一種高效的浮點(diǎn)數(shù)除法指令設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法

2021-01-15 01:17:10宗德才王康康

實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2020年12期

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(guó)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TEC-XP16 教學(xué)計(jì)算機(jī)而開(kāi)展的。為使學(xué)生更好地掌握計(jì)算機(jī)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，需要開(kāi)發(fā)一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，如在TEC-XP16 教學(xué)計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)一些浮點(diǎn)運(yùn)算指令。

文獻(xiàn)［1］中設(shè)計(jì)了一種4 bit 乘法指令與除法指令，文獻(xiàn)［2-3］中將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(duì)計(jì)算機(jī)硬件的直觀了解，文獻(xiàn)［4］中設(shè)計(jì)了一個(gè)8 bit模型機(jī)，設(shè)計(jì)了14 條指令，文獻(xiàn)［5］中設(shè)計(jì)了加法等指令，文獻(xiàn)［6］中要求學(xué)生至少設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)7 條指令，文獻(xiàn)［1-6］中都未設(shè)計(jì)浮點(diǎn)除法等復(fù)雜指令。

文獻(xiàn)［7］中介紹了TH-union 教學(xué)機(jī)微程序控制器的原理及實(shí)驗(yàn)步驟，沒(méi)有擴(kuò)展新指令。文獻(xiàn)［8］中在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(jiǎn)單的擴(kuò)展指令。文獻(xiàn)［9］中在TEC-2000 教學(xué)機(jī)微程序控制器中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩條簡(jiǎn)單的擴(kuò)展指令。文獻(xiàn)［8-9］中在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。文獻(xiàn)［10］中研究了在TEC-XP16 組合邏輯控制器中擴(kuò)展簡(jiǎn)單指令的方法。文獻(xiàn)［11］中提出一種微程序控制器中8 bit 無(wú)符號(hào)乘法指令與8 bit無(wú)符號(hào)除法指令的設(shè)計(jì)方法，均需要20 多條微指令組成的微程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)［8-9，11］中設(shè)計(jì)好微程序后都采用手工方式修改控制器源程序，效率低、速度慢且容易出錯(cuò)。

基于TEC-XP16 教學(xué)機(jī)，設(shè)計(jì)了一種32 bit IEEE 754 格式的浮點(diǎn)數(shù)除法指令以及實(shí)現(xiàn)32 bit 浮點(diǎn)數(shù)除法運(yùn)算的算法。用TEC-XP16 教學(xué)機(jī)的匯編指令設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)數(shù)除法算法的匯編語(yǔ)言程序。為解決人工方式設(shè)計(jì)微程序和修改微程序控制器源程序效率低且容易出錯(cuò)等問(wèn)題，提出了一種能夠由匯編語(yǔ)言程序自動(dòng)生成微程序以及能夠由微程序自動(dòng)修改控制器ABEL 語(yǔ)言源程序的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的32 bit浮點(diǎn)除法指令的功能是正確的，平均只需要2.16 s就能根據(jù)匯編語(yǔ)言程序表自動(dòng)生成微程序表，平均只需1.3 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(yǔ)言源程序，極大提高了浮點(diǎn)除法指令的設(shè)計(jì)效率。該方法也可推廣到其他復(fù)雜指令的設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 微程序控制器中設(shè)計(jì)浮點(diǎn)除法指令

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(duì)應(yīng)的微程序，根據(jù)微程序修改描述MACH 芯片功能的ABEL 語(yǔ)言源程序［12］，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)行包含新指令的教學(xué)機(jī)程序。

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 bit浮點(diǎn)數(shù)除法指令。

1.1 浮點(diǎn)數(shù)除法指令的設(shè)計(jì)過(guò)程

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

（1）確定32 bit浮點(diǎn)除法指令FDIV 的格式和功能，見(jiàn)表1。

表1 FDIV的指令格式與功能

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

圖1 32 bit IEEE754浮點(diǎn)數(shù)格式

如圖1 所示，在IEEE 754 格式的32 bit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(duì)于32 bit 浮點(diǎn)數(shù)的偏移量為127。

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(duì)于32 bit浮點(diǎn)數(shù)，這個(gè)整數(shù)位的1 被省略，稱(chēng)為隱藏位。

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

算法132 bit 浮點(diǎn)數(shù)除法運(yùn)算算法。被除數(shù)與除數(shù)都用32 bit IEEE 754 浮點(diǎn)數(shù)表示，被除數(shù)存放在R1、R0 寄存器，除數(shù)存放在R3、R2 寄存器，商為32 bit IEEE 754 浮點(diǎn)數(shù)，商存放在R1、R0 寄存器中。

（1）如果R2和R3都是0，即除數(shù)近似為0，則置除數(shù)為0標(biāo)記，否則，轉(zhuǎn)（2）；

（2）如果R1和R0都是0，即被除數(shù)近似為0，則結(jié)果近似為0，結(jié)束，否則，轉(zhuǎn)（3）；

（3）取被除數(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）取除數(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，其中，J表示階碼部分；

（5）階碼相減：（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，階碼相減時(shí)，127 被減去了，因此，需要把階碼差加上127。即（R6）＋（0001 1111 1100 0000）2→R6；

（7）將除法的符號(hào)位保存在R7最高位；

（8）取被除數(shù)的尾數(shù)部分，并恢復(fù)隱藏位，存放在R1、R0寄存器，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）取得除數(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，其中，W表示階碼部分；

（10）將R9、R8寄存器清為0，R9、R8寄存器存放商；

（11）令R10寄存器為24，24為相除的次數(shù)；

（12）比較R1和R3，相等，轉(zhuǎn)（13），否則，轉(zhuǎn)（14）；

（13）比較R0和R2，如果（R0）≥（R2），C為1，轉(zhuǎn)（15）；否則，C為0，轉(zhuǎn)（16）

（14）如果（R1）≥（R3），則C 為1，轉(zhuǎn)（15），否則，C 為0，轉(zhuǎn)（16）

（15）R1／／R0-R3／／R2→R1／／R0，

（16）帶進(jìn)位C循環(huán)左移R9、R8，即R9←R8←C

（17）R10減1；

（18）如果R10為0，則執(zhí)行（20），否則轉(zhuǎn)（19）；

（19）余數(shù)R1／／R0聯(lián)合左移一位，轉(zhuǎn)（12）；

（20）此時(shí)，R9 和R8 中商為24 位，考慮到被除數(shù)小于除數(shù)的情形，商要左移一位進(jìn)行規(guī)格化，因此，商要多取一位，取25位，若第25商為1，則令R15為1，否則令R15為0；

（21）將R9、R8內(nèi)容分別送R1、R0，將R9清0；

（22）如果R1中尾數(shù)部分最高位為0，則執(zhí)行（23），否則，執(zhí)行（26）；

（23）將R15右移一位，R15最低位移入C觸發(fā)器；

（24）帶進(jìn)位C循環(huán)左移R1、R0，即R1←R0←C；

（25）階碼減1，即00JJ JJJJ JJ00 0000-0000 0000 0100 0000，其中，J表示階碼部分；

（26）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（27）；

（27）R6最高兩位為00 表示結(jié)果沒(méi)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(kāi)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。

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

Python語(yǔ)言具有簡(jiǎn)單易學(xué)、免費(fèi)開(kāi)源和可擴(kuò)展移植性好等特性［13］，選擇Python 語(yǔ)言作為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。

如圖2 所示，TEC-XP16 教學(xué)機(jī)中，一條微指令由16 bit 的下地址字段和32 bit 的控制命令字段共同組成［14］。

圖2 TEC-XP16教學(xué)機(jī)的微指令格式

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 bit浮點(diǎn)數(shù)除法指令對(duì)應(yīng)的由微指令組成的微程序。

為實(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，見(jiàn)表3，用于保存根據(jù)32 bit浮點(diǎn)數(shù)除法運(yùn)算算法編寫(xiě)的90 條匯編指令組成的匯編程序。

表2 MProgram微程序表

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(duì)應(yīng)的微程序的入口地址。設(shè)計(jì)微程序入口地址表MPFAdr，見(jiàn)表4，用于保存32 bit浮點(diǎn)數(shù)除法指令對(duì)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，見(jiàn)表5，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(mǎn)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(mǎn)足，順序執(zhí)行［15］。

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

表5 條件微指令轉(zhuǎn)移所依據(jù)的判斷條件表

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（見(jiàn)表7）用于存儲(chǔ)每一條匯編指令轉(zhuǎn)換成為微指令后，對(duì)應(yīng)的第一條微指令地址start 和最后一條微指令的地址end。（4）在匯編程序表AsblProgram中輸入實(shí)現(xiàn)32 bit浮點(diǎn)數(shù)除法運(yùn)算算法的匯編程序，共有90 條匯編指令，在微程序入口地址表MPFAdr 中輸入FDIV指令的操作碼1110 1101，微程序入口地址為0100 0000。

表7 ISEA匯編指令微指令地址表

（5）根據(jù)算法2，用Python 語(yǔ)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(xiě)入MProgram表，根據(jù)算法4 為JRZ／JRNZ／JRC／JRNC／JRS／JRNS／JR轉(zhuǎn)移類(lèi)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(xiě)入MProgram表，同時(shí)在ISEA表中寫(xiě)入MVRD指令對(duì)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(xiě)入MProgram表，同時(shí)在ISEA表中寫(xiě)入MVRR指令對(duì)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、SBB、XOR、TEST、ADC、CMP、SHR、RCL、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(xiě)入MProgram表，同時(shí)在ISEA表中寫(xiě)入待轉(zhuǎn)換匯編指令對(duì)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(xiě)入MProgram表，同時(shí)在ISEA表中寫(xiě)入待轉(zhuǎn)換匯編指令對(duì)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)（2），（3），直到i ＞maxNum結(jié)束。

在設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)FDIV 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 bit二進(jìn)制數(shù)data16；

（2）計(jì)算data16中1的位數(shù)，記為num＿1（data16）；

（3）如果num＿1（data16）＞1，則執(zhí)行（4），否則，執(zhí)行（12）；

（4）MVRD指令的第一條微指令為SUB指令對(duì)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data16的次數(shù)，記為shiftlr（data16）；

（6）計(jì)算將1111 1111 1111 1111 采用先右移后左移的方法得到data16的次數(shù)，記為shiftrl（data16）；

（7）如果shiftlr（data16）小于等于shiftrl（data16），則執(zhí)行（8），否則，執(zhí)行（10）；

（8）生成16-num＿1（data16）條SHL指令對(duì)應(yīng)的微指令；

（9）生成shiftlr（data16）＋num＿1（data16）-16條SHR指令對(duì)應(yīng)的微指令，結(jié)束。

（10）生成16-num＿1（data16）條SHR指令對(duì)應(yīng)的微指令；

（11）生成shiftrl（data16）＋num＿1（data16）- 16 條SHL指令對(duì)應(yīng)的微指令，結(jié)束。

（12）計(jì)算由0000 0000 0000 00001得到data16的次數(shù)，記為leftshift2（data16），則由DATA 得到data16 需要leftshift2（data16）＋2條微指令；

（13）計(jì)算由1111 1111 1111 11111得到data16的次數(shù)，記為shiftlr（data16），則由DATA 得到data16 需要shiftlr（data16）＋1條微指令；

（14）如果leftshift2（data16）＋2 小于等于shiftlr（data16）＋1，則執(zhí)行（15），否則執(zhí)行（18）；

（15）生成SUB指令對(duì)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(duì)應(yīng)的微指令，該微指令執(zhí)行后得到0000 0000 0000 0001；

（17）生成leftshift2（data16）條SHL 指令對(duì)應(yīng)的微指令，結(jié)束。

（18）生成SUB指令對(duì)應(yīng)的微指令，該微指令執(zhí)行后得到1111 1111 1111 1111；

（19）生成shiftlr（data16）條SHL 指令對(duì)應(yīng)的微指令，結(jié)束。

算法4為JRZ／JRNZ／JRC／JRNC／JRS／JRNS／JR轉(zhuǎn)移類(lèi)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(xún)結(jié)果有n條記錄，令i ＝1；

（2）根據(jù)查詢(xún)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JIstart；

（3）在AsblProgram 表中查找Label 字段等于查詢(xún)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8bit二進(jìn)制，記為JDstart；

（5）更新MProgram表中MIadr 字段等于JIstart 的記錄的Nadr字段值為JDstart；

（6）i ＝i ＋1，重復(fù)（2）～（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(xún)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(xún)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 bit二進(jìn)制，記為JDstart；

（4）如果CC 表中還沒(méi)有Nadr 等于JDstart 的記錄，則在CC表中插入一條記錄，否則，轉(zhuǎn)（5）；

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

（6）根據(jù)算法6，用Python 語(yǔ)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 bit浮點(diǎn)除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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的算法。

（1）打開(kāi)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(duì)象中；

with open（＇m256c.abl＇，＇r＇）as f1：

list1 ＝f1.readlines（）

（2）連接FLOATDIV.db數(shù)據(jù)庫(kù)；

db ＝sqlite3.connect（＇FLOATDIV.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：FDIV ＝（IR ＝＝［1，1，1，0，1，1，0，1］）；

在list1列表對(duì)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；

（5）對(duì)MPFAdr表中的每一條記錄，根據(jù)MPadr字段值，在list1列表對(duì)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)DIV指令的MPadr 字段值為0100 0000，則D6 表達(dá)式中需增加FDIV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list1列表中查找D0 ～D7 時(shí)，可以從CC0表達(dá)式的下一行開(kāi)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(duì)象；

（7）將list1列表對(duì)象寫(xiě)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)象中找到！＿M(jìn)IO00、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I2-0 字段值，在list1 列表對(duì)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I5-3 字段值，在list1 列表對(duì)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I8-6 字段值，在list1 列表對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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（3），否則，結(jié)束。

2 實(shí)驗(yàn)分析

SQLite3 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊是Python 2.5 之后的內(nèi)置模塊［16］，使用時(shí)不用安裝，直接導(dǎo)入即可。為方便python語(yǔ)言編程，按照上述方法在Access 2010 中設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)庫(kù)表后，使用SQLite Expert工具將Access數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)換成SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)。

用Python語(yǔ)言編寫(xiě)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(xiě)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(yǔ)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 bit下地址字段與32 bit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FDIV指令的控制器源程序文件。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：Intel Core i5 CPU M 450 （2.40 GHz），內(nèi)存4 GB，Windows 10 操作系統(tǒng)。

將能夠自動(dòng)將AsblProgram 表中的匯編程序轉(zhuǎn)換成微程序并寫(xiě)入MProgram表、CC表和ISEA表的程序1 運(yùn)行50 次，結(jié)果如圖3 所示，最快只需1.9 s，平均需要2.166 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4 所示，最快只需1.1 s，平均需要1.3 s。

圖3 由AsblProgram表自動(dòng)生成MProgram表時(shí)間

圖4 由MProgram表、CC表等自動(dòng)產(chǎn)生abl文件時(shí)間

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

（1）在Access 2010 數(shù)據(jù)庫(kù)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 bit 浮點(diǎn)除法指令FDIV 的90 條匯編指令，在MPFAdr表中輸入FDIV 指令對(duì)應(yīng)的微程序入口地址0100 0000。

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

（3）用Python語(yǔ)言編寫(xiě)程序1，該程序能從SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)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(xiě)入MProgram表、CC表和ISEA表。

（4）用Python語(yǔ)言編寫(xiě)程序2，該程序能從SQLite3 數(shù)據(jù)庫(kù)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FDIV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(jiàn)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(xiě)一個(gè)實(shí)現(xiàn)2個(gè)32 bit浮點(diǎn)數(shù)除法的教學(xué)機(jī)程序，如圖5 ～6所示，教學(xué)機(jī)中規(guī)定擴(kuò)展指令必須用E命令寫(xiě)入教學(xué)機(jī)內(nèi)存，F(xiàn)DIV指令的二進(jìn)制代碼為ED00（十六進(jìn)制形式），ED 為FDIV 指令的操作碼，被除數(shù)存放在R1、R0寄存器中，除數(shù)存放在R3、R2 寄存器中，最后商保存在R1、R0寄存器中。

圖5 中，被除數(shù)和除數(shù)分別是0100 0001 1011 0000 0000 0000 0000 0000，0100 0000 0101 0000 0000 0000 0000 0000 即1.011 ×24÷1.101 ×21，商為0100 0000 1101 1000 1001 1101 1000 1001，即1.10110001001 1101 1000 1001 ×22，程序運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的32 bit浮點(diǎn)除法指令的功能是正確的。

圖5 包含F(xiàn)DIV指令的教學(xué)機(jī)程序1

圖6 包含F(xiàn)DIV指令的教學(xué)機(jī)程序2

圖6 中，被除數(shù)和除數(shù)分別是0100 0001 0001 1110 1001 0010 0011 0001，0100 0000 0010 0010 0011 1011 1100 0010，即1.00111101001001000110001 ×23÷1.01000100011101111000010 ×21，商為0100 0000 0111 1010 0011 1000 1000 1011，即1.11110100 01110001000 1011 ×21，程序運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的32 bit浮點(diǎn)除法指令的功能是正確的。

3 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)的微程序控制器中擴(kuò)展較復(fù)雜指令，如32 bit 浮點(diǎn)數(shù)除法指令的文獻(xiàn)。本文對(duì)TEC-XP16 教學(xué)機(jī)微程序控制器中擴(kuò)展32 bit浮點(diǎn)數(shù)除法指令進(jìn)行了嘗試，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種32 bit IEEE 754 浮點(diǎn)數(shù)除法指令，測(cè)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 bit浮點(diǎn)數(shù)除法指令的功能是正確的。

為解決原來(lái)采用人工方式將TEC-XP16 教學(xué)機(jī)匯編程序轉(zhuǎn)換成微程序效率低且容易出錯(cuò)等問(wèn)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源程序速度慢及容易出錯(cuò)等問(wèn)題，提出了一種能夠根據(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 bit 浮點(diǎn)除法指令功能是正確的，平均只需要2.16 s就能根據(jù)匯編程序表自動(dòng)生成微程序表，平均只需1.3 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(yǔ)言源程序，極大提高了32 bit浮點(diǎn)除法指令的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效率。本文提出的方法也可推廣到其他復(fù)雜指令的設(shè)計(jì)。