC、JRNC、JRS、JRNS、CLC、RET指令，則只需要轉(zhuǎn)換成一條相應(yīng)的微指令并寫入MProgram表，同時(shí)在ISEA表中寫入待轉(zhuǎn)換匯編指令對應(yīng)的第一條微指令的地址start和最后一條微指令地址end；如果記錄AsbInsti的Iname為PSHF、POPF指令，則需要轉(zhuǎn)換成兩條相應(yīng)的微指令并寫入MProgram表，同時(shí)在ISEA表中寫入待轉(zhuǎn)換匯編指令對應(yīng)的第一條微指令的地址start和最后一條微指令地址end。

(4)i=i+1,重復(fù)步驟(2)和步驟(3)，直到i>maxNum結(jié)束。

在本文設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)FMUL指令的匯編程序中，用到的MVRD Ri,DATA指令中，DATA值有7F80、1FC0、8000、007F、0010、0001、0008、0040、0080、0100。根據(jù)DATA值的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了算法3，算法3的設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡量用最少的微指令實(shí)現(xiàn)MVRD指令。

算法3MVRD Ri,DATA指令轉(zhuǎn)換成微指令算法

(1) 將DATA轉(zhuǎn)換成16位二進(jìn)制數(shù)a。

(2) 計(jì)算a中1的位數(shù)，記為num_1(a)。

(3) 如果num_1(a)大于1，則執(zhí)行步驟(4)，否則，執(zhí)行步驟(12)。

(4) MVRD指令的第一條微指令為SUB指令對應(yīng)的微指令，該微指令執(zhí)行后得到 1111 1111 1111 1111。

(5) 計(jì)算將1111 1111 1111 1111采用先左移后右移的方法得到a的次數(shù)，記為shiftlr(a)。

(6) 計(jì)算將1111 1111 1111 1111采用先右移后左移的方法得到a的次數(shù)，記為shiftrl(a)。

(7) 如果shiftlr(a)小于等于shiftrl(a)，則執(zhí)行步驟(8)，否則，執(zhí)行步驟(10)。

(8) 生成16-num_1(a)條SHL指令對應(yīng)的微指令。

(9) 生成shiftlr(a)+num_1(a)-16條SHR指令對應(yīng)的微指令，結(jié)束。

(10) 生成16-num_1(a)條SHR指令對應(yīng)的微指令。

(11) 生成shiftrl(a)+num_1(a)-16條SHL指令對應(yīng)的微指令，結(jié)束。

(12) 計(jì)算由0000 0000 0000 00001得到a的次數(shù)，記為leftshift2(a)，則由DATA得到a需要leftshift2(a)+2條微指令。

(13) 計(jì)算由1111 1111 1111 11111得到a的次數(shù)，記為shiftlr(a)，則由DATA得到a需要shiftlr(a)+1條微指令。

(14) 如果leftshift2(a)+2小于等于shiftlr(a)+1，則執(zhí)行步驟(15)，否則執(zhí)行步驟(18)。

(15) 生成SUB指令對應(yīng)的微指令，該微指令執(zhí)行后得到0000 0000 0000 0000。

(16) 生成INC指令對應(yīng)的微指令，該微指令執(zhí)行后得到0000 0000 0000 0001。

(17) 生成leftshift2(a)條SHL指令對應(yīng)的微指令，結(jié)束。

(18) 生成SUB指令對應(yīng)的微指令，該微指令執(zhí)行后得到 1111 1111 1111 1111。

(19) 生成shiftlr(a)條SHL指令對應(yīng)的微指令，結(jié)束。

算法4為JRZ/JRNZ/JRC/JRNC/JRS/JRNS/JR轉(zhuǎn)移類指令生成微指令中的下地址字段Nadr算法

JRZ、JRNZ、JRC、JRNC、JRS、JRNS都只需要轉(zhuǎn)換成一條微指令即可，但是要根據(jù)轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址更新Nadr字段值。

(1) 從AsblProgram表中查找Itype為3或4的所有記錄(JRZ、JRNZ、JRC、JRNC、JRS、JRNS指令的Itype為3，JR指令的Itype為4)，假設(shè)查詢結(jié)果有n條記錄，令i=1。

(2) 根據(jù)查詢結(jié)果中記錄i的Number字段值在ISEA表中查找start字段值，并轉(zhuǎn)換成微指令地址，記為kkk。

(3) 在AsblProgram表中查找Label字段等于查詢結(jié)果中記錄i的DstAdr字段值的記錄的Number字段值，記為number。

(4) 在ISEA表中查找Number字段等于number的記錄的start字段值，并轉(zhuǎn)換成8位二進(jìn)制，記為start66。

(5) 更新MProgram表中MIadr字段等于kkk的記錄的Nadr字段值為start66。

(6)i=i+1,重復(fù)步驟(2)-步驟(5)，直到i>n結(jié)束。

算法5為JRZ/JRNZ/JRC/JRNC/JRS/JRNS指令生成CC表算法

(1) 從AsblProgram表中查找Iname為JRZ/JRNZ/JRC/JRNC/JRS/JRNS的所有記錄，假設(shè)查詢結(jié)果有n條記錄，令i=1。

(2) 在AsblProgram表中查找Label字段等于查詢結(jié)果中記錄i的DstAdr字段值的記錄的Number字段值，記為number。

(3) 在ISEA表中查找Number字段等于number的記錄的start字段值，并轉(zhuǎn)換成8位二進(jìn)制，記為start66。

(4) 如果CC表中還沒有Nadr等于start66的記錄，則在CC表中插入一條記錄，否則，轉(zhuǎn)步驟(5)。

(5)i=i+1,重復(fù)步驟(2)-步驟(4)，直到i>n結(jié)束。

6) 根據(jù)算法6和算法7，用Python語言編程(記為程序2)，能夠根據(jù)MPFAdr表以及程序1生成的MProgram表、CC表自動(dòng)生成實(shí)現(xiàn)了32位浮點(diǎn)乘法指令的控制器源文件m256c6.abl。

算法6自動(dòng)修改并生成微程序控制器源程序的Python語言實(shí)現(xiàn)的算法

(1) 打開控制器源程序文件m256c.abl，讀取m256c.abl文件的所有行存放在list1列表對象中。

with open('m256c.abl', 'r') as f1:

list1 = f1.readlines()

(2) 連接mpdatabase.db數(shù)據(jù)庫。

db=sqlite3.connect('mpdatabase.db')

(3) 從MPFAdr表中讀取所有記錄，將所有記錄的Iname字段值和Opcode字段值組成一個(gè)字符串a(chǎn)，字符串a(chǎn)為：FMUL=(IR==[1,1,1,0,1,1,0,0]);在list1列表對象中找到“Expand Instruction here ”字符串，將該字符串替換為字符串a(chǎn)。

(4) 從CC表中讀取所有記錄，根據(jù)這些記錄的SCC字段值、Iname字段值、Nadr字段值和Condition字段值修改CC0表達(dá)式，如圖3所示，圖3中黑底部分為增加的部分。

圖3 修改后的CC0表達(dá)式

(5) 對MPFAdr表中的每一條記錄，根據(jù)MPadr字段值，在list1列表對象中找到D0-D7邏輯表達(dá)式所在的行并進(jìn)行修改，例如，F(xiàn)MUL指令的MPadr字段值為0011 1100，則D2、D3、D4、D5表達(dá)式中需增加FMUL信號(hào)；由于m256c.abl文件中D0-D7表達(dá)式出現(xiàn)在CC0表達(dá)式后面，因此，在list列表中查找D0-D7時(shí)，可以從CC0表達(dá)式的下一行開始查找，這樣可提高查找速度。

(6) 根據(jù)算法7，由MProgram表中記錄修改list1列表對象。

(7) 將list1列表對象寫入一個(gè)新文件m256c6.abl，然后，關(guān)閉該文件。

算法7根據(jù)MProgram表中記錄修改list1列表對象的算法

(1) 從MProgram表中讀取所有記錄，假設(shè)有n條記錄。

(2) 令i=1。

(3) 根據(jù)記錄i的Nadr字段值，在list1列表對象中找到NADR7-NADR0邏輯表達(dá)式所在的行并進(jìn)行修改。

(4) 根據(jù)記錄i的Cmd字段值，在list1列表對象中找到CI3-CI0邏輯表達(dá)式所在的行并進(jìn)行修改。

(5) 根據(jù)記錄i的SCC字段值，在list1列表對象中找到SCC3-SCC0邏輯表達(dá)式所在的行并進(jìn)行修改。

(6) 根據(jù)記錄i的MRW字段值，在list1列表對象中找到!_MIO00、REQ00、_WE00邏輯表達(dá)式所在的行并進(jìn)行修改。

(7) 根據(jù)記錄i的I2-I0字段值，在list1列表對象中找到I200、I100、!I000邏輯表達(dá)式所在的行并進(jìn)行修改。

(8) 根據(jù)記錄i的I5-I3字段值，在list1列表對象中找到I500、I400、I300邏輯表達(dá)式所在的行并進(jìn)行修改。

(9) 根據(jù)記錄i的I8-I6字段值，在list1列表對象中找到I800、I700、!I600邏輯表達(dá)式所在的行并進(jìn)行修改。

(10) 根據(jù)記錄i的SST字段值，在list1列表對象中找到SST200、SST100、SST000邏輯表達(dá)式所在的行并進(jìn)行修改。

(11) 根據(jù)記錄i的SSHSCI字段值，在list1列表對象中找到SSH00、SCI100、SCI000邏輯表達(dá)式所在的行并進(jìn)行修改。

(12) 根據(jù)記錄i的DC2字段值，在list1列表對象中找到DC2_200、DC2_100、DC2_000邏輯表達(dá)式所在的行并進(jìn)行修改。

(13) 根據(jù)記錄i的DC1字段值，在list1列表對象中找到DC1_200、DC1_100、DC1_000邏輯表達(dá)式所在的行并進(jìn)行修改。

(14) 如果記錄i的Bp字段值為“DR”，則list1列表對象的B30表達(dá)式增加當(dāng)前記錄的MIadr字段值;如果記錄i的Bp字段值為“SR”，則list1列表對象的B301表達(dá)式增加當(dāng)前記錄的MIadr字段值;如果記錄i的Bp字段值為數(shù)字字符，則修改list1列表對象的B300、B20、B10、B00邏輯表達(dá)式的值。

(15) 如果記錄i的Ap字段值為“DR”，則list1列表對象的A301表達(dá)式增加當(dāng)前記錄的MIadr字段值;如果記錄i的Ap字段值為“SR”，則list1列表對象的A30表達(dá)式增加當(dāng)前記錄的MIadr字段值;如果記錄i的Ap字段值為數(shù)字字符，則修改list1列表對象的A300、A20、A10、A00邏輯表達(dá)式的值。

(16)i=i+1,若i≤n，則轉(zhuǎn)到步驟(3)，否則，結(jié)束。

2 實(shí) 驗(yàn)

按照上述方法在Access 2010中設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)庫表后，為了方便Python語言編程，使用SQLite Expert工具將Access數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換成SQLite數(shù)據(jù)庫。

用Python語言編寫兩個(gè)程序，程序1能夠自動(dòng)將AsblProgram表中的匯編程序轉(zhuǎn)換成微程序并寫入MProgram表、CC表和ISEA表；程序2能根據(jù)MPFAdr表和程序1生成的MProgram、CC表中的內(nèi)容自動(dòng)修改微程序控制器源程序文件，根據(jù)MPFAdr表在控制器源程序中自動(dòng)添加擴(kuò)展指令的操作碼與匯編語句的關(guān)系表達(dá)式以及自動(dòng)添加擴(kuò)展指令的微程序入口地址，根據(jù)CC表在控制器源程序中CC信號(hào)的邏輯表達(dá)式中自動(dòng)添加擴(kuò)展指令的條件微指令轉(zhuǎn)移所依據(jù)的判斷條件，根據(jù)MProgram表在控制器源程序中16位下地址字段與32位控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式中自動(dòng)添加相應(yīng)的微指令地址。先后運(yùn)行這兩個(gè)程序后，會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)名為m256c6.abl的包括了FMUL指令的控制器源程序文件。

將能夠自動(dòng)把AsblProgram表中的匯編程序轉(zhuǎn)換成微程序并寫入MProgram表、CC表和ISEA表的程序1運(yùn)行50次，結(jié)果如圖4所示，最快只需1.8 s，平均需要1.945 s；將能根據(jù)MPFAdr表和程序1生成的MProgram、CC表中的內(nèi)容自動(dòng)修改微程序控制器源程序文件的程序2運(yùn)行50次，結(jié)果如圖5所示，最快只需0.67 s，平均需要0.71 s。

圖4 由AsblProgram表自動(dòng)生成MProgram表的時(shí)間

圖5 由MProgram表、CC表等自動(dòng)產(chǎn)生abl文件的時(shí)間

在TEC-XP16教學(xué)機(jī)微程序控制器中擴(kuò)展FMUL指令的完整過程如下：

(1) 在Access 2010數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建AsblProgram匯編程序表、MProgram微程序表、CC微指令轉(zhuǎn)移判斷條件表、MPFAdr微程序入口地址表和匯編指令微指令地址表ISEA，并且在AsblProgram表輸入實(shí)現(xiàn)32位浮點(diǎn)乘法指令FUML的100條匯編指令，在MPFAdr表中輸入FMUL指令對應(yīng)的微程序入口地址0011 1100。

(2) 使用SQLite Expert工具將Access數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換成SQLite數(shù)據(jù)庫。

(3) 用Python語言編寫程序1，該程序能從SQLite數(shù)據(jù)庫自動(dòng)讀取AsblProgram表中的匯編指令并自動(dòng)生成微程序、微指令轉(zhuǎn)移條件、每條匯編指令的微指令起始地址并分別寫入MProgram表、CC表和ISEA表。

(4) 用Python語言編寫程序2，該程序能從SQLite3數(shù)據(jù)庫自動(dòng)讀取并根據(jù)MProgram表、CC表和MPFAdr表中的內(nèi)容自動(dòng)修改m256c.abl文件并生成一個(gè)新的微程序控制器源程序文件。

(5) 先后運(yùn)行程序1和程序2，會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)名為m256c6.abl的實(shí)現(xiàn)了FMUL指令的控制器源程序文件。

(6) 將m256c6.abl文件重命名為m256c.abl。

(7) 啟動(dòng)Lattice ispLEVER Classic Project Navigator軟件，新建一個(gè)名為lc4256的項(xiàng)目文件，將m256c.abl添加到項(xiàng)目中，然后，將m256c.abl編譯后生成名為lc4256.jed的文件，將lc4256.jed下載到教學(xué)機(jī)MACH芯片中。方法詳見文獻(xiàn)[11]。

(8) 啟動(dòng)WinPcec16軟件，然后啟動(dòng)教學(xué)機(jī)監(jiān)控程序。

(9) 在WinPcec16軟件中編寫一個(gè)實(shí)現(xiàn)2個(gè)32位浮點(diǎn)數(shù)乘法的教學(xué)機(jī)程序，如圖6-圖7所示，教學(xué)機(jī)中規(guī)定擴(kuò)展指令必須用E命令寫入教學(xué)機(jī)內(nèi)存，F(xiàn)MUL指令的二進(jìn)制代碼為EC00(十六進(jìn)制形式)，EC為FMUL指令的操作碼，被乘數(shù)存放在R1、R0寄存器中，乘數(shù)存放在R3、R2寄存器中，乘積保存在R1、R0寄存器中。

圖6中，被乘數(shù)和乘數(shù)都是0100 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000，即1.0×21，乘積為0100 0000 1000 0000 0000 0000 0000 0000，即1.0×22，程序運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的32位浮點(diǎn)乘法指令的功能是正確的。

圖7中，被乘數(shù)和乘數(shù)都是0100 0000 0001 0000 0000 0000 0000 0000，即1.001×21，乘積為0100 0000 1010 0010 0000 0000 0000 0000，即1.010 001×22，程序運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的32位浮點(diǎn)乘法指令的功能是正確的。

3 結(jié) 語

目前國內(nèi)外還沒有研究在TEC-XP16教學(xué)機(jī)的微程序控制器中擴(kuò)展較復(fù)雜指令，如32位浮點(diǎn)數(shù)乘法指令的文獻(xiàn)。本文對TEC-XP16 教學(xué)機(jī)微程序控制器中擴(kuò)展32位浮點(diǎn)數(shù)乘法指令進(jìn)行了嘗試，設(shè)計(jì)一種32位IEEE 754浮點(diǎn)數(shù)乘法指令，測試結(jié)果表明，采用本文方法在TEC-XP16教學(xué)機(jī)上設(shè)計(jì)的32位浮點(diǎn)數(shù)乘法指令的功能是正確的。

為解決原來采用人工方式將TEC-XP16教學(xué)機(jī)匯編程序轉(zhuǎn)換成微程序速度慢、效率低且容易出錯(cuò)等問題，設(shè)計(jì)匯編程序表和微程序表，并設(shè)計(jì)一個(gè)Python程序，能夠根據(jù)匯編程序直接自動(dòng)生成微程序。同時(shí)，為解決手工修改控制器源程序速度慢及容易出錯(cuò)等問題，提出一種能夠根據(jù)微程序自動(dòng)修改微程序控制器源程序的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的32位浮點(diǎn)乘法指令的功能是正確的，平均只需要1.9 s就能根據(jù)匯編程序表自動(dòng)生成微程序表，平均只需0.7 s就能根據(jù)微程序表、微指令轉(zhuǎn)移判斷條件表和微程序入口地址表自動(dòng)修改并生成控制器ABEL語言源程序，極大提高了32位浮點(diǎn)乘法指令的設(shè)計(jì)速度。本文方法也可推廣到其他復(fù)雜指令的設(shè)計(jì)上。

下一步將嘗試在TEC-XP16教學(xué)機(jī)微程序控制器中設(shè)計(jì)32位浮點(diǎn)數(shù)除法指令等復(fù)雜指令，以及進(jìn)一步研究在TEC-XP16教學(xué)機(jī)組合邏輯控制器中設(shè)計(jì)復(fù)雜指令的方法。