計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程輔助軟件的研究與設(shè)計(jì)

惠麗+張浩宇

摘 ? ?要：“計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)”是《計(jì)算機(jī)組成原理》理論課程的一個(gè)重要輔助和補(bǔ)充，在開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程過程中，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自帶的匯編語言指令系統(tǒng)與學(xué)生所學(xué)的8086匯編語言指令系統(tǒng)不兼容，影響了實(shí)驗(yàn)效果，因此課程組教師開發(fā)了一款輔助軟件，通過該軟件對(duì)兩種匯編語言進(jìn)行轉(zhuǎn)換，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn);TH-union+教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);匯編語言轉(zhuǎn)換器

中圖分類號(hào)：G642.3 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1002-4107（2015）08-0023-02

一、引言

《計(jì)算機(jī)組成原理》是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、軟件工程專業(yè)的專業(yè)骨干課程，該課程圍繞著構(gòu)成計(jì)算機(jī)的五大部件全面詳細(xì)的闡述了計(jì)算機(jī)的組成和各部件的工作原理，并引申出各部件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。

為了能夠讓學(xué)生對(duì)《計(jì)算機(jī)組成原理》這門課程有一個(gè)感性的理解，我院于2009年購置了由清華大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院研制開發(fā)的TH-union+教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將其應(yīng)用于《計(jì)算機(jī)組成原理》實(shí)驗(yàn)課程。TH-union+教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本身就是一臺(tái)簡單的計(jì)算機(jī)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅能夠支持傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)，而且創(chuàng)造性的在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中增加了匯編語言指令系統(tǒng)，使得很多傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)在連接了硬件電路之后，不再使用手動(dòng)開關(guān)向存儲(chǔ)器輸入指令和數(shù)據(jù)的方式驗(yàn)證電路的正確性，而是改用通過輸入?yún)R編語言程序?qū)﹄娐返恼_性進(jìn)行驗(yàn)證，大大提高了工作效率，也能夠更好的促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的消化和理解。因此在實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置中，全體實(shí)驗(yàn)大致可以分成兩個(gè)部分，第一部分是結(jié)合TH-union+教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)有的匯編語言編寫簡單的應(yīng)用程序，以達(dá)到熟悉掌握實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各部分硬件的目的。第二部分是在第一部分的基礎(chǔ)上由學(xué)生利用VHDL語言設(shè)計(jì)一個(gè)8位的CPU，并利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的匯編語言進(jìn)行編程，以驗(yàn)證CPU設(shè)計(jì)的正確性。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的匯編語言編程是實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，但在教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)，由于學(xué)生初次接觸該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)它的匯編語言指令不熟悉，常常和已經(jīng)學(xué)過的8086匯編語言指令混淆，導(dǎo)致利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的匯編語言編程的能力不足，對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)有一定的影響，因此我們課程組全體教師就有了設(shè)計(jì)一個(gè)匯編語言轉(zhuǎn)換器的想法。

二、對(duì)TH-union+教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)

TH-union+教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)優(yōu)秀的《計(jì)算機(jī)組成原理》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，它最初的受益者是清華大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院的學(xué)生，而我們黑龍江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院軟件學(xué)院的學(xué)生與清華大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院的學(xué)生相比，動(dòng)手能力、綜合技能還存在一定的差距，正是由于我院學(xué)生的這些差距，使我們必須對(duì)TH-union+教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

TH-union+教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上有一個(gè)匯編語言，它和我們學(xué)過的8086匯編語言沒有任何關(guān)系。也就是說同學(xué)們要做計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)就要再學(xué)一次匯編語言。這個(gè)匯編語言一共有48條指令，只有4種尋址方式，有16個(gè)寄存器，……，一切都變了。因此我們必須用一個(gè)方法使學(xué)生快速學(xué)會(huì)新的匯編語言，并利用它進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

TH-union+教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者為了使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更接近真實(shí)的計(jì)算機(jī)在指令系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了與輸入輸出操作有關(guān)的指令，使得程序在設(shè)計(jì)過程中可以進(jìn)行輸入輸出操作。但是遺憾的是，學(xué)生在學(xué)習(xí)8086匯編語言時(shí)，所有的輸入輸出操作都是由DOS系統(tǒng)功能調(diào)用函數(shù)實(shí)現(xiàn)，沒有涉及到真正的底層硬件輸入輸出操作，現(xiàn)在在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上首次自己編寫輸入輸出函數(shù)，對(duì)學(xué)生具有一定的挑戰(zhàn)性，這是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的第二點(diǎn)需要改進(jìn)的地方。

?三、解決方法

基于以上兩點(diǎn)，課程組全體教師決定自行開發(fā)一款輔助軟件，用來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的匯編語言程序與8086匯編語言程序相互轉(zhuǎn)換，進(jìn)而指導(dǎo)輔助學(xué)生快速掌握TH-union+教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的匯編語言和相關(guān)知識(shí)。

本輔助軟件是利用windows下linux模擬環(huán)境的flex工具和gcc編寫完成的。flex是linux下的一個(gè)用來開發(fā)編譯器的工具，主要用于詞法分析器的設(shè)計(jì)開發(fā)。由于本輔助軟件需要對(duì)兩種匯編語言的語句進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其過程包括大量的詞法分析工作，因此我們選用flex工具，以縮短開發(fā)周期。

本輔助軟件由兩個(gè)可執(zhí)行文件、兩個(gè)示例程序和一個(gè)說明文件構(gòu)成，兩個(gè)可執(zhí)行文件暫時(shí)定名為my和your。my的功能是把TH-union+教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的匯編語言程序轉(zhuǎn)換成8086匯編語言程序。your的功能是把8086匯編語言程序轉(zhuǎn)換成TH-union+教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的匯編語言程序。

由于指令格式的原因，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的匯編語言指令操作數(shù)的尋址方式全部隱藏在操作碼中，也就是說在指令譯碼的時(shí)候，當(dāng)指令譯碼器分析出指令功能的同時(shí)，也知道了指令中各操作數(shù)的尋址方式。這就使得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)無論在指令數(shù)量還是在尋址方式方面都比8086匯編語言指令系統(tǒng)簡單，我們把實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的匯編語言看成是8086匯編指令系統(tǒng)的子集。當(dāng)my程序掃描到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)匯編語言指令時(shí)，根據(jù)操作碼就可以判斷出它對(duì)應(yīng)的8086匯編指令是什么，尋址方式是什么，然后轉(zhuǎn)換成8086匯編語言指令即可。通過my對(duì)兩種匯編語言相互轉(zhuǎn)換，提示學(xué)生注意兩種匯編語言的相同點(diǎn)，以便學(xué)生在閱讀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)匯編程序時(shí)快速理解它的編程目的。

your的功能是把8086匯編語言程序轉(zhuǎn)換成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的匯編語言程序。在具體操作中，由于8086匯編語言比實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的匯編語言復(fù)雜，所以需要做一些簡單的限制，以便程序轉(zhuǎn)換。

第一，我們約定your只能轉(zhuǎn)換正確的8086匯編語言程序。輔助軟件的設(shè)計(jì)目的之一是要學(xué)生在已經(jīng)掌握8086匯編語言的基礎(chǔ)上，不需要再額外學(xué)習(xí)其他匯編語言就可以在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上編寫程序，因此我們假設(shè)學(xué)生能夠利用8086匯編語言在通用計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)程序的設(shè)計(jì)。為了便于學(xué)生利用8086匯編語言設(shè)計(jì)程序，我們?cè)谲浖性黾恿艘粋€(gè)示例程序2.asm，它本身也是一個(gè)8086匯編語言程序框架，學(xué)生利用這個(gè)框架編程效率會(huì)更高。為了保證程序的正確性，在軟件中附帶了Boland公司的Turbo Assembler匯編語言編譯器（簡稱tasm），學(xué)生編寫的匯編語言可以用tasm編譯成可執(zhí)行文件，以保證程序的正確性。

第二，我們要對(duì)8086匯編語言程序做簡單的語法分析。由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)匯編指令的操作數(shù)尋址方式都是固定的，而8086匯編語言的指令系統(tǒng)操作數(shù)尋址方式是不固定的，這就使我們不得不對(duì)8086匯編語言程序進(jìn)行簡單的語法分析。

具體操作如下：轉(zhuǎn)換程序your掃描到一條指令首先對(duì)指令的操作碼部分進(jìn)行分析，判斷該指令是否可以轉(zhuǎn)換成TH-union+教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的匯編語言指令，如果可以就在指定變量中設(shè)置一個(gè)指令對(duì)應(yīng)的數(shù)值，如果不能轉(zhuǎn)換就輸出一行字符串，提示用戶你的程序中使用了不可轉(zhuǎn)換的8086匯編語言指令，在轉(zhuǎn)換過程中把這條指令忽略。8086匯編語言指令系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜指令系統(tǒng)，指令存在大量的功能冗余，因此輔助軟件采用忽略指令的方式，在這里也可以采用發(fā)現(xiàn)不可轉(zhuǎn)換的指令就發(fā)出錯(cuò)誤提示，然后強(qiáng)行結(jié)束轉(zhuǎn)換的方式，但課程組老師考慮到每個(gè)人的編程習(xí)慣不同，所以采用前者比較溫和的提示方式。

然后是對(duì)操作數(shù)尋址方式的判斷，同樣根據(jù)不同的尋址方式在指定變量中設(shè)置對(duì)應(yīng)的數(shù)值，如果是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持的尋址方式，就直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)匯編語言指令，如果不是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持的尋址方式，系統(tǒng)將提示出現(xiàn)錯(cuò)誤，并強(qiáng)行結(jié)束轉(zhuǎn)換。在這一過程中最麻煩的是一些尋址方式的轉(zhuǎn)換。例如在8086匯編語言指令系統(tǒng)中，雙操作數(shù)指令允許目的操作數(shù)采用寄存器尋址方式，源操作數(shù)采用立即尋址方式。例如：add ax，10，但是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的匯編語言規(guī)定雙操作數(shù)指令的兩個(gè)操作數(shù)都采用寄存器尋址方式，只有MVRD指令支持立即尋址，因此一旦發(fā)現(xiàn)上述指令，轉(zhuǎn)換程序?qū)a(chǎn)生下面四條指令，以保證程序的正確性。

PUSH ?R15

MVRD R15，10

ADD ?R0，R15

POP ?R15

第三，我們要對(duì)輸入輸出指令單獨(dú)處理。由于TH-union+教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有自己的輸入輸出指令，這些指令與8086匯編語言的輸入輸出指令完全不同，為了簡化問題，便于學(xué)生們迅速掌握串口操作，我們約定在編寫與輸入輸出操作有關(guān)的程序時(shí)，必須采用事先設(shè)計(jì)的宏。首先我們?cè)谑纠绦?.asm中利用DOS系統(tǒng)功能的7號(hào)子功能和2號(hào)子功能實(shí)現(xiàn)基本的輸入輸出宏。在編程過程中凡是遇到輸入輸出操作都調(diào)用這兩個(gè)宏。然后我們把這兩個(gè)宏名加入到轉(zhuǎn)換程序中，當(dāng)轉(zhuǎn)換程序掃描到這兩個(gè)宏名將自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)匯編指令。在程序設(shè)計(jì)過程中，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的輸入輸出操作采用查詢方式，因此每次生成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)匯編程序里面一定要帶一個(gè)有條件跳轉(zhuǎn)指令和標(biāo)號(hào)，在具體操作時(shí)，很可能出現(xiàn)多次使用輸入輸出操作，每次產(chǎn)生的標(biāo)號(hào)都要不同，所以程序中必須對(duì)生成標(biāo)號(hào)進(jìn)行處理，這是此部分的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

本輔助軟件首次應(yīng)用于2012級(jí)軟件學(xué)院的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提高了教學(xué)效率，取得較好的教學(xué)效果，同時(shí)也有許多熱心的同學(xué)對(duì)輔助軟件提出了寶貴的意見，課程組全體教師將根據(jù)師生的反饋意見進(jìn)一步完善輔助軟件，為以后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供更多更好的支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]王誠，劉衛(wèi)東，宋佳興.計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)：第三版[M].

北京：清華大學(xué)出版社，2008：7.

[2]王誠，劉衛(wèi)東，宋佳興.計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)：第

三版[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008：8.

[3]John R.Levine.lex與yacc：第二版[M].北京：機(jī)械工

業(yè)出版社，2003：1.