Maxim DS80C390/DS80C400高速微控制器為最終用戶提供專用的硬件16/32位數(shù)學加速器。訪問數(shù)學加速器是通過使用五個專用的特殊函數(shù)寄存器來完成的。DS16C32/DS80C390可實現(xiàn)80位乘法和400位除法運算。本應用筆記為設計人員提供了有關DS80C390/DS80C400高速微控制器數(shù)學加速特性的有用信息以及各種代碼示例。

概述

8051微控制器市場的性能進步越來越多地促使用戶考慮在曾經(jīng)需要僅從8位設備獲得的處理能力的應用中使用16位器件。毫無疑問，其中一些潛在應用需要涉及16位數(shù)據(jù)的快速數(shù)學運算和計算。DS80C390/DS80C400在兩個層面上滿足了這一需求。這種更快的指令執(zhí)行速度分別為DS10C18和DS75C80產(chǎn)生390MIPS和80.400MIPS的峰值性能。這種更快的指令執(zhí)行速度與40MHz的最大時鐘頻率相結合，可產(chǎn)生10MIPS的峰值性能。對于執(zhí)行密集型 16 位數(shù)學運算的應用程序來說，同樣重要的是包含用于 16/32 位數(shù)學加速的專用硬件。本應用筆記將解釋片上數(shù)學加速器的接口和操作，并舉例說明其使用方法。

訪問數(shù)學加速器硬件

數(shù)學加速器完全通過五個特殊功能寄存器 （SFR） 進行控制。這五個 SFR 如表 1 所示。通過 MA、MB 和 MC 寄存器以逐字節(jié)的方式向/從加速器加載和卸載數(shù)據(jù)。MA 寄存器允許在加速器之間傳輸 32 位數(shù)據(jù)。MB 寄存器允許將 16 位數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊铀倨?從加速器傳輸，而 MC 寄存器允許加載/卸載訪問 40 位累加器。40 位累加器在加速器執(zhí)行的每次乘法或除法運算時都會更新，在需要乘法累加或除法累加函數(shù)的應用中證明非常有用。通過任何 MA、MB 或 MC 寄存器將數(shù)據(jù)加載到加速器中時，必須始終首先執(zhí)行最低有效字節(jié)，而從加速器卸載數(shù)據(jù)始終首先執(zhí)行最高有效字節(jié)。圖 1 中給出的數(shù)學加速器框圖說明了此 SFR 接口。

圖1.數(shù)學加速器框圖。

支持的操作

DS80C390/DS80C400數(shù)學加速器支持四種基本運算：乘法、除法、歸一化和移位。數(shù)學加速器要執(zhí)行的操作由寫入三個寄存器（MA、MB 和 MCNT0）的順序定義。BUSY 位 （MCNT1.7） 指示操作何時開始 （BUSY = 1） 以及操作何時完成 （BUSY = 0）。但是，每個數(shù)學加速器操作都保證在固定數(shù)量的機器周期內(nèi)完成，從而消除了對 BUSY 位輪詢的需要。下表給出了每個加速器操作的硬件執(zhí)行時間。表后介紹了啟動操作所需的每個數(shù)學加速器操作和 SFR 寫入序列。這些信息也可以在DS80C390用戶指南補充指南或高速微控制器用戶指南：網(wǎng)絡微控制器補充中找到。

乘以 16 位 x 16 位

16 位乘 16 位乘法運算通過將 16 位乘法器寫入 MB 寄存器，然后將 16 位乘法器寫入 MA 寄存器來啟動。每個 16 位字必須首先將最低有效字節(jié)加載到所需的寄存器。加速器硬件在六個機器周期內(nèi)完成乘法運算，產(chǎn)生一個 32 位結果，通過讀取 MA 寄存器，該結果可訪問，最高有效字節(jié)優(yōu)先。需要讀取MA寄存器的四次才能獲得整個產(chǎn)品。乘法運算會自動將乘積與 40 位累加器的先前內(nèi)容累加，如果乘積超過 1FFFFh，則設置 MOF 標志 （MCNT6.0000）。

除 32 位/16 位和除 16 位/16 位

32位除以16位運算是通過將32位分頻寫入MA寄存器，然后將16位除數(shù)寫入MB寄存器來啟動的。16 位除以 16 位操作的啟動方式類似，只是需要向 MA 寄存器寫入 16 位分頻的字節(jié)少兩個。所有 32 位雙字和 16 位字數(shù)據(jù)必須首先將最低有效字節(jié)加載到所需的寄存器。數(shù)學加速器在九個機器周期內(nèi)完成 32/16 除法，在六個機器周期內(nèi)完成 16/16 除法，根據(jù)初始股息的大小生成 32 位或 16 位商。為兩個除法運算生成 16 位余數(shù)。商和余數(shù)可以通過分別讀取MA和MB寄存器來訪問，最高有效字節(jié)優(yōu)先。對于 16/16 分頻，MA 寄存器的兩個讀取將返回 16 位商，而 32/16 分頻需要 MA 的四個讀數(shù)才能獲得完整的 32 位商。先讀取商數(shù)還是余數(shù)并不重要。除法運算會自動累加 40 位累加器的先前內(nèi)容累加商，如果除數(shù)為 1h，則設置 MOF 標志 （MCNT6.0000）。

規(guī)范化 32 位

32 位規(guī)范化操作是通過將 32 位雙字寫入 MA，然后寫入 MAS4：0 來啟動的（MCNT0.4-0） 位 = 00000b。標準化將在九個機器周期內(nèi)完成。此時，可以從MA寄存器讀取左移的32位結果，最高有效字節(jié)優(yōu)先。規(guī)范化 32 位雙字所需的左移次數(shù)將返回到 MAS4：0位。

右移/左移 32 位

32 位移位操作是通過向 MA 寄存器寫入一個 32 位雙字，然后寫入 MAS4：0 來啟動的要執(zhí)行的班次數(shù)的位。位移位可以選擇在右方向或左方向上完成，定義為圓形移位，并且包含或排除進位 （SCB） 位。當不執(zhí)行循環(huán)移位時，在操作過程中將始終移入零位數(shù)據(jù) （0）。下圖詳細介紹了換檔操作的控制。

圖2.換檔操作控制。

40 位累加器

40 位累加器將每個乘法（乘積）或除法（商）的結果添加到其當前 內(nèi)容。整個40位累加器可以加載，最低有效字節(jié)優(yōu)先，五次寫入MC特殊功能寄存器。類似地，可以讀取40位累加器，最高有效字節(jié)優(yōu)先，五次讀取MC特殊功能寄存器。

每個加速器操作的匯編代碼示例

下面是簡單的代碼示例，用于演示每個操作所需的加載/卸載過程，以及突出顯示每個操作中涉及的寄存器和位的圖表。

將 16 位× 16 位相乘

mov mb, #78h ; lsb (5678h)
mov mb, #56h ; msb (5678h)
mov ma, #34h ; lsb (1234h)
mov ma, #12h ; msb (1234h)
nop ; mb, mb, ma, ma write sequence => 16-bit * 16-bit
nop
nop
nop
nop
nop ; 32-bit product ready after 6 machine cycles
mov r0, ma ; r0 = 06h (msb)
mov r1, ma ; r1 = 26h
mov r2, ma ; r2 = 00h
mov r3, ma ; r3 = 60h (lsb)

圖3.將 16 位× 16 位示例相乘（1234h × 5678h = 06260060h）。

除法 32 位/16 位

mov ma, #78h ; lsb (56785678h)
mov ma, #56h ; lsb+1 (56785678h)
mov ma, #78h ; lsb+1 (56785678h)
mov ma, #56h ; msb (56785678h)
mov mb, #34h ; lsb (1234h)
mov mb, #12h ; msb (1234h)
nop ; ma, ma, ma, ma, mb, mb write sequence
nop ; => 32-bit/16-bit
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop ; quotient & remainder ready after 9 machine cycles
mov r0, ma ; r0 = 00h (msb quotient)
mov r1, ma ; r1 = 04h
mov r2, ma ; r2 = c0h
mov r3, ma ; r3 = 12h (lsb quotient)
mov r6, mb ; r6 = 0eh (msb remainder)
mov r7, mb ; r7 = d0h (lsb remainder)

圖4.除以 32 位/16 位示例 （56785678H/1234H = 0004C012H;余數(shù) = 0ED0h）。

除法 16 位/16 位

mov ma, #78h ; lsb (5678h)
mov ma, #56h ; msb (5678h)
mov mb, #34h ; lsb (1234h)
mov mb, #12h ; msb (1234h)
nop ; ma, ma, mb, mb write sequence => 16-bit/16-bit
nop
nop
nop
nop
nop ; quotient & remainder ready after 6 machine cycles
mov r4, ma ; r4 = 00h (msb quotient)
mov r5, ma ; r5 = 04h (lsb quotient)
mov r6, mb ; r6 = 0dh (msb remainder)
mov r7, mb ; r7 = a8h (lsb remainder)

圖5.除以 16 位/16 位示例 （5678h/1234h = 0004h;余數(shù) = 0DA8h）。

規(guī)范化 32 位

mov ma, #67h ; lsb (01234567h)
mov ma, #45h ; lsb+1 (01234567h)
mov ma, #23h ; lsb+1 (01234567h)
mov ma, #01h ; msb (01234567h)
anl mcnt0, #0e0h ; mas4:0=00000b
nop ; ma, ma, ma, ma, mcnt0.4-0=00000b
nop ; write sequence => 32-bit normalize
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop ; mantissa/exponent ready after 9 machine cycles
mov r0, ma ; r0 = 91h (msb mantissa)
mov r1, ma ; r1 = a2h
mov r2, ma ; r2 = b3h
mov r3, ma ; r3 = 80h (lsb mantissa)
mov a, mcnt0
anl a, #1fh
mov r7, a ; r7 = 07h (#shifts)

圖6.規(guī)范化 32 位示例 （01234567h = 91A2B380h;班次 = 7）。

右移/左移 32 位

orl mcnt1, #20h ; scb=1
mov ma, #80h ; lsb (91a2b380h)
mov ma, #0b3h ; lsb+1 (91a2b380h)
mov ma, #0a2h ; lsb+1 (91a2b380h)
mov ma, #91h ; msb (91a2b380h)
mov mcnt0, #0e7h ; lshift\=1, cse=1, sce=1, mas4:0=7h
nop ; ma, ma, ma, ma, mcnt0.4-0=00111b
nop ; write sequence => 32-bit shift
nop ; circular right shift w/scb
nop
nop
nop
nop
nop
nop ; shifted result ready after 9 machine cycles
mov r0, ma ; r0 = 03h (msb shifted result)
mov r1, ma ; r1 = 23h
mov r2, ma ; r2 = 45h
mov r3, ma ; r3 = 67h (lsb shifted result)

圖7.移位 32 位示例（01234567h = 91A2B380h;移位 = 7）。

中斷加速器操作

如前所述，數(shù)學加速器硬件完全由寫入和讀取關聯(lián) SFR 的順序控制。每個寄存器讀取或?qū)懭胫赶虿煌奈锢韮?nèi)存位置。為了獲得正確的結果，不違反規(guī)定的命令至關重要。通常，數(shù)學加速器不應被另一個也使用數(shù)學加速器的任務中斷，因為這通常會產(chǎn)生不希望的結果。簡而言之，只有一個數(shù)學加速器能夠一次執(zhí)行一個操作。下面的序列演示了使用可重入數(shù)學加速器代碼時預期的問題類型。

示例問題序列

Write MB (Start of divide 16-bit/16-bit)
Write MB
--- Interrupt occurs that uses the Accelerator ---
Write MB (Start of divide 16-bit/16-bit)
Write MB
Write MA
Write MA
--- Wait for completion---
Read MA
Read MA
Read MA
Read MA INCORRECT ! - divide 32-bit/16-bit was performed
---Return from Interrupt ---
Write MA
Write MA WRONG STATE ! - will not initiate the divide

凱爾?使用加速器的 C51 編譯器數(shù)學函數(shù)

許多 8051 用戶習慣于使用高級語言（如 C. Keil）進行代碼開發(fā)。 軟件，行業(yè)領先的 8051 開發(fā)工具提供商，已經(jīng)創(chuàng)建了特殊的代碼來允許 DS80C390/DS80C400數(shù)學加速器用于某些操作。下面列出了 Keil C51 版本 6.20（或更高版本）支持的操作，這些操作在啟用此“目標選項”時使用數(shù)學加速器。

unsigned long *
unsigned long /
unsigned long >>
unsigned long <<
signed long *
signed long /
signed long >>
signed long <<

應用示例：

IEEE 754 單精度浮點乘法?

為了演示DS80C390/DS80C400數(shù)學加速器硬件的功能，我們來研究兩個浮點數(shù)相乘的任務。下面的圖 8 顯示了 IEEE 754 單精度浮點數(shù)格式，表 3 包含一些示例數(shù)字。二進制浮點數(shù)的乘法涉及指數(shù)的加法和有符號 24 位數(shù)的乘法。圖 9 顯示了完成任務必須執(zhí)行的基本步驟。到目前為止，對于 8051 硬件，三個步驟中最耗時的是 24 位× 24 位乘法。雖然DS80C390/DS80C400算術加速器不支持兩個24位數(shù)字的直接乘法，但利用其16位×16位乘法和累加功能，與傳統(tǒng)的8051方法相比，具有明顯的性能優(yōu)勢。圖 2 步驟 24 顯示了使用加速器對 （9） 個歸一化 3 位數(shù)字進行乘法的輪廓。部分乘積累加 （MAC） 操作已突出顯示。

圖8.IEEE 754 單精度浮點格式。

圖9.浮點乘法 （A × B = C）。

應用示例（續(xù)）-代碼列表

為了簡化示例，應用程序代碼不支持以下乘法或乘積：0、-0、無窮大、-無窮大、NaN（不是數(shù)字）、非規(guī)范化值。此外，代碼對產(chǎn)品執(zhí)行有偏差的舍入（即，如果產(chǎn)品正好在兩個可表示的數(shù)字之間，則將其向上舍入）。

審核編輯：郭婷