自己动手写CPU之第七阶段（9）——除法指令说明及实现思路

将陆续上传本人写的新书《自己动手写CPU》，今天是第32篇，我尽量每周四篇

亚马逊的销售地址如下，欢迎大家围观呵！
http://www.amazon.cn/dp/b00mqkrlg8/ref=cm_sw_r_si_dp_5kq8tb1gyhja4
China-pub的销售地址如下：
http://product.china-pub.com/3804025
北发的销售地址如下：
http://book.beifabook.com/Product/BookDetail.aspx?Plucode=712123950&extra=0_s25960657

7.10 除法指令说明

除法指令有2条，包括：div、divu，各指令的格式如图7-15所示。从图中可知这2条指令的指令码都是SPECIAL，第6-15bit都为0，可以依据第0-5bit的功能码确定是哪一种指令。



当功能码是6'b011010时，表示是div指令，有符号除法运算

指令用法为：div rs, rt

指令作用为：{HI, LO} <- rs / rt，将地址为rs的通用寄存器的值，与地址为rt的通用寄存器的值，作为有符号数进行除法运算，将商保存到寄存器LO，余数保存到寄存器HI。

当功能码是6'b011011时，表示是divu指令，无符号除法运算

指令用法为：divu rs, rt

指令作用为：{HI, LO} <- rs / rt，将地址为rs的通用寄存器的值，与地址为rt的通用寄存器的值，作为无符号数进行除法运算，将商保存到寄存器LO，余数保存到寄存器HI。

7.11 除法指令实现思路

7.11.1 试商法

OpenMIPS设计采用试商法实现除法运算，对于32位的除法，需要至少32个时钟周期才能得到除法结果。本节介绍试商法的一般过程。

设被除数是m，除数是n，商保存在s中，被除数的位数是k，其计算步骤如下（为了便于说明，在此处将所有数据的最低位称为第1位，而不称为第0位）。

1、取出被除数的最高位m[k]，使用被除数的最高位减去除数n，如果结果大于等于0，则商的s[k]为1，反之为0。

2、如果上一步得出的结果是0，表示当前的被减数小于除数，则取出被除数剩下的值的最高位m[k-1]，与当前被减数组合做为下一轮的被减数；如果上一步得出的结果是1，表示当前的被减数大于除数，则利用上一步中减法的结果与被除数剩下的值的最高位m[k-1]组合做为下一轮的被减数。然后，设置k等于k-1。

3、新的被减数减去除数，如果结果大于等于0，则商的s[k]为1，否则s[k]为0，后面的步骤重复2-3，直到k等于1。

上述步骤可以使用图7-16描述。



以4'b1101除以4'b0010为例， 采用试商法时的计算步骤如表7-4所示。

7.11.2 实现思路

新建一个模块DIV，在其中实现采用试商法的32位除法运算。当流水线执行阶段的EX模块发现当前指令是除法指令时，首先暂停流水线，然后将被除数、除数等信息送到DIV模块，开始除法运算。DIV模块在除法运算结束后，通知EX模块，并将除法结果送到EX模块，后者依据除法结果设置HI、LO寄存器的写信息，同时取消暂停流水线。

7.11.3 系统结构的修改

为了实现7.11.2节的思路，修改系统结构如图7-17所示。



EX模块通过接口div_opdata1_o、div_opdata2_o分别给出被除数、除数，同时通过接口signed_div_o指明是否是有符号除法，然后通过接口div_start_o指示开始除法运算。

DIV模块在除法运行完毕后，通过接口ready_o告知EX模块，并且通过接口result_o输出除法结果，result_o的宽度是64位，其中高32位是余数，低32位是商。

下一次将给出除法指令的实现代码，敬请关注！