28 - 算术运算指令

---- 整理自B站UP主 踌躇月光 的视频

文章目录

  • 1. ALU改进
  • 2. CPU 整体电路
  • 3. 程序
  • 4. 实验结果

1. ALU改进

此前的 ALU：

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改进后的 ALU：

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2. CPU 整体电路

请添加图片描述

3. 程序

# pin.py

MSR = 1
MAR = 2
MDR = 3
RAM = 4
IR = 5
DST = 6
SRC = 7
A = 8
B = 9
C = 10
D = 11
DI = 12
SI = 13
SP = 14
BP = 15
CS = 16
DS = 17
SS = 18
ES = 19
VEC = 20
T1 = 21
T2 = 22


MSR_OUT = MSR
MAR_OUT = MAR
MDR_OUT = MDR
RAM_OUT = RAM
IR_OUT = IR
DST_OUT = DST
SRC_OUT = SRC
A_OUT = A
B_OUT = B
C_OUT = C
D_OUT = D
DI_OUT = DI
SI_OUT = SI
SP_OUT = SP
BP_OUT = BP
CS_OUT = CS
DS_OUT = DS
SS_OUT = SS
ES_OUT = ES
VEC_OUT = VEC
T1_OUT = T1
T2_OUT = T2

_DST_SHIFT = 5

MSR_IN = MSR << _DST_SHIFT
MAR_IN = MAR << _DST_SHIFT
MDR_IN = MDR << _DST_SHIFT
RAM_IN = RAM << _DST_SHIFT
IR_IN = IR << _DST_SHIFT
DST_IN = DST << _DST_SHIFT
SRC_IN = SRC << _DST_SHIFT
A_IN = A << _DST_SHIFT
B_IN = B << _DST_SHIFT
C_IN = C << _DST_SHIFT
D_IN = D << _DST_SHIFT
DI_IN = DI << _DST_SHIFT
SI_IN = SI << _DST_SHIFT
SP_IN = SP << _DST_SHIFT
BP_IN = BP << _DST_SHIFT
CS_IN = CS << _DST_SHIFT
DS_IN = DS << _DST_SHIFT
SS_IN = SS << _DST_SHIFT
ES_IN = ES << _DST_SHIFT
VEC_IN = VEC << _DST_SHIFT
T1_IN = T1 << _DST_SHIFT
T2_IN = T2 << _DST_SHIFT

SRC_R = 2 ** 10
SRC_W = 2 ** 11
DST_R = 2 ** 12
DST_W = 2 ** 13

PC_WE = 2 ** 14
PC_CS = 2 ** 15
PC_EN = 2 ** 16

PC_OUT = PC_CS
PC_IN = PC_CS | PC_WE
PC_INC = PC_CS | PC_WE | PC_EN

_OP_SHIFT = 17
OP_ADD = 0 << _OP_SHIFT
OP_SUB = 1 << _OP_SHIFT
OP_INC = 2 << _OP_SHIFT
OP_DEC = 3 << _OP_SHIFT
OP_AND = 4 << _OP_SHIFT
OP_OR  = 5 << _OP_SHIFT
OP_XOR = 6 << _OP_SHIFT
OP_NOT = 7 << _OP_SHIFT

ALU_OUT = 1 << 20
ALU_PSW = 1 << 21

CYC = 2 ** 30
HLT = 2 ** 31

# - 二地址指令IR对应
#     - 1xxx [aa][bb]
# - 一地址指令IR对应
#     - 01xx xx[aa]
# - 零地址指令IR对应
#     - 00xx xxxx
ADDR2 = 1 << 7
ADDR1 = 1 << 6

ADDR2_SHIFT = 4
ADDR1_SHIFT = 2

AM_INS = 0 # 立即寻址 instant
AM_REG = 1 # 寄存器寻址
AM_DIR = 2 # 直接寻址 direct
AM_RAM = 3 # 寄存器间接寻址


# assembly.py

import pin

FETCH = [
    pin.PC_OUT | pin.MAR_IN,
    pin.RAM_OUT | pin.IR_IN | pin.PC_INC,
    pin.PC_OUT | pin.MAR_IN,
    pin.RAM_OUT | pin.DST_IN | pin.PC_INC,
    pin.PC_OUT | pin.MAR_IN,
    pin.RAM_OUT | pin.SRC_IN | pin.PC_INC,
]

MOV = (0 << pin.ADDR2_SHIFT) | pin.ADDR2 # MOV指令定义为 1000 xxxx
ADD = (1 << pin.ADDR2_SHIFT) | pin.ADDR2 # ADD指令定义为 1001 xxxx
SUB = (2 << pin.ADDR2_SHIFT) | pin.ADDR2

INC = (0 << pin.ADDR1_SHIFT) | pin.ADDR1
DEC = (1 << pin.ADDR1_SHIFT) | pin.ADDR1

NOP = 0
HLT = 0x3f

INSTRUCTIONS = {
    2: { # 二地址指令
        MOV: { # MOV指令寻址方式
            (pin.AM_REG, pin.AM_INS): [ # (寄存器寻址，立即寻址) ==> MOV A,5
                pin.DST_W | pin.SRC_OUT, # 微指令：读取SRC寄存器里数据(5)送入DST指定的寄存器(A)中
            ],
            (pin.AM_REG, pin.AM_REG): [ # MOV A, B
                pin.DST_W | pin.SRC_R # 写寄存器（A），读寄存器（B）
            ],
            (pin.AM_REG, pin.AM_DIR): [ # MOV A, [5]
                pin.SRC_OUT | pin.MAR_IN, # 从SRC寄存器读，送到MAR寄存器（RAM地址上）
                pin.DST_W | pin.RAM_OUT # 读取RAM指定地址的数据，写到寄存器（A），
            ],
            (pin.AM_REG, pin.AM_RAM): [ # MOV A, [B]
                pin.SRC_R | pin.MAR_IN, # 读取寄存器（B）数据，送到MAR寄存器（RAM地址上）
                pin.DST_W | pin.RAM_OUT # 读取RAM指定地址的数据，写到寄存器（A）
            ],
            (pin.AM_DIR, pin.AM_INS): [ # MOV [0x2f], 5
                pin.DST_OUT | pin.MAR_IN, # 读取DST寄存器数据，送到MAR寄存器（RAM地址上）
                pin.RAM_IN | pin.SRC_OUT # 从SRC寄存器读取数据5，写入RAM中
            ],
            (pin.AM_DIR, pin.AM_REG): [ # MOV [0x2f], A
                pin.DST_OUT | pin.MAR_IN,
                pin.RAM_IN | pin.SRC_R
            ],
            (pin.AM_DIR, pin.AM_DIR): [ # MOV [0x2f], [0x2e]
                pin.SRC_OUT | pin.MAR_IN,
                pin.RAM_OUT | pin.T1_IN,
                pin.DST_OUT | pin.MAR_IN,
                pin.RAM_IN | pin.T1_OUT
            ],
            (pin.AM_DIR, pin.AM_RAM): [ # MOV [0x2f], [A]
                pin.SRC_R | pin.MAR_IN,
                pin.RAM_OUT | pin.T1_IN,
                pin.DST_OUT | pin.MAR_IN,
                pin.RAM_IN | pin.T1_OUT
            ],
            
            (pin.AM_RAM, pin.AM_INS): [ # MOV [A], 5
                pin.DST_R | pin.MAR_IN,
                pin.RAM_IN | pin.SRC_OUT
            ],
            (pin.AM_RAM, pin.AM_REG): [ # MOV [A], B
                pin.DST_R | pin.MAR_IN,
                pin.RAM_IN | pin.SRC_R
            ],
            (pin.AM_RAM, pin.AM_DIR): [ # MOV [A], [0x30]
                pin.SRC_OUT | pin.MAR_IN,
                pin.RAM_OUT | pin.T1_IN,
                pin.DST_R | pin.MAR_IN,
                pin.RAM_IN | pin.T1_OUT
            ],
            (pin.AM_RAM, pin.AM_RAM): [ # MOV [A], [B]
                pin.SRC_R | pin.MAR_IN,
                pin.RAM_OUT | pin.T1_IN,
                pin.DST_R | pin.MAR_IN,
                pin.RAM_IN | pin.T1_OUT
            ],
        },
        ADD: {
            (pin.AM_REG, pin.AM_INS): [ # ADD D, 5
                pin.DST_R | pin.A_IN,
                pin.SRC_OUT | pin.B_IN,
                pin.OP_ADD | pin.ALU_OUT | pin.DST_W | pin.ALU_PSW
            ],
            (pin.AM_REG, pin.AM_REG): [ # ADD D, C
                pin.DST_R | pin.A_IN,
                pin.SRC_R | pin.B_IN,
                pin.OP_ADD | pin.ALU_OUT | pin.DST_W | pin.ALU_PSW
            ],
        },
        SUB: {
            (pin.AM_REG, pin.AM_INS): [ # SUB D, 5
                pin.DST_R | pin.A_IN,
                pin.SRC_OUT | pin.B_IN,
                pin.OP_SUB | pin.ALU_OUT | pin.DST_W | pin.ALU_PSW
            ],
            (pin.AM_REG, pin.AM_REG): [ # SUB D, C
                pin.DST_R | pin.A_IN,
                pin.SRC_R | pin.B_IN,
                pin.OP_SUB | pin.ALU_OUT | pin.DST_W | pin.ALU_PSW
            ],
        },
    },
    1: {
        INC: {
            pin.AM_REG: [
                pin.DST_R | pin.A_IN,
                pin.OP_INC | pin.ALU_OUT | pin.DST_W | pin.ALU_PSW
            ],
        },
        DEC: {
            pin.AM_REG: [
                pin.DST_R | pin.A_IN,
                pin.OP_DEC | pin.ALU_OUT | pin.DST_W | pin.ALU_PSW
            ],
        },
    }, # 一地址指令
    0: { # 零地址指令
        NOP: [
            pin.CYC, # 让指令周期清零，跳过这次指令
        ],
        HLT: [
            pin.HLT, # 指令停止
        ]
    }
}

# print(bin(MOV))

# controller.py

import os
import pin
import assembly as ASM

dirname = os.path.dirname(__file__)
filename = os.path.join(dirname, 'micro.bin')

micro = [pin.HLT for _ in range(0x10000)]

def compile_addr2(addr, ir, psw, index):
    global micro
    
    # addr ==> | IR | PSW | CYC |
    # 二地址指令IR对应 ==> 1xxx [aa][bb]
    op = ir & 0xf0
    amd = (ir >> 2) & 3 # [aa] 寻址方式
    ams = ir & 3 # [bb] 寻址方式
    
    INST = ASM.INSTRUCTIONS[2]
    if op not in INST:
        micro[addr] = pin.CYC
        return
    am = (amd, ams)
    if am not in INST[op]:
        micro[addr] = pin.CYC
        return
    
    EXEC = INST[op][am] # 找到IR和寻址方式
    if index < len(EXEC): # 补到FETCH后面
        micro[addr] = EXEC[index]
    else:
        micro[addr] = pin.CYC

# 01xx xx[bb]
def compile_addr1(addr, ir, psw, index):
    global micro
    
    # addr ==> | IR | PSW | CYC |
    # 一地址指令IR对应 ==> 01xx xx[bb]
    op = ir & 0xfc
    amd = ir & 3 # [bb] 寻址方式
    
    INST = ASM.INSTRUCTIONS[1]
    if op not in INST:
        micro[addr] = pin.CYC
        return
    if amd not in INST[op]:
        micro[addr] = pin.CYC
        return
    
    EXEC = INST[op][amd] # 找到IR和寻址方式
    if index < len(EXEC): # 补到FETCH后面
        micro[addr] = EXEC[index]
    else:
        micro[addr] = pin.CYC

# 00xx xxxx
def compile_addr0(addr, ir, psw, index):
    global micro
    
    op = ir

    INST = ASM.INSTRUCTIONS[0]
    if op not in INST:
        micro[addr] = pin.CYC
        return
    
    EXEC = INST[op]
    if index < len(EXEC):
        micro[addr] = EXEC[index]
    else:
        micro[addr] = pin.CYC

for addr in range(0x10000): # 指令集处理
    # | IR | PSW | CYC |
    #   8     4     4
    ir = addr >> 8
    psw = (addr >> 4) & 0xf
    cyc = addr & 0xf
    
    # 先处理 取指指令FETCH
    if cyc < len(ASM.FETCH):
        micro[addr] = ASM.FETCH[cyc]
        continue
    
    addr2 = ir & (1 << 7) # 二地址
    addr1 = ir & (1 << 6) # 一地址
    
    index = cyc - len(ASM.FETCH) # FETCH占据了前面的位置，这里表示FETCH后面
    
    if addr2:
        compile_addr2(addr, ir, psw, index) # 处理二地址
    elif addr1:
        compile_addr1(addr, ir, psw, index) # 处理一地址
    else:
        compile_addr0(addr, ir, psw, index) # 处理零地址

with open(filename, 'wb') as file:
    for var in micro:
        value = var.to_bytes(4, byteorder='little')
        file.write(value)

print('Compile micro instruction finish!!!')


# compiler.py

import os
import re # re模块提供了各种各样的正则表达式方法
import pin
import assembly as ASM

dirname = os.path.dirname(__file__)

inputfile = os.path.join(dirname, 'program.asm')
outputfile = os.path.join(dirname, 'program.bin')

annotation = re.compile(r"(.*?);.*") # 这个正则表达式的目的是捕获分号;之前的所有内容

codes = []

OP2 = {
    'MOV': ASM.MOV,
    'ADD': ASM.ADD,
    'SUB': ASM.SUB
}

OP1 = {
    'INC': ASM.INC,
    'DEC': ASM.DEC
}

OP0 = {
    'NOP': ASM.NOP,
    'HLT': ASM.HLT,
}

OP2SET = set(OP2.values())
OP1SET = set(OP1.values())
OP0SET = set(OP0.values())

REGISTERS = {
    "A": pin.A,
    "B": pin.B,
    "C": pin.C,
    "D": pin.D,
}

class Code(object):
    def __init__(self, number, source):
        self.numer = number # 行号
        self.source = source.upper() # 源代码
        self.op = None
        self.dst = None
        self.src = None
        self.prepare_source() # 调用预处理源代码
    
    def get_op(self):
        if self.op in OP2:
            return OP2[self.op]
        if self.op in OP1:
            return OP1[self.op]
        if self.op in OP0:
            return OP0[self.op]
        raise SyntaxError(self)

    def get_am(self, addr): # 获取目的操作数和源操作数
        if not addr:
            return None, None
        if addr in REGISTERS: # 如果是寄存器，返回寄存器编码。示例就是A寄存器
            return pin.AM_REG, REGISTERS[addr]
        if re.match(r'^[0-9]+$', addr): # 如果是数字，返回立即数。示例就是5
            return pin.AM_INS, int (addr)
        if re.match(r'^0X[0-9A-F]+$', addr): # 如果是十六进制数，返回十六进制立即数
            return pin.AM_INS, int(addr, 16)
        match = re.match(r'^\[([0-9]+)\]$', addr)
        if match:
            return pin.AM_DIR, int(match.group(1))
        match = re.match(r'^\[(0X[0-9A-F]+)\]$', addr)
        if match:
            return pin.AM_DIR, int(match.group(1), 16)
        match = re.match(r'^\[(.+)\]$', addr)
        if match and match.group(1) in REGISTERS:
            return pin.AM_RAM, REGISTERS[match.group(1)]
        
        raise SyntaxError(self)
        
    def prepare_source(self): # 预处理汇编代码，以MOV A,5举例
        tup = self.source.split(',') # 用逗号分隔
        if len(tup) > 2:
            raise SyntaxError(self)
        if len(tup) == 2:
            self.src = tup[1].strip() # 5赋值给源操作数
        
        tup = re.split(r" +", tup[0]) # 正则表达式，将tup[0]字符串中的一个或多个连续空格作为分隔符，将字符串拆分成多个部分，并返回一个包含拆分后的所有部分的列表。将 MOV A拆分成了MOV和A
        if len(tup) > 2:
            raise SyntaxError(self)
        if len(tup) == 2:
            self.dst = tup[1].strip() # A赋值给了目的操作数
        
        self.op = tup[0].strip() # MOV赋值给指令
    
    def compile_code(self):
        # 指令IR ==> op + amd + ams
        # MOV ==> 1000 + [aa] + [bb]
        op = self.get_op()
        amd, dst = self.get_am(self.dst) # 预处理之后已经拿到self.dst=A
        ams, src = self.get_am(self.src) # 预处理之后已经拿到self.src=5
        
        if src is not None and (amd, ams) not in ASM.INSTRUCTIONS[2][op]:
            raise SyntaxError(self)
        if src is None and dst and amd not in ASM.INSTRUCTIONS[1][op]:
            raise SyntaxError(self)
        if src is None and dst is None and op not in ASM.INSTRUCTIONS[0]:
            raise SyntaxError(self)
        
        amd = amd or 0
        ams = ams or 0
        dst = dst or 0
        src = src or 0
        
        if op in OP2SET:
            ir = op | (amd << 2) | ams
        elif op in OP1SET:
            ir = op | amd
        else:
            ir = op
        
        return [ir, dst, src]
    
    def __repr__(self):
        return f'[{self.numer}] - {self.source}'

class SyntaxError(Exception):
    def __init__(self,code: Code, *args, **kwargs):
        super().__init__(*args, **kwargs)
        self.code = code

def compile_program():
    with open(inputfile, encoding='utf8') as file: # 打开汇编源码
        lines = file.readlines()
    
    for index, line in enumerate(lines):
        source = line.strip() # 将两端的空格去掉
        if ';' in source: # 将;后面的去掉
            match = annotation.match(source) # 使用之前定义的正则表达式annotation来匹配分号之前的内容
            source = match.group(1)
        if not source: # 检查source是否为空或只包含空白字符（例如空格、制表符、换行符等）
            continue
        code = Code(index + 1, source) # 传入行号和每行的汇编代码
        codes.append(code)
    
    with open(outputfile, 'wb') as file:
        for code in codes:
            values = code.compile_code()
            for value in values:
                result = value.to_bytes(1, byteorder='little')
                file.write(result)

def main():
    try:
        compile_program()
    except SyntaxError as e:
        print(f'Syntax error at {e.code}')
        return

    print('compile program.asm finished!!!')
        
if __name__ == '__main__':
    main()

# program.asm

; ; 1
; MOV D, 1;
; ADD D, 5;

; ; 2
; MOV D, 4
; MOV C, 7
; ADD D, C 

; ; 3
; MOV D, 250
; MOV C, 250
; ADD D, C 

; ; 4
; MOV D, 0
; MOV C, 0
; ADD D, C 

; ; 5
; MOV D, 5
; SUB D, 5

; 6
MOV D, 0;
INC D;
INC D;
INC D;
INC D;
INC D;

; DEC D
; DEC D
; DEC D
; DEC D
; DEC D

HLT

4. 实验结果

依次将 3. 中的几种情况的注释打开，编译运行，这里只给出最后一次的结果。

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