基于TEC-XP16的16位乘除指令设计

宗德才，王康康

（1. 常熟理工学院 计算机科学与工程学院，江苏 常熟 215500；

2. 江苏科技大学 数理学院，江苏 镇江 212003）

0 引言

目前，国内很多高校计算机组成原理实验教学主要是基于TEC-XP16教学机进行的。为使学生系统建立整机概念，培养学生的计算机系统能力，亟需开发一些设计性的实验，如为TEC-XP16教学机设计一些新指令。

在TEC-2000微程序控制器中设计实现了NXOR等四条指令[1]。在TEC-2000微程序控制器中设计实现了NXOR和SWRM指令[2]。提出了在TEC-XP16组合逻辑控制器中设计实现SWRR等简单指令的方法[3]。提出了TEC-XP16微程序控制器中8bit无符号乘除指令的设计实现方法[4]。

本文提出了一种在TEC-XP16教学机微程序控制器中设计16bit无符号乘法指令MULS、16bit无符号除法指令DIVS与16bit变形补码乘法指令MULB的方法。

实验结果表明，设计的16bit无符号数乘法指令MULS、16bit无符号除法指令DIVS与16bit变形补码乘法指令MULB是正确的。

1 16bit乘除指令的设计实现

本文设计实现了三条指令：16bit无符号乘法指令MULS、16bit无符号除法指令DIVS与16bit变形补码乘法指令MULB。

1.1 软硬件环境

在16bit乘除指令的设计实现过程中用到的硬件设备主要有TEC-XP16教学机、Lattice USB下载电缆HW-USB-2A等；使用的软件主要有Lattice ispLEVER Classic 2.0和WinPcec等软件。

1.2 16bit乘除指令的设计

下面将介绍三种16bit乘除指令的格式和功能并设计相应的算法。主要以16bit变形补码乘法指令为例，介绍其在TEC-XP16教学机微程序控制器中设计实现的过程。

设计16bit乘除指令的主要步骤如下：

（1）设计16bit乘除指令的功能，如表1所示。

表1 MULS、MULB与DIVS指令的格式与功能

（2）根据三种16bit乘除指令的功能和格式，分别设计了算法1，算法2，算法3。

算法1.（16bit无符号数乘法）.乘积高16bit存R6寄存器，乘积低16bit存R9寄存器。其中，Q寄存器是教学机AM2901运算器芯片中的乘商寄存器。

（1）初始化R6、R8寄存器，(R6) = 0，(R8) = 17，乘数从SR送Q寄存器。

（2）R6与Q寄存器联合右移一位，Q0移入C触发器。

（3）如果C为0，则转（4），如果C不为0，转（6）。

（4）R8减1，结果不为0，则转（5），结果为0，则转（8）。

（5）R6与Q寄存器联合右移一位，Q0移入C触发器，转（3）。

（6）R8减1，结果不为0，则转（7），结果为0，则转（8）。

（7）(R6)+(DR)→R6，R6与Q寄存器联合右移一位，Q0移入C触发器，转（3）。

（8）Q寄存器内容传送到R9寄存器。

基2 Booth算法[5]通过比较乘数相邻两位的值决定进行加法、减法还是仅进行移位操作。

根据基2 booth算法，我们设计了16bit变形补码乘法算法。

算法2.（16bit变形补码乘法）.乘积为32bit变形补码，乘积高16bit存R6寄存器，乘积低16bit存R9寄存器。

（1）初始化R6、R8寄存器，(R6) = 0，(R8) = 17，乘数从SR送Q寄存器，C触发器清0。

（2）将Q寄存器内容送R7寄存器。

（3）将R7寄存器与C触发器循环右移，将C触发器值移到R7寄存器最高位，将R7寄存器最低位移入C触发器。

（4）检查C的值，即Q0的值（Q0即乘数yn）。

（5）将R7寄存器逻辑左移一位，将R7最高位移入C触发器，检查C的值（C即附加位）。

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

（7）R8减1，结果不为0，则转（8），结果为0，则转（13）。

（8）R6与Q寄存器联合右移一位，Q0移入C触发器，转（2）。

（9）R8减1，结果不为0，则转（10），结果为0，则转（13）。

（10）(R6)+(DR)→R6，然后R6与Q寄存器联合右移一位，Q0移入C触发器，转（2）。

（11）R8减1，结果不为0，则转（12），结果为0，则转（13）。

（12）(R6)-(DR)→R6，然后R6与Q寄存器联合右移一位，Q0移入C触发器，转（2）。

（13）Q寄存器内容传送到R9寄存器。

算法3.（16bit无符号数除法）. R9寄存器存16bit商，R7寄存器存余数。

（1）初始化Q寄存器、R8寄存器，(Q) = 0，(R8) = 16，被除数从DR送R7寄存器。

（2）(R7)-(SR)→R7，R7与Q寄存器联合左移一位，RAM15移入C触发器，Q0为/F15（其中，RAM15为运算结果最低位，F15为运算结果的符号位）。

（3）如果C为0，则转（4），如果C不为0，转（6）。

（4）R8减1，结果不为0，则转（5），结果为0，则转（8）。

（5）(R7)-(SR)→R7，R7与Q寄存器联合左移一位，RAM15移入C触发器，Q0为/F15，转（3）。

（6）R8减1，结果不为0，则转（7），结果为0，则转（8）。

（7）(R7)+(SR)→R7，R7与Q寄存器联合左移一位，RAM15移入C触发器，Q0为/F15，转（3）。

（8）Q寄存器内容传送到R9寄存器。

（9）根据16bit乘除指令算法，设计16bit乘除指令的执行步骤，其中MULB指令的执行步骤如表3所示。

表3 MULB指令的执行步骤表

（10）根据MULB指令执行步骤表，设计每一条微指令的地址和下地址字段的值，并设计每一条微指令中每一个控制信号的值，最终得到MULB指令的微程序表。16bit无符号数乘法指令的操作码为EAH，微程序入口地址为AFH，16bit无符号数除法指令的操作码为EBH，微程序入口地址为D0H，16bit变形补码乘法指令的操作码为ECH，微程序入口地址为7FH。

在TEC-XP16中，每一条微指令由下地址字段和控制命令字段组成[6]。16bit下地址字段包括8bit下地址、4bit命令码和4bit微转移条件，32bit控制命令字段包括3bit MRW信号、3bit I2～I0信号、3bit I8～I6信号、3bit I5～I3信号、4bit B口地址、4bit A口地址、3bit SST信号、3bit SSHSCI信号、3bit DC2信号、3bit DC1信号。

当命令码CI3～CI0为0011时，用于条件微转移控制[7]，如表2所示。

表2 条件微指令转移所依据的判断条件表

（11）根据MULB指令微程序表，修改描述MACH芯片功能的ABEL语言源程序m256c.abl，编译适配后下载到MACH芯片中。

首先，修改描述MACH芯片功能的ABEL语言源程序m256c.abl。所设计的MULB指令的操作码为ECH，因此，加一行代码：MULB = (IR==[1,1,1,0,1,1,0,0]);

其次，依据表2修改源程序m256c.abl文件中CC信号的逻辑表达式。修改后的CC0与CC表达式如下所示：

MACH芯片向AM2910器件提供8位下地址D7～D0，该地址有2个来源[8]。我们设计的MULB指令的微程序入口地址为7FH，因此，在D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0的逻辑表达式中需增加MULB信号。

然后，依据MULB指令微程序表中的内容修改源程序m256c.abl文件中16bit下地址字段和32bit控制命令字段的逻辑表达式。由于论文篇幅关系代码省略。

最后，对修改后的m256c.abl文件编译后下载到教学机MACH芯片中，其过程详见文献[3-4]。

（12）设计程序验证所设计的16 bit乘除指令的功能。

为了验证MULB指令的功能是否正确，在WinPcec16软件中编写了一个包含MULB指令的教学机程序，实现两个16 bit变形补码的乘法运算。

3123H的变形补码×2123H的变形补码=3123H×123H=065C3AC9H（变形补码），

3123H的变形补码×（-2123H的变形补码）=3123H×DEDDH=F9A3C537（变形补码），

程序运行结果表明所设计的扩展指令MULB是正确的，如图1所示。

图1 包含MULB指令的教学机程序

2 结论

目前，国内外还没有研究在TEC-XP16教学机微程序控制器中设计16bit乘除指令的文献。本文设计了一种16bit无符号数乘法指令、16bit无符号数除法指令与一种16bit变形补码乘法指令，实验结果表明，设计的16bit乘除指令是正确的。

下一步将研究在TEC-XP16教学机组合逻辑控制器中设计实现16bit乘除指令等复杂指令的方法。