COP2000實現(xiàn)補(bǔ)碼Booth乘法

I-課程設(shè)計名稱：計算機(jī)組成原理課程設(shè)計課程設(shè)計題目：COP2000實現(xiàn)補(bǔ)碼Booth乘法目錄TOC\o"1-3"\h\z第1章總體設(shè)計方案 21.1設(shè)計原理 21.2設(shè)計思路 21.3設(shè)計環(huán)境 2第2章詳細(xì)設(shè)計方案 32.1總體和各功能模塊詳細(xì)設(shè)計方案 32.2總體和各功能模塊的流程圖 5第3章程序調(diào)試過程與結(jié)果分析 103.1程序調(diào)試過程 103.2結(jié)果分析 10參考資料 15附錄 16第1章總體設(shè)計方案1.1設(shè)計原理課程設(shè)計內(nèi)容：利用COP2000的指令集編程實現(xiàn)兩個7bit（含1bit符號位）補(bǔ)碼相乘的功能，要求被乘數(shù)，乘數(shù)是7bit補(bǔ)碼，乘積是13位補(bǔ)碼。實現(xiàn)任務(wù)的基本原理是Booth算法。1.2設(shè)計思路Booth補(bǔ)碼一位乘的設(shè)計主要包括五個功能模塊。①初始化：完成部分積，附加位，循環(huán)次數(shù)的初始化。②求和：根據(jù)YnYn+1的值選擇部分積和[X]補(bǔ)、[-X]補(bǔ)或是0相加。③右移：完成部分積和乘數(shù)部分整體右移一位，其中部分積是算術(shù)右移。④判斷循環(huán)次數(shù)：完成一次求和和右移操作后循環(huán)次數(shù)減一，最后一次只求和不進(jìn)行右移操作。⑤結(jié)果輸出：將部分積和乘數(shù)部分分別保存到內(nèi)存中。設(shè)計環(huán)境本次課程設(shè)計的環(huán)境是COP2000實驗平臺自帶的集成開發(fā)環(huán)境，允許用戶進(jìn)行程序的編寫、模擬運(yùn)行、觀察數(shù)據(jù)通路等操作。COP2000實驗平臺對應(yīng)的模型機(jī)為8位機(jī)，數(shù)據(jù)總線和地址總線均為8位。它包括了一個標(biāo)準(zhǔn)CPU所具備的所有部件，這些部件包括：運(yùn)算器ALU、累加器A、工作寄存器W、左移門L、直通門D、右移門R、寄存器組R0~R3、程序計數(shù)器PC、地址寄存器MAR、堆棧寄存器ST、中斷向量寄存器IA、輸入端口IN、輸出端口寄存器OUT、程序存儲器EM、指令寄存器IR、微程序計數(shù)器uPC、微程序存儲器uM等。此次課設(shè)是使用COP2000的指令集編程，所使用的部分指令如下：ADDA,R？；將寄存器R？中的值送到累加器A中ADDA，MM；將存儲器MM地址中的值送到累加器A中ADDA，#II；將立即數(shù)II加到累加器中SUBA，#II；從累加器A中減去立即數(shù)II加入累加器A中ANDA，#II；累加器A“與”立即數(shù)IIORA，#II；累加器A“或”立即數(shù)IIMOVA，R？；將寄存器R？的值送到累加器A中MOVA，MM；將存儲器MM地址中的值送到累加器A中MOVA，#II；將立即數(shù)II送到累加器A中MOVMM,A；將累加器A中的值送到存儲器MM地址中MOVR？，#II；將立即數(shù)II送到寄存器R？中JZMM；若零標(biāo)志位置1，跳轉(zhuǎn)到MM地址JMPMM；跳轉(zhuǎn)到MM地址IN；從輸入端口讀入數(shù)據(jù)到累加器A中OUT；將累加器A中的數(shù)據(jù)輸出到輸出端口RRA；累加器A右移CPLA；累加器A取反，再存入累加器A中第2章詳細(xì)設(shè)計方案2.1各功能模塊詳細(xì)設(shè)計方案2.1.1總體設(shè)計方案由于Booth補(bǔ)碼一位乘里包含部分積，乘數(shù)的補(bǔ)碼[Y]補(bǔ)，附加位Yn+1，被乘數(shù)的補(bǔ)碼[X]補(bǔ)，被乘數(shù)的相反數(shù)的補(bǔ)碼[-X]補(bǔ)，還有循環(huán)次數(shù)n。用寄存器R0保存部分積，R1保存循環(huán)的次數(shù)，R2保存輸入的被乘數(shù)，R3保存輸入的乘數(shù)，存儲器0F0H地址空間內(nèi)中保存的是被乘數(shù)的補(bǔ)碼[X]補(bǔ)，0F1H中保存的是被乘數(shù)相反數(shù)的補(bǔ)碼[-X]補(bǔ)，0F2H中保存乘數(shù)的補(bǔ)碼，0F3H中保存附加位Yn+1，最后的結(jié)果部分積保存在0E0H中，乘數(shù)部分保存在0E1H中。由于被乘數(shù)和乘數(shù)都是包含符號位在內(nèi)的7位補(bǔ)碼，乘積是包含符號位在內(nèi)的13位補(bǔ)碼，其中前7位來自部分積的低7位，后6位來自乘數(shù)部分的前6位。2.1.2初始化模塊設(shè)計方案初始化部分應(yīng)該完成部分積和附加位Yn+1的初始化，即R0初始化為0，0F3H初始化為0，并且循環(huán)次數(shù)初始化為6，即R1被初始化為6（因為乘數(shù)和被乘數(shù)都是包含符號位在內(nèi)的7位補(bǔ)碼，因此循環(huán)次數(shù)為6）。之后還應(yīng)該完成被乘數(shù)和乘數(shù)的輸入，分別將被乘數(shù)和乘數(shù)的補(bǔ)碼存放到R2和R3中。接著判斷被乘數(shù)的正負(fù)，將被乘數(shù)的補(bǔ)碼及其相反數(shù)的補(bǔ)碼以雙符號位的形式存放到0F0H和0F1H中（正數(shù)的雙符號位是00，負(fù)數(shù)的雙符號位是11，運(yùn)算過程中采用雙符號位是為了防止假溢出，其最高位才是真正的符號位），最后將乘數(shù)的補(bǔ)碼存到0F2H中。2.1.3求和模塊設(shè)計方案根據(jù)乘數(shù)部分的最低位Yn和附加位Yn+1的值來確定部分積和哪個數(shù)相加，當(dāng)YnYn+1是00時，部分積加0；YnYn+1是01，部分積加[X]補(bǔ)；YnYn+1是10時，部分積加[-X]補(bǔ)；YnYn+1是11，部分積加0。判斷YnYn+1的值的過程如下，先判斷Yn的值，接著再判斷附加位Yn+1，若部分積加0，則直接進(jìn)入下一模塊，即右移模塊，否則，部分積加上[X]補(bǔ)或[-X]補(bǔ)再進(jìn)入下一模塊。在求和過程中使用雙符號位補(bǔ)碼。2.1.4右移模塊設(shè)計方案右移過程需將部分積和乘數(shù)部分整體右移一位，部分積的右移是算術(shù)右移，即要保留符號位，部分積的最低位應(yīng)移到乘數(shù)部分的最高位，乘數(shù)部分的最低位應(yīng)移到附加位部分，由于部分積、乘數(shù)、附加位是分開存放的，如果直接移位會導(dǎo)致最低位丟失數(shù)據(jù)。因此應(yīng)該先將乘數(shù)的最低位保存到附加位，再將乘數(shù)右移一位，之后將部分積最低位保存到乘數(shù)的最高位，再將部分積右移。但由于部分積采用雙符號位運(yùn)算，部分積在移位之后要判斷次高位是0還是1，若是0，說明原來的部分積是正數(shù)，應(yīng)將部分積的最高位寫成0，否則，說明部分積原來是負(fù)數(shù)，應(yīng)將最高位寫成1。右移完之后接循環(huán)模塊。2.1.5判斷循環(huán)次數(shù)模塊設(shè)計方案當(dāng)求和和右移運(yùn)行完成后，就完成了一次循環(huán)，這時循環(huán)次數(shù)應(yīng)該減一，接著判斷是否是最后一次循環(huán)，若不是最后一次循環(huán)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行求和模塊，再執(zhí)行右移模塊，若是最后一次循環(huán)，則只執(zhí)行求和模塊而不再右移，接著轉(zhuǎn)輸出模塊。2.1.6結(jié)果輸出模塊設(shè)計方案要求結(jié)果是包含符號位在內(nèi)的13位補(bǔ)碼，對于部分積，先將后六位數(shù)保留再判斷部分積的最高位的符號，若是1，將部分積的次高位寫為1，若是0，將部分積的次高位寫為0，這樣就將部分積的后7位保留。然后再將乘數(shù)部分的前六位保留，將部分積和乘數(shù)部分分別存到0E0H和0E1H中，并將結(jié)束輸出。2.2總體和各功能模塊的流程圖2.2.1總控流程圖總控流程包括初始化、求和、右移、判斷循環(huán)次數(shù)、輸出五個模塊?？偪亓鞒倘鐖D2.1所示。圖2.1總控流程圖2.2.2初始化模塊流程圖初始化部分包括部分積、附加位和循環(huán)次數(shù)的初始化并且要輸入被乘數(shù)的補(bǔ)碼和乘數(shù)的補(bǔ)碼。初始化流程圖如圖2.2所示。圖2.2初始化模塊流程圖說明：部分積，附加位和循環(huán)次數(shù)分別保存在R0、內(nèi)存中的0F3H單元、R1中，[X]補(bǔ)存放在R2和0F0H（以雙符號位的形式）中，[-X]補(bǔ)存放在0F1H（以雙符號位的形式）中，[Y]補(bǔ)存放在R3和0F2H中。X代表被乘數(shù)，Y代表乘數(shù)。#00H->R0表示將立即數(shù)00H存放到R0中，M（0F3H）表示內(nèi)存中的0F3H單元，#06H->R1表示將立即數(shù)06H存到R1中。2.2.3求和模塊流程圖求和模塊要根據(jù)YnYn+1的值選擇部分積和[X]補(bǔ)或[-X]補(bǔ)還是0相加。具體求和模塊流程圖如圖2.3所示。圖2.3求和模塊流程圖說明：Yn指的是乘數(shù)部分的最后一位，Yn+1指的是附加位，X代表被乘數(shù)。2.2.4右移模塊流程圖右移模塊包括部分積和乘數(shù)部分的右移，在右移之前應(yīng)先把乘數(shù)部分的最后一位移到附加位上，再將乘數(shù)部分右移，然后將部分積的最后一位存到乘數(shù)部分的最高位，再將部分積右移。部分積右移完之后，判斷部分積的次高位是0還1，再把部分積的最高位寫成相應(yīng)的數(shù)，這樣，部分積保存的就是雙符號數(shù)，避免運(yùn)算的時候出現(xiàn)假溢出。右移模塊流程圖如圖2.4所示。圖2.4右移模塊流程圖2.2.5判斷循環(huán)次數(shù)模塊流程圖當(dāng)右移過程執(zhí)行完后，進(jìn)入判斷循環(huán)次數(shù)模塊，若循環(huán)次數(shù)不為0，則進(jìn)入求和和右移模塊，否則，進(jìn)入求和模塊，即最后一次不進(jìn)行右移操作。判斷循環(huán)次數(shù)流程圖如圖2.5所示。圖2.5判斷循環(huán)次數(shù)模塊流程圖2.2.6輸出模塊流程圖輸出模塊輸出最后13位補(bǔ)碼的16進(jìn)制表示。部分積的后7位保存在0E0H中的后7位，乘數(shù)部分的前6位保存在0E1H中的后6位。輸出模塊流程圖如圖2.6所示圖2.6輸出模塊流程圖說明：因為在運(yùn)算過程中部分積使用的是雙符號位，而運(yùn)算結(jié)果是單符號位，部分積最高位保存的是運(yùn)算結(jié)果的真實符號，所以在得出運(yùn)算結(jié)果后應(yīng)該判斷部分積最高位的值，然后將部分積的次高位置成相應(yīng)的值，再保存部分積后7位的值從而得出單符號位的結(jié)果。第3章程序調(diào)試過程與結(jié)果分析3.1程序調(diào)試過程1、在求和過程中，一開始使用的是單符號位運(yùn)算，但在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，有時候會出現(xiàn)假溢出的現(xiàn)象導(dǎo)致結(jié)果出錯，之后將部分積改為雙符號位運(yùn)算之后，結(jié)果不再出錯，且部分積最高位才是結(jié)果真正的符號位。2、在右移過程中，剛開始設(shè)計的時候想的不周到，直接將乘數(shù)部分右移一位，但這時會將乘數(shù)部分最后一位丟失，從而不知道右移之后附加位變成什么值。之后將整個循環(huán)過程改為：先判斷乘數(shù)部分最后一位的值，將部分積改為相應(yīng)的值，接著將乘數(shù)部分移位，再判斷部分積最后一位的值，將乘數(shù)最高位改為相應(yīng)的值，最后判斷部分積次高位的值并將部分積最高位置成相應(yīng)的值。3、在輸出結(jié)果時，疏忽題目的要求是生成13位補(bǔ)碼，直接將部分積包括雙符號位在內(nèi)的8位補(bǔ)碼存到0E0H中，解決方法是：判斷部分積最高位的值，將部分積次高位置成和最高位一樣的值，然后將最高位置成0，這樣部分積的有效部分只有7位存到0E0H中的后7位，乘數(shù)部分前6位保存到0E1H的后6位。3.2結(jié)果分析設(shè)[X]補(bǔ)=1010101，[Y]補(bǔ)=0010111；1、初始化過程R0初始化為00H，R1初始化為06H，R2里存的是[X]補(bǔ)（55H），R3里存的是[Y]補(bǔ)（17H）。[X]補(bǔ)（雙符號且值是D5H）存放到0F0H中，[-X]補(bǔ)（雙符號且值是2BH）存放到0F1H中，[Y]補(bǔ)存放到0F2H中，附加位存放到0F3H中，0F3H初始化為0。初始化結(jié)果如圖3.1和3.2所示。圖3.1初始化結(jié)果圖3.2初始化結(jié)果求和過程①以第一次求和過程為例，先判斷YnYn+1=10，取出[-X]補(bǔ)（雙符號且值為2BH)到A中，準(zhǔn)備進(jìn)行求和操作，結(jié)果如圖3.3所示。圖3.3取出[-X]補(bǔ)到A②[-X]補(bǔ)和部分積相加結(jié)果為2BH，將新的部分積存入R0。如圖3.4所示。圖3.4部分積+[-X]補(bǔ)3、右移過程完成一次整體右移之后，部分積是15H，乘數(shù)是4BH，附加位為01H。即R0是15H，0F2H為4BH，0F3H為01H如圖3.5和3.6所示。圖3.5第一次右移之后的部分積結(jié)果圖3.6第一次右移之后乘數(shù)和附加位的結(jié)果循環(huán)次數(shù)減一R1由6變?yōu)?，結(jié)果如圖3.7所示。圖3.7循環(huán)次數(shù)由6變?yōu)?最后結(jié)果輸出部分積結(jié)果為70H，保存在0E0H中，乘積結(jié)果為23H，保存在0E1H中，結(jié)果如圖3.8所示。圖3.8結(jié)果輸出參考資料[1]唐朔飛.計算機(jī)組成原理（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2008[2]COP2000實驗指導(dǎo)附錄MOVR0,#00000000B;部分積R0初始化為0MOVA,#00000000BMOV0F3H,A;附加位初始化為0MOVR1,#00000110B;循環(huán)次數(shù)R1初始化為6MOVA,#1010101B;輸入被乘數(shù)[X]補(bǔ)的補(bǔ)碼形式MOVR2,A;被乘數(shù)補(bǔ)碼存到R2中ANDA,#1000000B;判斷被乘數(shù)是正還是負(fù)數(shù)JZM1;若被乘數(shù)是正數(shù)轉(zhuǎn)M1MOVA,R2;被乘數(shù)是負(fù)數(shù)ADDA,#10000000B;將被乘數(shù)的補(bǔ)碼寫成雙符號位補(bǔ)碼MOV0F0H,A;將被乘數(shù)的補(bǔ)碼存到0F0HCPLAADDA,#00000001BMOV0F1H,A;求出被乘數(shù)的相反數(shù)的補(bǔ)碼[-X]補(bǔ)存到0F1HJMPM2M1:MOVA,R2ADDA,#00000000B;將被乘數(shù)的補(bǔ)碼寫成雙符號位補(bǔ)碼MOV0F0H,A;被乘數(shù)的補(bǔ)碼存到0F0HCPLAADDA,#00000001BMOV0F1H,A;求出被乘數(shù)相反數(shù)的補(bǔ)碼存到0F1HJMPM2M2:MOVA,#0010111B;輸入乘數(shù)的補(bǔ)碼形式并保存在R3中MOVR3,AMOV0F2H,A;將乘數(shù)的補(bǔ)碼存放到0F2HS0:MOVA,0F2H;將乘數(shù)的補(bǔ)碼送到A中ANDA,#0000001B;判斷Yn是0還是1JZS1;如果Yn=0轉(zhuǎn)S1MOVA,0F3H;如果Yn=1則接著判斷附加位是0還是1ANDA,#0000001BJZS3;附加位是0轉(zhuǎn)S3S4:MOVA,0F2H;將乘數(shù)的補(bǔ)碼送到A中ANDA,#0000001B;判斷乘數(shù)最后一位是0還是1JZS5;若是0轉(zhuǎn)S5MOVA,0F3H;若是1則將附加位變?yōu)?ORA,#0000001BMOV0F3H,A;將新的附加位存到0F3HJMPLOOPS3:MOVA,0F1H;取出[-X]補(bǔ)送到A中ADDA,R0;[-X]補(bǔ)+部分積MOVR0,A;將新的部分積存到R0中JMPS4S5:MOVA,0F3HANDA,#0000000B;將附加位置成0MOV0F3H,AJMPLOOP;無條件跳轉(zhuǎn)到LOOPS1:MOVA,0F3HANDA,#0000001B;判斷附加位是0還是1JZS2;若附加位是0,轉(zhuǎn)S2MOVA,0F0HADDA,R0;若附加位是1,部分積+[X]補(bǔ)MOVR0,AJMPS4S2:JMPS4;直接跳轉(zhuǎn)到S4LOOP:MOVA,0F2HRRAMOV0F2H,A;將乘數(shù)的補(bǔ)碼右移一位存到0F2HMOVA,R0ANDA,#00000001B;取出部分積并判斷部分積的最低位是0還是1JZS6;若部分積的最低位是0轉(zhuǎn)S6MOVA,0F2H;若部分積最低位是1ORA,#1000000B;將乘數(shù)的最高位置1MOV0F2H,AJMPLOOP1S6:MOVA,0F2HANDA,#0111111BMOV0F2H,A;將乘數(shù)補(bǔ)碼的最高位變成0存到0F2HJMPLOOP1LOOP1:MOVA,R0RRAMOVR0,A;將部分積右移一位存到R0中ANDA,#01000000B;判斷部分積次高位的符號JZS7;若部分積次高位是0轉(zhuǎn)S7MOVA,R0;若部分積次高位是1ORA,#10000000B;將部分積最高位寫為1并存到R0M