补码一位乘的程序设计.doc-资料库

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沈阳航空航天大学课程设计报告课程设计名称：计算机组成原理课程设计课程设计题目：定点补码乘法器的程序设计院（系）：专班学姓业：级：号：名：指导教师: 完成日期：

沈阳航空航天大学课程设计报告目录第 1 章总体设计方案.................................................................................................. 1 1.1 设计原理.................................................................................................................1 1.2 设计思路.................................................................................................................1 1.3 设计环境.................................................................................................................2 第 2 章详细设计方案.................................................................................................. 4 2.1 总体方案的设计与实现.......................................................................................4 2.1.1 总体方案的具体描述.......................................................................................4 2.2 流程图的设计与实现...........................................................................................5 2.2.1 流程图具体分析.................................................................................................. 5 第 3 章程序调试与结果测试...................................................................................... 9 3.1 程序调试...............................................................................................................9 3.2 程序测试及结果分析...........................................................................................9 参考文献.........................................................................................................................14 附录...........................................................................................................................15 -I-

沈阳航空航天大学课程设计报告第 1 章总体设计方案 1.1 设计原理采用伟福 COP2000 试验箱，设计并实现定点补码一位乘（booth）。要求：采用的算法为定点补码一位乘 booth 算法，乘数和被乘数规定为 6 位，其中首位为符号位。数据要求以原码的形式输入，采用补码方式进行运算。实验数据从试验箱的开关输入，运算的结果在 OUT 寄存器中显示。设计原理：比较 YnYn+1 的状态执行相应的操作。如下图是补码一位乘的运算规则：表 1.1 Booth 算法操作表说明乘数 Yn 附加位 Yn+1 说明 0 0 1 1 0 1 0 1 附加位、乘数、部分积→1 位部分积加[X]补附加位、乘数、部分积→1 位部分积加[-X]补附加位、乘数、部分积→1 位附加位、乘数、部分积→1 位需要说明的是此操作表是在当 n≠0 时，当 n=0 时，判断 YnYn+1，运算规则同此操作表只是不移位。即在运算的最后一步，乘积不再右移。 1.2 设计思路 (1) 构造补码一位乘的初始化所需要的数值因为补码一位乘的算法需要先求出[X]补、[-X]补、[Q]补，所以先将[X]补、[-X]补、 [Q]补分别存贮到 0F0H 到 0F2H 存储单元中。因为部分积和附加位的初始值都是 0，所以在 0E0H 单元存入附加位初始值 0，在 R0 中存入部分积初始值 0。其他数的处理：将输入的一个值 Q 求出补码作为乘数 Y，并存入 R2 中；另一个值 X 存入 R1 中，根据它来求出[X]补、[-X]补；本实验规定乘数和被乘数为 6 位，数据位为五位，所以要完成六次操作，但 -1-

沈阳航空航天大学课程设计报告最后一次不移位，在 R3 寄存中存入数值 n=5，每次操作完成后减 1。（2）运算并输出根据乘数末位及附加位来确定执行的操作，每完成一次操作 R3 中的数值减一。判断 R3 的数值是否为零，若不为零，则继续循环上述操作，若为零，则循环结束，判断此时的乘数末位及附加位，再按运算规则进行一次操作，但是不移位，然后结束运算。即开始时 Yn+1=0，部分积初值为 0，每一步乘法由 YnYn+1 决定原部分积加 [X]补或加 [-X]补或加 0，再右移一位得到新的部分积，以此重复 n 步，第 n+1 步由 YnYn+1 决定部分积加[X]补或加 [-X]补或加 0，但不移位，即得最后结果，最后先把乘数的最终结果从 OUT 寄存其中显示出来，再将部分积的最终结果从 OUT 寄存其中显示出来。（3）实现方式在掌握 COP2000 试验箱的体系结构后，充分利用试验箱提供的汇编语言，以及有限的硬件资源，完成程序的编写。 1.3 设计环境利用 COP2000 型计算机组成原理实验仪软件和计算机，在 COP2000 试验仪软件上编程实现补码一位乘。COP2000 集成开发环境是为 COP2000 实验仪与 PC 机相连进行高层次实验的配套软件，它通过实验仪的串行接口和 PC 机的串行接口相连，提供汇编、反编、编辑、修改指令、文件传送、调试 FPGA 面。其实验等功能，该软件在 Windows 下运行。COP2000 试验仪软件的指令集分为如下大类：算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、数据传输指令、跳转指令、中断返回指令、输入输出指令。本程序所用到的相应的指令集如下：（1）算术逻辑运算指令 ADD ADD SUB AND AND OR A, R? -----------将寄存器 R?的值加入累加器 A 中 A，#II ----------立即数 II 加入累加器 A 中 A，#II-----------从累加器中减去立即数 II 后加入累加器 A 中 A，R?------------累加器 A“与”寄存器 R?的值 A，#II ----------累加器 A“与”立即数 II 的值 A, R? -----------累加器 A“与”寄存器 R?的值 -2-

沈阳航空航天大学课程设计报告 OR A, #II ----------累加器 A“与”立即数 II 的值 CPL A----------------累加器 A 取反，再存入累加器 A 中（2）数据传送指令 MOV MOV MOV MOV RR RL A，R?------------将寄存器 R?的值送到累加器 A 中 A, #II -----------将立即数 II 送到累加器 A 中 R?，A------------将累加器 A 中的值送到寄存器 R?中 R?，#II----------将立即数 II 送到寄存器 R?中 A-----------------累加器右移指令 A-----------------累加器左移指令（3）跳转指令 JZ MM---------------若零标志位置 1，跳转到 MM 地址 JMP MM---------------跳转到 MM 地址（4）输入输出指令 IN--------------------从输入端口读入数据到累加器 A 中 OUT--------------------将累加器 A 中数据输出到输出端口如下为 COP2000 计算机组成原理实验软件截图：图 1.1 COP2000 计算机组成原理试验仪软件截图 -3-

沈阳航空航天大学课程设计报告第 2 章详细设计方案 2.1 总体方案的设计与实现本课设采用 COP2000 实验仪软件和计算机实现补码一位乘的功能，利用伟福 COP2000 的指令集编程实现。总体设计方法为输入两个数，分别求出需要的相应值，n 为数据位个数，当 n 不等于零时，判断 YnYn+1，按照补码操作表进行相应的运算，当 n 等于零时，再按照补码操作表进行运算但是不移位，最后输出结果。 2.1.1 总体方案的具体描述（1）先进行初始化：将部分积和附加位设置为 0，分别存入 R0，0E0H 中。设置循环次数为五次，存入 R3 中。操作如下：先输入一个数值 X 存入 R1 中，判断 X 的符号位，将这个数和 20H 进行“与” 运算，如果为 00H，说明该数值为正数，它的补码也为 X；如果为 20H，则说明该数为负数，则先将 X 取反，将取反后的数值加上 21H，求出补码，补码存入 0F0H 中，因为规定乘数和被乘数为六位，但机器会识别八位，令前两位与符号位保持相同，方便运算。再求出-X 的补码，存入 0F1 中。最后求出 Q 的补码 Y，存入 0F2 中。（2）根据运算规则循环相乘：乘法运算前 A 寄存器被清零，作为初始部分积，附加位置为 0，被乘数的补码存在 X 中，乘数的补码在 Q 高 n+1 位中，寄存器 R3 存放乘数的位数 n，乘法开始后，根据 Yn 和附加位 Yn+1 的状态决定部分积与被乘数相加还是相减，或是不加也不减，然后根据补码规则进行算术移位,先判断乘数 Y 的末位，如果 Yn 为 1，则附加位为 1，反之为 0，将乘数右移一位，在判断部分积的末位，若部分积末位为 0，将移位后的乘数首位置 0，反之置 1，最后判断部分积的首位，令部分积移一次位后的首位与原先相同，这是一次操作包括的所有步骤。 -4-

沈阳航空航天大学课程设计报告（3）判断循环是否结束并输出：移位后，将 R3 的值减一，判断是否为 0，若不为 0，则继续循环，一共重复 n 次。若为 0，则再判断末两位状态决定是否与被乘数相加或者相减，或是不加也不减，但是不必移位，这样便可得到最后结果。最后输出结果，先将乘数从 OUT 寄存器中显示，再将部分积从 OUT 寄存器显示出来。 2.2 流程图的设计与实现 2.2.1 流程图具体分析 1．进行初始化，流程图如图 2.1：图 2.1 初始化流程图 -5-

沈阳航空航天大学课程设计报告 2．根据运算规则循环相乘判断乘数末位和附加位 YnYn+1，根据运算规则进行循环，其中移位时附加位要与乘数末位保持一致，乘数的首位要与部分积的末位保持一致，部分积移位后的首位要与移位前的首位一致，并且根据数据位的个数决定循环几次。流程图如图 2.2：图 2.2 循环相乘流程图具体说明：乘法开始后，先将 Y 与 01H 进行“与”运算，判断 Yn 的末位，再将附加位与 01H 进行“与”运算，判断附加位的末位 Yn+1，根据 Yn 和附加位 Yn+1 的状态决定部分积与被乘数相加还是相减，或是不加也不减，然后根据进行算术移位。移位操作需要先判断乘数 Y 的末位，如果 Yn 为 1，则附加位为 1，反之为 0，将乘数右移一位，在判断部分积的末位，若部分积末位为 0，将移位后的乘数首 -6-

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