TEC-XP16教學機浮點運算指令快速設(shè)計方法

宗德才，王康康

(1.常熟理工學院計算機科學與工程學院,江蘇 常熟 215500; 2.江蘇科技大學數(shù)理學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

目前，國內(nèi)很多高校計算機組成原理實驗教學內(nèi)容主要是基于TEC-XP16教學計算機而開展進行的。為了使學生更好掌握計算機的各個組成部件的工作原理，理解指令的執(zhí)行流程，系統(tǒng)地建立計算機整機概念，迫切需要開發(fā)一些設(shè)計性實驗，如在TEC-XP16教學計算機中設(shè)計一些新指令。

文獻[1]設(shè)計了一種4 bit乘法指令與除法指令；文獻[2-3]將EDA軟件Proteus應(yīng)用于教學實驗中,其缺點是很難形成對計算機硬件的直觀理解；文獻[4]設(shè)計了14條指令；文獻[5]設(shè)計了加法等指令；文獻[6]要求學生至少設(shè)計實現(xiàn)7條指令。文獻[7]設(shè)計了一種簡單的定點數(shù)減法運算的微程序；文獻[8]設(shè)計了一種簡單的累加器加立即數(shù)加法指令；文獻[9-14]設(shè)計了一種簡單的寄存器型加法或減法指令。文獻[1-14]中都未設(shè)計浮點除法等復雜指令。文獻[15]介紹了TH-union教學機微程序控制器的原理及實驗步驟，沒有擴展新指令。文獻[16]在TEC-2000教學機微程序控制器中設(shè)計實現(xiàn)了4條簡單的擴展指令。文獻[17]在TEC-2000教學機微程序控制器中設(shè)計實現(xiàn)了2條簡單的擴展指令。文獻[16-17]在TEC-2000教學機微程序控制器中擴展的指令都比較簡單。文獻[18]研究了在TEC-XP16組合邏輯控制器中擴展簡單指令的方法。文獻[19]提出一種微程序控制器中8 bit無符號乘法指令與8 bit無符號除法指令的設(shè)計方法，均需要20多條微指令組成的微程序來實現(xiàn)，設(shè)計好微程序后都采用手工方式修改控制器源程序，效率低。文獻[20-22]基于硬件描述語言設(shè)計實現(xiàn)了浮點運算單元，能夠執(zhí)行基于RISC-V的浮點運算指令。文獻[23]設(shè)計了一種有效的浮點乘加單元，能夠執(zhí)行浮點乘加指令和浮點加法指令。目前，國內(nèi)外還沒有研究在TEC-XP16教學機中設(shè)計實現(xiàn)浮點運算指令的文獻。

基于TEC-XP16教學機，研究微程序控制器中32 bit浮點運算指令的一種通用的設(shè)計方法，能夠快速實現(xiàn)各種浮點運算指令。為解決傳統(tǒng)人工方式設(shè)計微程序效率低且容易出錯等問題，首先，設(shè)計匯編語言程序表、微程序表等數(shù)據(jù)庫表，并用Python語言設(shè)計程序，能夠根據(jù)匯編語言源程序直接自動生成微程序。同時，為解決手工修改控制器ABEL語言源程序速度慢及容易出錯等問題，提出一種能夠根據(jù)微程序表等數(shù)據(jù)庫表自動修改控制器ABEL語言源程序的方法。用戶只需將事先設(shè)計好的實現(xiàn)浮點運算指令的匯編語言源程序輸入?yún)R編語言程序表，即可在7 s之內(nèi)得到能夠運行浮點運算指令的微程序控制器源程序。為了驗證本文提出的方法，在本文中設(shè)計了4種浮點運算指令，即32 bit浮點乘法指令FMUL、32 bit浮點除法指令FDIV、32 bit浮點加法指令FADD、32 bit浮點減法指令FSUB，并給出了實現(xiàn)32 bit浮點減法指令的算法。最后，測試了4種浮點運算指令的功能，并分析了采用本文方法實現(xiàn)4種浮點運算指令所需要的時間。

1 微程序控制器中設(shè)計浮點運算指令

在TEC-XP16教學機微程序控制器中擴展指令時，首先，設(shè)計新指令對應(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[24]，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，在教學機上調(diào)試運行包含新指令的教學機程序。

本文在TEC-XP16教學機微程序控制器中設(shè)計實現(xiàn)了4種32 bit浮點運算指令。

在TEC-XP16教學機的微程序控制器中設(shè)計實現(xiàn)浮點運算指令的主要過程如下。

1.1 設(shè)計相關(guān)數(shù)據(jù)庫表

為了實現(xiàn)由匯編語言源程序自動生成微程序這一功能，設(shè)計了匯編語言程序表AsblProgram，如表1所示。表1中FLINST字段用于表示當前匯編語句是屬于FMUL、FDIV、FADD、FSUB中哪一條浮點運算指令；Number字段表示當前匯編語句是屬于浮點運算指令中的第幾條匯編語句；Iname字段表示當前匯編語句的名稱；Label表示匯編語句的標號，供轉(zhuǎn)移類語句控制轉(zhuǎn)移使用，當需要用符號地址來訪問該語句時，才給此語句賦予標號；Itype字段表示匯編語句的類型；Dest表示匯編語句的目的操作數(shù)地址；Src表示源操作數(shù)地址；DstAdr表示轉(zhuǎn)移類匯編語句的轉(zhuǎn)移目標地址，用標號表示目標地址。

表1 AsblProgram匯編語言程序表

在TEC-XP16教學機中，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[25]。

根據(jù)TEC-XP16教學機微指令的格式，設(shè)計了微程序表MProgram，如表2所示，用于保存32 bit浮點運算指令對應(yīng)的由微指令組成的微程序。表2中FLINST字段用于表示當前微指令對應(yīng)FMUL、FDIV、FADD、FSUB中哪一條浮點運算指令；MIadr字段表示當前微指令地址；Nadr表示當前微指令中的8位下地址；Cmd表示當前微指令中的4位命令碼；SCC表示當前微指令中的4位微轉(zhuǎn)移條件。

表2 MProgram微程序表

表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，順序執(zhí)行。命令碼CI3～CI0為0010時，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)計了微程序入口地址表MPFAdr，如表3所示，用于保存32 bit浮點運算指令對應(yīng)的微程序的第一條微指令的地址。

表3 MPFAdr微程序入口地址表

命令碼CI3～CI0為0011時，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)移時給出轉(zhuǎn)移依據(jù)的條件，條件滿足時發(fā)生轉(zhuǎn)移，下一條微指令的地址為當前微指令中8位下地址的內(nèi)容；條件不滿足，順序執(zhí)行[26]。

設(shè)計了微指令轉(zhuǎn)移判斷條件表CC，如表4所示，用于保存微指令轉(zhuǎn)移的條件。

表4 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)計了ISEA表(如表5所示)，用于存儲每一條匯編指令轉(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5 ISEA匯編語句微指令地址表

1.2 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫并創(chuàng)建表結(jié)構(gòu)

在Access 2010數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，創(chuàng)建名為fpys.mdb的數(shù)據(jù)庫并根據(jù)表1～表5創(chuàng)建表結(jié)構(gòu)。

1.3 設(shè)計實現(xiàn)浮點運算指令的匯編語言源程序

設(shè)計實現(xiàn)浮點運算指令FMUL、FDIV、FADD、FSUB的匯編語言源程序，并按照表1～表5的結(jié)構(gòu)將匯編語言源程序輸入到一個Excel文件中，然后將Excel中數(shù)據(jù)導入fpys.mdb中的匯編語言程序表AsblProgram。

Access數(shù)據(jù)編輯功能較弱，因此，首先將數(shù)據(jù)輸入到Excel中，然后再將Excel中數(shù)據(jù)導入到Acces數(shù)據(jù)表中。

由于教學機硬件資源的限制，不能同時生成FMUL、FDIV、FADD、FSUB指令的控制器源文件，每次只能生成一條浮點運算指令的控制器源文件，因此，fpys.mdb中的匯編語言程序表AsblProgram中每次只能輸入一條浮點運算指令的匯編語言源程序，下文以浮點減法指令FSUB的設(shè)計實現(xiàn)過程為主對其進行闡述。

對設(shè)計實現(xiàn)的浮點運算指令的匯編語言源程序進行分析后發(fā)現(xiàn)，可以將匯編指令分成3類，即轉(zhuǎn)換后只生成一條微指令的匯編指令、轉(zhuǎn)換后生成2條微指令的匯編指令、轉(zhuǎn)換后生成多條(超過2條)微指令的匯編指令，如表6所示。

表6 教學機匯編語句與微指令條數(shù)

首先，設(shè)計32 bit浮點運算指令的格式和功能，如表7所示。

表7 浮點運算指令的格式與功能

如圖1所示，在IEEE 754格式的32 bit浮點數(shù)中最高位是數(shù)符，表示浮點數(shù)的正負，階碼用移碼表示，階碼的真值都被加上一個偏移量，對于32 bit浮點數(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，在實際的表示中，對于32位浮點數(shù)，這個整數(shù)位的1被省略，稱為隱藏位。

TEC-XP16教學機中共有16個16位的通用寄存器R0～R15。32 bit浮點數(shù)需要用2個通用寄存器來表示。

下面給出設(shè)計浮點減法指令FSUB的匯編語言源程序的過程。

按32 bit浮點減法指令FSUB的格式與功能，設(shè)計32 bit浮點減法算法，如算法1。

算法1 32 bit浮點減法運算算法。被減數(shù)與減數(shù)都用32 bit IEEE 754浮點數(shù)表示，被減數(shù)存放在R1、R0寄存器，減數(shù)存放在R3、R2寄存器，差為32 bit IEEE 754浮點數(shù)，最后，差存放在R1、R0寄存器中。

1)將R3最高位取反，即減數(shù)符號位取反。

2)R3內(nèi)容送R12，R12最高位清為0，R12和R2做或運算，運算結(jié)果為0，即減數(shù)絕對值為2-127，則差近似等于被減數(shù)，置不溢出標志C=0，結(jié)束，否則，轉(zhuǎn)步驟3。

3)R1內(nèi)容送R12，R12最高位清為0，R12和R0做或運算，運算結(jié)果為0，即被減數(shù)絕對值為2-127，被減數(shù)近似為0，則R3內(nèi)容送R1，R2內(nèi)容送R0，置不溢出標志C=0，結(jié)束，否則，轉(zhuǎn)步驟4。

4)取被減數(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)2，其中，J表示階碼部分。

5)取減數(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)2，其中，J表示階碼部分。

6)如果(R6)≥(R7)，則轉(zhuǎn)步驟9，否則，轉(zhuǎn)步驟7。

7)R0與R2相互交換，R1與R3相互交換，即交換被減數(shù)和減數(shù)。

8)R7內(nèi)容送R8，(R8)-(R6)→R8，R8中內(nèi)容為階差×64，R7內(nèi)容送R6，轉(zhuǎn)步驟10。

9)R6內(nèi)容送R8，(R8)-(R7)→R8，R8中內(nèi)容為階差×64。

10)判斷R8中內(nèi)容是否大于(0000 0110 0000 0000)2，即階碼差是否大于24，如果階差大于24，則結(jié)束，否則，轉(zhuǎn)步驟11。

11)R1和R3做異或運算，運算結(jié)果的標志位保存到堆棧。

12)將R1的最高位保存在R7最高位。

13)取得被減數(shù)的尾數(shù)部分，并恢復隱藏位，存放在R1、R0寄存器，R1、R0中結(jié)果為(0000 0000 1WWW WWWW WWWW WWWW WWWW WWWW)2，其中，W表示階碼部分。

14)取得減數(shù)的尾數(shù)部分，并恢復隱藏位，存放在R3、R2寄存器，R3、R2中結(jié)果為(0000 0000 1WWW WWWW WWWW WWWW WWWW WWWW)2，其中，W表示階碼部分。

15)將R9寄存器清為0。

16)判斷R8中內(nèi)容是否大于(0000 0100 0000 0000)2，即階碼差是否大于等于16，如果階差大于等于16，則轉(zhuǎn)步驟17，否則，轉(zhuǎn)步驟19。

17)R2內(nèi)容送R9，R3內(nèi)容送R2，R3清為0，即減數(shù)尾數(shù)右移16位。

18)(R8)-(0000 0100 0000 0000)2→R8，即階碼差減去16。

19)判斷R8內(nèi)容是否為0，如果R8內(nèi)容為0，則轉(zhuǎn)步驟23，否則，轉(zhuǎn)步驟20。

20)R3//R2//R9聯(lián)合右移一位。

21)(R8)-(0000 0000 0100 0000)2→R8，即階碼差減去1。

22)判斷R8是否為0，如果R8不為0，則轉(zhuǎn)步驟20；否則，轉(zhuǎn)步驟23。

23)標志位出棧，恢復標志位，如果標志位S為1，即被減數(shù)與減數(shù)尾數(shù)符號不同，尾數(shù)要做減法運算，轉(zhuǎn)步驟24，否則，轉(zhuǎn)步驟37。

24)R9每一位取反，最低位加1。

25)(R0)-(R2)-C→R0。

26)(R1)-(R3)-C→R1。

27)如果R1//R0//(0000)16≥R3//R2//R9,此時C為1，轉(zhuǎn)步驟30；否則，C為0，轉(zhuǎn)步驟28。

28)R1//R0//R9每一位取反，在R9最低位加1。

29)將R7最高位取反。

30)R0和R1都為0，則置不溢出標志C=0，結(jié)束，否則，轉(zhuǎn)步驟31。

31)判斷尾數(shù)是否規(guī)格化數(shù)，如果不是，則轉(zhuǎn)步驟32，否則，轉(zhuǎn)步驟33。

32)R1//R0//R9聯(lián)合左移一位，階碼減去1，轉(zhuǎn)步驟31。

33)進行舍入處理，如果R9最高位為1，則R1//R0+1→R1//R0；否則，R1//R0保持不變。

34)判斷尾數(shù)是否溢出，如果溢出，則R1//R0聯(lián)合右移一位，階碼加1，轉(zhuǎn)步驟35；否則直接轉(zhuǎn)步驟35。

35)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27。

36)R6最高2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。

37)R1//R0+R3//R2→R1//R0。

38)判斷尾數(shù)是否溢出，如果溢出，則轉(zhuǎn)步驟39；否則轉(zhuǎn)步驟33。

(39)R1//R0//R9聯(lián)合右移一位，階碼加1，轉(zhuǎn)步驟38。

然后，根據(jù)算法1用表6中的教學機匯編語句設(shè)計實現(xiàn)浮點減法指令FSUB的匯編語言源程序。

1.4 根據(jù)匯編語言源程序生成微程序

首先，使用SQLite Expert軟件將fpys.mdb文件轉(zhuǎn)換為SQLite3數(shù)據(jù)庫文件FLOATYS.db。

然后，根據(jù)算法2和算法3，用Python語言編程(記為程序P1)，能夠?qū)sblProgram表中的匯編語言源程序自動轉(zhuǎn)換成微程序并寫入MProgram表，根據(jù)算法4為轉(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為條件轉(zhuǎn)移類指令生成CC表。

Python語言具有簡單易學、免費開源和可擴展移植性好等特性[27]，因此，本文選擇Python語言作為程序設(shè)計語言。

算法2 由匯編語言源程序生成微程序算法。

1)從AsblProgram表中查找最大Number字段值，記為maxN，令i=1。

2)查找AsblProgram表中Number字段等于i的記錄，得到第i條匯編指令，記為INSTi。

3)如表6所示，如果INSTi的Iname為MVRR、OR、AND、ADD、SUB等，則只需要轉(zhuǎn)換成一條相應(yīng)的微指令并寫入MProgram表，同時在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，并且start=end。

如果INSTi的Iname為PSHF、POPF，則需要轉(zhuǎn)換成2條相應(yīng)的微指令并寫入MProgram表，同時在ISEA表中寫入start和end，并且end=start+1。

如果INSTi的Iname為MVRD，則根據(jù)算法3轉(zhuǎn)換為多條微指令并寫入MProgram表，同時在ISEA表中寫入待轉(zhuǎn)換MVRD指令對應(yīng)的start和end；

4)i=i+1,重復步驟2和步驟3，直到i>maxN結(jié)束。

在設(shè)計的實現(xiàn)浮點運算指令的匯編語言源程序中，MVRD Ri、DATA指令中，DATA值有十六進制數(shù)7F80、1FC0、8000、007F、0010、0001、0008、0040、0080、0100。根據(jù)DATA中1是連續(xù)的特點，設(shè)計了算法3，算法3的設(shè)計目標是盡量用最少的微指令實現(xiàn)MVRD指令。

算法3 MVRD Ri,DATA指令轉(zhuǎn)換成多條微指令算法。

1)將十六進制數(shù)DATA轉(zhuǎn)換成16位二進制數(shù)D16。

2)計算D16中1的位數(shù)，記為S1。

3)如果S1>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)2。

5)計算將(1111 1111 1111 1111)2采用先左移后右移的方法得到D16的次數(shù)，記為LR(D16)。

6)計算將(1111 1111 1111 1111)2采用先右移后左移的方法得到D16的次數(shù)，記為RL(D16)。

7)如果LR(D16)≤RL(D16)，則執(zhí)行步驟8，否則，執(zhí)行步驟10。

8)生成16-S1條SHL指令對應(yīng)的微指令。

9)生成LR(D16)+S1-16條SHR指令對應(yīng)的微指令，結(jié)束。

10)生成16-S1條SHR指令對應(yīng)的微指令。

11)生成RL(D16)+S1-16條SHL指令對應(yīng)的微指令，結(jié)束。

12)計算由(0000 0000 0000 0001)2得到D16的次數(shù)，記為L(D16)，則由DATA得到D16需要L(D16)+2條微指令。

13)計算由(1111 1111 1111 11111)2得到D16的次數(shù)，記為L1(D16)，則由DATA得到D16需要L1(D16)+1條微指令。

14)如果L(D16)+2≤ L1(D16)+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)2。

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)2。

17)生成L(D16)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)2。

19)生成L1(D16)條SHL指令對應(yīng)的微指令，結(jié)束。

以MVRD R7,7F80為例，D16=(0111 1111 1000 0000)2，S1=8，LR(D16)=9，RL(D16)=15，LR(D16)=9

算法4 轉(zhuǎn)移類匯編指令生成微指令中的下地址算法。

JRZ、JRNZ、JRC、JRNC、JRS、JRNS和JR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JMIadr。

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DNum。

4)在ISEA表中查找Number字段等于DNum的記錄的start字段值，并轉(zhuǎn)換成8位二進制，記為JDMIadr。

5)更新MProgram表中MIadr字段等于JMIadr的記錄的Nadr字段值為JDMIadr。

6)i=i+1,重復步驟2～步驟5，直到i>n結(jié)束。

如圖2所示，以匯編指令JRC FPAdd_no_exchg為例，Number=45，start=108，JMIadr=MA6C，DNum=56，JDMIadr=(01110111)2，因此，將會更新MIadr為MA6C的微指令的Nadr為(01110111)2。

圖2 實現(xiàn)FSUB浮點指令的匯編語言程序片段

算法5 條件轉(zhuǎn)移類指令生成微指令轉(zhuǎn)移判斷條件算法。

1)從AsblProgram表中查找Itype為3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DNum。

3)在ISEA表中查找Number字段等于DNum的記錄的start字段值，并轉(zhuǎn)換成8位二進制，記為JDMIadr。

4)如果CC表中還沒有Nadr等于JDMIadr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,重復步驟2～步驟4，直到i>n結(jié)束。

如圖3所示，以匯編指令JRC FPAdd_no_exchg為例，DNum=56，JDMIadr=01110111，因此，將會在CC表插入一條記錄“0100，F(xiàn)SUB，01110111，C==1”。

圖3 CC表中插入的記錄

1.5 根據(jù)微程序等生成控制器源文件

根據(jù)算法6，用Python語言編程(記為程序P2)，能夠根據(jù)MPFAdr表以及1.1.4節(jié)的程序P1生成的MProgram表、CC表自動生成實現(xiàn)了32 bit浮點運算指令的控制器源文件m256c6.abl。

算法6 由微程序生成控制器源程序算法。

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，Python語言代碼如下：

with open(′m256c.abl′, ′r′) as f1:

list1=f1.readlines()

2)連接數(shù)據(jù)庫，Python語言代碼如下：

db=sqlite3.connect(′FLOATYS.db′)

3)從MPFAdr表中讀取所有記錄，將所有記錄的Iname字段值和Opcode字段值組成一個字符串INST_OPCODE。

對于FSUB指令，INST_OPCODE為“FSUB=(IR==[1,1,1,0,1,1,1,0]);”。

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INST_OPCODE。

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list1列表對象中CC0表達式。

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邏輯表達式所在的行并進行修改，例如，F(xiàn)SUB指令的MPadr字段值為0100 0000，則D6表達式中需增加FSUB信號；由于m256c.abl文件中D0～D7表達式出現(xiàn)在CC0表達式后面，因此，在list1列表中查找D0～D7時，可以從CC0表達式的下一行開始查找，這樣可提高查找速度。

6)根據(jù)MProgram表中記錄修改list1列表對象中的下地址、命令碼、微轉(zhuǎn)移條件和控制信號。

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

2 實驗分析

如圖4～圖5所示，為了驗證所設(shè)計的32 bit浮點減法指令FSUB是否正確，設(shè)計了一個包含F(xiàn)SUB的教學機程序。教學機中規(guī)定擴展指令必須用E命令寫入教學機內(nèi)存，F(xiàn)SUB指令的二進制代碼為EE00(用十六進制形式表示)，EE為FSUB指令的操作碼，被減數(shù)存放在R1、R0寄存器中，減數(shù)存放在R3、R2寄存器中，最后差保存在R1、R0寄存器中。由于論文篇幅關(guān)系，包含F(xiàn)MUL指令、FDIV指令、FADD指令的教學機程序的運行結(jié)果文中未給出。

圖4 包含F(xiàn)SUB指令的教學機程序1

圖5 包含F(xiàn)SUB指令的教學機程序2

圖4中，被減數(shù)是十六進制數(shù)40700006，即二進制數(shù)0100 0000 0111 0000 0000 0000 0000 0110，減數(shù)是十六進制數(shù)40000003，即二進制數(shù)0100 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011，1.11100000000000000000110×21-1.00000000000000000000011×21，差為1.11000000000 000000000110×20，即二進制數(shù)0011 1111 1110 0000 0000 0000 0000 0110，十六進制數(shù)3FE00006，程序運行結(jié)果驗證了所設(shè)計和實現(xiàn)的32 bit浮點減法指令的功能是正確的。

圖5中，被減數(shù)是十六進制數(shù)40900007，即二進制數(shù)0100 0000 1001 0000 0000 0000 0000 0111，減數(shù)是十六進制數(shù)40000002，即二進制數(shù)0100 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010，1.00100000000000000000111×22-1.00000000000000000000010×21，差為1.01000000000000000001100×21，即二進制數(shù)0100 0000 0010 0000 0000 0000 0000 1100，十六進制數(shù)4020000C，程序運行結(jié)果驗證了所設(shè)計和實現(xiàn)的32 bit浮點減法指令的功能是正確的。

下面分析采用本文方法實現(xiàn)4種浮點運算指令所需要的時間。

首先，按上述方法設(shè)計好數(shù)據(jù)庫表，并在AsblProgram表中輸入事先設(shè)計好的實現(xiàn)4種浮點運算指令的匯編語言源程序。

對于4種浮點運算指令，將能夠自動將AsblProgram表中的匯編語言源程序轉(zhuǎn)換成微程序并寫入MProgram表、CC表和ISEA表的程序P1分別運行50次，將能根據(jù)MPFAdr表和程序P1生成的MProgram、CC表中的內(nèi)容自動修改微程序控制器源程序文件的程序P2分別運行50次。實驗結(jié)果如表8所示。

表8 4種浮點運算指令分析

實驗環(huán)境為：Intel Core i5 CPU M 450 (2.40 GHz)，內(nèi)存 4 GB，Windows 10操作系統(tǒng)。

如表8所示，實現(xiàn)浮點運算指令FMUL、FDIV、FADD、FSUB的匯編語言源程序最終分別轉(zhuǎn)換成193條、159條、165條、167條微指令。將AsblProgram表中的匯編語言源程序轉(zhuǎn)換成微程序的平均時間分別為1.95 s、2.16 s、4.26 s、4.39 s。根據(jù)微程序自動生成微程序控制器源程序文件的平均時間分別為0.71 s、1.32 s、1.65 s、1.72 s。

3 結(jié)束語

目前，國內(nèi)外還沒有研究在TEC-XP16教學機的微程序控制器中擴展較復雜指令，如32 bit浮點運算指令的文獻。本文對TEC-XP16教學機微程序控制器中擴展32 bit浮點運算指令進行了嘗試，提出了一種通用的32 bit浮點運算指令快速設(shè)計方法。

為解決原來采用人工方式將TEC-XP16教學機匯編程序轉(zhuǎn)換成微程序效率低且容易出錯等問題，設(shè)計了匯編語言程序表和微程序表，并用Python語言設(shè)計了程序，能夠根據(jù)匯編語言源程序直接自動生成微程序。同時，為解決手工修改控制器源程序速度慢及容易出錯等問題，提出了一種能夠根據(jù)微程序自動修改生成微程序控制器源程序的方法。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的32 bit浮點運算指令的功能是正確的，平均在5 s內(nèi)就能根據(jù)匯編語言程序表自動生成微程序表，平均只需在2 s內(nèi)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修改并生成控制器ABEL語言源程序，極大提高了32 bit浮點運算指令的設(shè)計實現(xiàn)效率。本文提出的方法也可推廣到其他復雜指令的設(shè)計。

下一步將嘗試在TEC-XP16教學機組合邏輯控制器中設(shè)計32 bit浮點數(shù)乘法、除法指令等復雜指令。