使用Python編寫一個模仿CPU工作的程序

來源：懂視網(wǎng) 責編：小采時間：2020-11-27 14:32:46

使用Python編寫一個模仿CPU工作的程序

使用Python編寫一個模仿CPU工作的程序:今天早上早些時候,在我的Planet Python源中,我讀到了一篇有趣的文章開發(fā)CARDIAC:紙板計算機(Developing upwards: CARDIAC: The Cardboard Computer),它是關于名為Cardiac的紙板計算機的.我的一些追隨者和讀者應該知道,我有一個名為簡單CPU(sim

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導讀使用Python編寫一個模仿CPU工作的程序:今天早上早些時候,在我的Planet Python源中,我讀到了一篇有趣的文章開發(fā)CARDIAC:紙板計算機(Developing upwards: CARDIAC: The Cardboard Computer),它是關于名為Cardiac的紙板計算機的.我的一些追隨者和讀者應該知道,我有一個名為簡單CPU(sim

今天早上早些時候,在我的Planet Python源中,我讀到了一篇有趣的文章"開發(fā)CARDIAC:紙板計算機(Developing upwards: CARDIAC: The Cardboard Computer)",它是關于名為Cardiac的紙板計算機的.我的一些追隨者和讀者應該知道,我有一個名為簡單CPU(simple-cpu)的項目,過去的數(shù)月我一直工作于此,并且已經(jīng)發(fā)布了源代碼.我真的應該給這個項目提供一個合適的許可證,這樣,其他人可能更感興趣,并在他們自己的項目中使用.不管怎樣,但愿在這發(fā)布之后,我可以完成這件事.

在讀完了這篇文章以及它鏈接的頁面后,我受到了一些啟發(fā),決定為它編寫我自己的模擬器,因為我有編寫字節(jié)碼引擎的經(jīng)驗.我計劃著跟隨這篇文章繼續(xù)往前,先寫一篇關于匯編器的文章,接下來是關于編譯器的文章.這樣,通過這些文章,你基本上可以學到,如何用Python為Cardiac創(chuàng)建編譯工具集. 在簡單CPU(simple-cpu)項目中,我已經(jīng)編寫了一個完整的可工作的匯編器.在內置的游戲中,已經(jīng)有了可工作的編譯器的最初步驟.我也選擇Cardiac作為一個驗證機器是因為它絕對的簡單.不需要復雜的記憶,每個操作碼只接受單一的參數(shù),所以它是絕好的學習工具.此外,所有的數(shù)據(jù)參數(shù)都是相同的,不需要檢測程序是需要一個寄存器,字符串或者還是內存地址.實際上,只有一個寄存器,累加器.因此,讓我們開始吧!我們將基于類來創(chuàng)建,這樣包含范圍.如果你想嘗試的話,你可以簡單通過子類來增加新的操作碼.首先,我們將集中于初始化例程.這個CPU非常簡單,所以我們只需要初始化下面的內容: CPU寄存器, 操作碼, 內存空間, 讀卡器/輸入, 和打印/tty/輸出.

class Cardiac(object):
 """ This class is the cardiac "CPU". """
 def __init__(self):
 self.init_cpu()
 self.reset()
 self.init_mem()
 self.init_reader()
 self.init_output()
 def reset(self):
 """ This method resets the CPU's registers to their defaults. """
 self.pc = 0 #: Program Counter
 self.ir = 0 #: Instruction Register
 self.acc = 0 #: Accumulator
 self.running = False #: Are we running?
 def init_cpu(self):
 """ This fancy method will automatically build a list of our opcodes into a hash. This enables us to build a typical case/select system in Python and also keeps things more DRY. We could have also used the getattr during the process() method before, and wrapped it around a try/except block, but that looks a bit messy. This keeps things clean and simple with a nice one-to-one call-map. """
 self.__opcodes = {}
 classes = [self.__class__] #: This holds all the classes and base classes.
 while classes:
 cls = classes.pop() # Pop the classes stack and being
 if cls.__bases__: # Does this class have any base classes?
 classes = classes + list(cls.__bases__)
 for name in dir(cls): # Lets iterate through the names.
 if name[:7] == 'opcode_': # We only want opcodes here.
 try:
 opcode = int(name[7:])
 except ValueError:
 raise NameError('Opcodes must be numeric, invalid opcode: %s' % name[7:])
 self.__opcodes.update({opcode:getattr(self, 'opcode_%s' % opcode)})
 def init_mem(self):
 """ This method resets the Cardiac's memory space to all blank strings, as per Cardiac specs. """
 self.mem = ['' for i in range(0,100)]
 self.mem[0] = '001' #: The Cardiac bootstrap operation.
 def init_reader(self):
 """ This method initializes the input reader. """
 self.reader = [] #: This variable can be accessed after initializing the class to provide input data.
 def init_output(self):
 """ This method initializes the output deck/paper/printer/teletype/etc... """
 self.output = []

但愿我寫的注釋能讓你們看明白代碼的各部分功能. 也許你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這段代碼處理指令集的方法(method)跟 simple-cpu 項目有所不同. 由于它能讓開發(fā)者根據(jù)自己的需求輕松的擴展類庫, 我打算在后續(xù)的項目中繼續(xù)使用這種處理方式. 隨著我對各部分功能原理的深入理解, 項目也在不斷的發(fā)展變化. 其實吧, 做這樣一個項目真的能讓人學到不少東西. 對于精通計算機的人來說 , CPU 的工作原理啦, 指令集是怎么處理的啦, 都不是問題啦 . 關鍵是, 能夠按照自己的想法去實現(xiàn)這樣一個 CPU 仿真器, 真的很好玩. 根據(jù)自己想象中的樣子, 親手打造出這樣一臺仿真器, 然后看著它屁顛屁顛的運行著, 那叫一個有成就感.

接下來, 我們講下工具函數(shù)(utility functions), 這些函數(shù)在很多地方都會用到, 而且允許在子類(subclasses)中重寫:

 def read_deck(self, fname):
 """ 將指令讀到 reader 中. """
 self.reader = [s.rstrip('
') for s in open(fname, 'r').readlines()]
 self.reader.reverse()
 def fetch(self):
 """ 根據(jù)指令指針(program pointer) 從內存中讀出指令, 然后將指令指針加1. """
 self.ir = int(self.mem[self.pc])
 self.pc +=1
 def get_memint(self, data):
 """ 由于我們是以字符串形式(*string* based)保存內存數(shù)據(jù)的, 要仿真 Cardiac, 就要將字符串轉化成整數(shù). 如果是其他存儲形式的內存, 如 mmap, 可以根據(jù)需要重寫本函數(shù). """
 return int(self.mem[data])
 def pad(self, data, length=3):
 """ 本函數(shù)的功能是像 Cardiac 那樣, 在數(shù)字的前面補0. """
 orig = int(data)
 padding = '0'*length
 data = '%s%s' % (padding, abs(data))
 if orig < 0:
 return '-'+data[-length:]
 return data[-length:]

本文后面我會另外給大家一段能結合 Mixin classes 使用的代碼, 靈活性(pluggable)更強些. 最后就剩下這個處理指令集的方法了:

def process(self):
 """ 本函數(shù)只處理一條指令. 默認情況下, 從循環(huán)代碼(running loop)中調用, 你也可以自己寫代碼, 以單步調試的方式調用它, 或者使用 time.sleep() 降低執(zhí)行的速度. 如果想用 TK/GTK/Qt/curses 做的前端界面(frontend), 在另外一個線程中操作, 也可以調用本函數(shù). """
 self.fetch()
 opcode, data = int(math.floor(self.ir / 100)), self.ir % 100
 self.__opcodes[opcode](data)
 def opcode_0(self, data):
 """ 輸入指令 """
 self.mem[data] = self.reader.pop()
 def opcode_1(self, data):
 """ 清除指令 """
 self.acc = self.get_memint(data)
 def opcode_2(self, data):
 """ 加法指令 """
 self.acc += self.get_memint(data)
 def opcode_3(self, data):
 """ 測試累加器內容指令 """
 if self.acc < 0:
 self.pc = data
 def opcode_4(self, data):
 """ 位移指令 """
 x,y = int(math.floor(data / 10)), int(data % 10)
 for i in range(0,x):
 self.acc = (self.acc * 10) % 10000
 for i in range(0,y):
 self.acc = int(math.floor(self.acc / 10))
 def opcode_5(self, data):
 """

輸出指令 """ self.output.append(self.mem[data]) def opcode_6(self, data): """ 存儲指令 """ self.mem[data] = self.pad(self.acc) def opcode_7(self, data): """ 減法指令 """ self.acc -= self.get_memint(data) def opcode_8(self, data): """ 無條件跳轉指令 """ self.pc = data def opcode_9(self, data): """ 終止, 復位指令 """ self.reset() def run(self, pc=None): """ 這段代碼一直執(zhí)行到遇到終止/復位指令為止. """ if pc: self.pc = pc self.running = True while self.running: self.process() print "Output: %s" % ' '.join(self.output) self.init_output()if __name__ == '__main__': c = Cardiac() c.read_deck('deck1.txt') try: c.run() except: print "IR: %s PC: %s Output: %s " % (c.ir, c.pc, ' '.join(c.output)) raise

這段是上面提到的, 能在 Mixin 中使用的代碼, 我重構過后, 代碼如下 :

class Memory(object):
 """ 本類實現(xiàn)仿真器的虛擬內存空間的各種功能 """
 def init_mem(self):
 """ 用空白字符串清除 Cardiac 系統(tǒng)內存中的所有數(shù)據(jù) """
 self.mem = ['' for i in range(0,100)]
 self.mem[0] = '001' #: 啟動 Cardiac 系統(tǒng).
 def get_memint(self, data):
 """ 由于我們是以字符串形式(*string* based)保存內存數(shù)據(jù)的, 要仿真 Cardiac, 就要將字符串轉化成整數(shù). 如果是其他存儲形式的內存, 如 mmap, 可以根據(jù)需要重寫本函數(shù). """
 return int(self.mem[data])
 def pad(self, data, length=3):
 """ 在數(shù)字前面補0 """
 orig = int(data)
 padding = '0'*length
 data = '%s%s' % (padding, abs(data))
 if orig < 0:
 return '-'+data[-length:]
 return data[-length:]
class IO(object):
 """ 本類實現(xiàn)仿真器的 I/O 功能. To enable alternate methods of input and output, swap this. """
 def init_reader(self):
 """ 初始化 reader. """
 self.reader = [] #: 此變量在類初始化后, 可以用來讀取輸入的數(shù)據(jù).
 def init_output(self):
 """ 初始化諸如： deck/paper/printer/teletype/ 之類的

輸出功能... """ self.output = [] def read_deck(self, fname): """ 將指令讀到 reader 中. """ self.reader = [s.rstrip(' ') for s in open(fname, 'r').readlines()] self.reader.reverse() def format_output(self): """ 格式化虛擬 I/O 設備的輸出(output) """ return ' '.join(self.output) def get_input(self): """ 獲取 IO 的輸入(input), 也就是說用 reader 讀取數(shù)據(jù), 代替原來的 raw_input() . """ try: return self.reader.pop() except IndexError: # 如果 reader 遇到文件結束標志(EOF) 就用 raw_input() 代替 reader. return raw_input('INP: ')[:3] def stdout(self, data): self.output.append(data) class CPU(object): """ 本類模擬 cardiac CPU. """ def __init__(self): self.init_cpu() self.reset() try: self.init_mem() except AttributeError: raise NotImplementedError('You need to Mixin a memory-enabled class.') try: self.init_reader() self.init_output() except AttributeError: raise NotImplementedError('You need to Mixin a IO-enabled class.') def reset(self): """ 用默認值重置 CPU 的寄存器 """ self.pc = 0 #: 指令指針 self.ir = 0 #: 指令寄存器 self.acc = 0 #: 累加器 self.running = False #: 仿真器的運行狀態(tài)? def init_cpu(self): """ 本函數(shù)自動在哈希表中創(chuàng)建指令集. 這樣我們就可以使用 case/select 方式調用指令, 同時保持代碼簡潔. 當然, 在 process(）中使用 getattr 然后用 try/except 捕捉異常也是可以的, 但是代碼看起來就沒那么簡潔了. """ self.__opcodes = {} classes = [self.__class__] #: 獲取全部類, 包含基類. while classes: cls = classes.pop() # 把堆棧中的類彈出來 if cls.__bases__: # 判斷有沒有基類 classes = classes + list(cls.__bases__) for name in dir(cls): # 遍歷名稱. if name[:7] == 'opcode_': # 只需要把指令讀出來即可 try: opcode = int(name[7:]) except ValueError: raise NameError('Opcodes must be numeric, invalid opcode: %s' % name[7:]) self.__opcodes.update({opcode:getattr(self, 'opcode_%s' % opcode)}) def fetch(self): """ 根據(jù)指令指針(program pointer) 從內存中讀取指令, 然后指令指針加 1. """ self.ir = self.get_memint(self.pc) self.pc +=1 def process(self): """ 處理當前指令，只處理一條. 默認情況下是在循環(huán)代碼中調用(running loop), 也可以自己寫代碼, 以單步調試方式調用, 或者利用 time.sleep() 降低執(zhí)行速度. 在 TK/GTK/Qt/curses 做的界面的線程中調用本函數(shù)也是可以的. """ self.fetch() opcode, data = int(math.floor(self.ir / 100)), self.ir % 100 self.__opcodes[opcode](data) def opcode_0(self, data): """ 輸入指令 """ self.mem[data] = self.get_input() def opcode_1(self, data): """ 清除累加器指令 """ self.acc = self.get_memint(data) def opcode_2(self, data): """ 加法指令 """ self.acc += self.get_memint(data) def opcode_3(self, data): """ 測試累加器內容指令 """ if self.acc < 0: self.pc = data def opcode_4(self, data): """ 位移指令 """ x,y = int(math.floor(data / 10)), int(data % 10) for i in range(0,x): self.acc = (self.acc * 10) % 10000 for i in range(0,y): self.acc = int(math.floor(self.acc / 10)) def opcode_5(self, data): """ 輸出指令 """ self.stdout(self.mem[data]) def opcode_6(self, data): """ 存儲指令 """ self.mem[data] = self.pad(self.acc) def opcode_7(self, data): """ 減法指令 """ self.acc -= self.get_memint(data) def opcode_8(self, data): """ 無條件跳轉指令 """ self.pc = data def opcode_9(self, data): """ 停止/復位指令""" self.reset() def run(self, pc=None): """ 這段代碼會一直運行，直到遇到 halt/reset 指令才停止. """ if pc: self.pc = pc self.running = True while self.running: self.process() print "Output: %s" % self.format_output() self.init_output() class Cardiac(CPU, Memory, IO): passif __name__ == '__main__': c = Cardiac() c.read_deck('deck1.txt') try: c.run() except: print "IR: %s PC: %s Output: %s " % (c.ir, c.pc, c.format_output()) raise

大家可以從 Developing Upwards: CARDIAC: The Cardboard Computer 中找到本文使用的 deck1.txt .

希望本文能啟發(fā)大家, 怎么去設計基于類的模塊, 插拔性強(pluggable)的 Paython 代碼, 以及如何開發(fā) CPU 仿真器. 至于本文 CPU 用到的匯編編譯器(assembler) , 會在下一篇文章中教大家.

這段是上面提到的, 能在 Mixin 中使用的代碼, 我重構過后, 代碼如下 :

class Memory(object):
 """ 本類實現(xiàn)仿真器的虛擬內存空間的各種功能 """
 def init_mem(self):
 """ 用空白字符串清除 Cardiac 系統(tǒng)內存中的所有數(shù)據(jù) """
 self.mem = ['' for i in range(0,100)]
 self.mem[0] = '001' #: 啟動 Cardiac 系統(tǒng).
 def get_memint(self, data):
 """ 由于我們是以字符串形式(*string* based)保存內存數(shù)據(jù)的, 要仿真 Cardiac, 就要將字符串轉化成整數(shù). 如果是其他存儲形式的內存, 如 mmap, 可以根據(jù)需要重寫本函數(shù). """
 return int(self.mem[data])
 def pad(self, data, length=3):
 """ 在數(shù)字前面補0 """
 orig = int(data)
 padding = '0'*length
 data = '%s%s' % (padding, abs(data))
 if orig < 0:
 return '-'+data[-length:]
 return data[-length:]
class IO(object):
 """ 本類實現(xiàn)仿真器的 I/O 功能. To enable alternate methods of input and output, swap this. """
 def init_reader(self):
 """ 初始化 reader. """
 self.reader = [] #: 此變量在類初始化后, 可以用來讀取輸入的數(shù)據(jù).
 def init_output(self):
 """ 初始化諸如： deck/paper/printer/teletype/ 之類的

大家可以從Developing Upwards: CARDIAC: The Cardboard Computer 中找到本文使用的 deck1.txt 的代碼, 我用的是從 1 計數(shù)到 10 的那個例子 .

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