快捷導(dǎo)航

Python代碼模擬CPU工作原理

更新時(shí)間：2023年01月27日 16:16:23 投稿：yin

Python代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)最簡(jiǎn)單的CPU。用代碼模擬大的部件,使大家從原理上理解CPU工作。使它可編程，支持加減法運(yùn)算、讀寫(xiě)內(nèi)存、無(wú)條件跳轉(zhuǎn)、條件跳轉(zhuǎn)的功能。

理解 CPU 工作原理，重要的是理解 pc 不停地自增地址，順序執(zhí)行程序指令。當(dāng)遇到跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，會(huì)將 pc 重置為新地址。在順序執(zhí)行程序指令的過(guò)程中，每一步都是解析程序指令、產(chǎn)生控制信號(hào)，進(jìn)而控制所有 CPU 相關(guān)器件的工作狀態(tài)，產(chǎn)生程序計(jì)算結(jié)果，保存進(jìn)各寄存器或者RAM 中。

本文使用四十行 Python 代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)最簡(jiǎn)單的 CPU。使它可編程，支持加減法運(yùn)算、讀寫(xiě)內(nèi)存、無(wú)條件跳轉(zhuǎn)、條件跳轉(zhuǎn)的功能。

Python層面的實(shí)驗(yàn)和書(shū)面上的概念，不足以支撐去論證從Python代碼到CPU執(zhí)行的復(fù)雜過(guò)程，也不足以支撐從CPU讀的內(nèi)存地址到Python內(nèi)存管理上的內(nèi)存地址之間復(fù)雜的關(guān)系，但算是針對(duì)此淺層現(xiàn)象的一個(gè)合理的猜想。

一、引言

從宏觀上，CPU 工作原理是讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)，在 ALU 中完成計(jì)算，然后保存進(jìn)內(nèi)存，輸入輸出系統(tǒng)完成了同其他外設(shè)交互；從中觀上看，CPU 工作原理就是本文講述的 pc 從 0 開(kāi)始，讀取程序指令寄存器，然后解析指令，控制各部件工作的具體過(guò)程；從微觀上看，pc 程序計(jì)數(shù)器、ALU 數(shù)字邏輯運(yùn)算單元，RAM 存儲(chǔ)器在內(nèi)的所有 CPU 相關(guān)部件，其實(shí)都是一個(gè)個(gè)三極管，這些三極管在電流作用下導(dǎo)通或者截止，完成了數(shù)字邏輯運(yùn)算、保持記憶狀態(tài)、產(chǎn)生脈沖信號(hào)的所有功能。

二、CPU工作原理

讓我們分別介紹各部件工作原理，之后介紹它們?cè)趺磪f(xié)同工作。

1 各部件工作原理

在真實(shí) CPU 中，都有相應(yīng)物理電路與其對(duì)應(yīng)，它們的功能分別是：

pc 計(jì)數(shù)器，從 0 開(kāi)始產(chǎn)生 0，1，2，……計(jì)數(shù)可以清零，也可以從外部輸入一個(gè)數(shù)，從這個(gè)數(shù)從新開(kāi)始計(jì)數(shù)，這被稱(chēng)為置位。用于指示程序和數(shù)據(jù)存取位置。

RAM，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的隨機(jī)存儲(chǔ)器，支持根據(jù)地址（0x01 這種整形）讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)地址和寫(xiě)入信號(hào) w 寫(xiě)入數(shù)據(jù)。用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。

寄存器，存儲(chǔ) 8 bit 信息的存儲(chǔ)器，根據(jù) w 信號(hào)為 1 寫(xiě)入當(dāng)前數(shù)據(jù)，w 為 0 表示讀取。類(lèi)似 RAM，但只能存儲(chǔ) 8 bit 信息。常用于存儲(chǔ)指令、地址和計(jì)算中間量。

加法器，完成兩數(shù)加減法運(yùn)算，sub 為 1 時(shí)表示減法，ci 為 1 時(shí)表示進(jìn)位。這個(gè)器件是核心器件，用于構(gòu)成 ALU（算數(shù)邏輯單元）。真實(shí) CPU 是采用邏輯門(mén)搭建，還有乘法器、邏輯運(yùn)算單元，等等。

21選擇器，相當(dāng)于單刀雙擲開(kāi)關(guān)，根據(jù) s21 信號(hào)，決定 8 bit 輸出來(lái)自或左或右 8 bit 輸入端。

2 協(xié)同工作原理

整個(gè)數(shù)據(jù)通路從程序計(jì)數(shù)器 pc 開(kāi)始，計(jì)數(shù)器從 0 開(kāi)始輸出數(shù)字 0，1，2，3，4……。指令 RAM 和數(shù)據(jù) RAM 中分別存儲(chǔ)程序代碼和數(shù)據(jù)。RAM 采用數(shù)字表示的位置訪問(wèn)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)計(jì)數(shù)器地址 0，1，2之類(lèi)，將 RAM 中的數(shù)據(jù)分別放入指令寄存器 IR 和數(shù)據(jù)寄存器 DR。寄存器相當(dāng)于容器、變量，存儲(chǔ)了 RAM 給它的數(shù)據(jù)。

指令寄存器中的指令碼解碼產(chǎn)生 CPU 控制指令，這些 0 和 1 分別表示低電平和高電平信號(hào)，而電平信號(hào)則控制諸如加法器進(jìn)位與否，是否打開(kāi)減法，是否使能寄存器寫(xiě)入，選擇 21選擇器哪一個(gè)輸入作輸出，是否重置計(jì)數(shù)器，等等。所以，指令其實(shí)是控制 CPU 各部件協(xié)同工作的電信號(hào)。

數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)分別走向加法器 adder 來(lái)進(jìn)行加法、減法運(yùn)算后流向 21選擇器，也可能直接流向 21選擇器等待選擇。21選擇器選擇后，數(shù)據(jù)進(jìn)入累加寄存器 AC 。累加器的數(shù)據(jù)根據(jù) ac 信號(hào)是否為高電平 1 ，來(lái)決定寫(xiě)入與否。AC累加器的數(shù)據(jù)會(huì)參與下次計(jì)算或者根據(jù) w 信號(hào)存入數(shù)據(jù) RAM 中。

至此，我們完成了一次計(jì)算，程序計(jì)數(shù)器加 1，然后執(zhí)行下一次計(jì)算。如果本條指令是跳轉(zhuǎn)指令的話(huà)，將跳轉(zhuǎn)目的地址直接賦值給程序計(jì)數(shù)器，程序重新地址開(kāi)始執(zhí)行。

三、 Python 實(shí)現(xiàn) CPU 各組成部分

1 RAM 存儲(chǔ)器

我們用 list 來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這是一個(gè)很簡(jiǎn)單和直接的設(shè)計(jì)。

ramc = [0x18, 0x19, 0x1d, 0x02, 0x31, 0x30, 0x00]

對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)，根據(jù) pc 指針來(lái)，ramc[pc]=data 表示寫(xiě)入內(nèi)存，讀就是 ramc[pc]。

2 Adder 加法器

def adder(a=0, b=0, ci=0, sub=0):
    return a-b+ci if sub == 1 else a+b+ci

真正的加法器使用邏輯門(mén)，相當(dāng)于一堆開(kāi)關(guān)按某種關(guān)系堆疊在一起，這里我們用高級(jí)語(yǔ)言模擬，極大簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)。這個(gè)加法器實(shí)現(xiàn)了 a 和 b 的加法，同時(shí) ci 表示進(jìn)位，sub 表示減法。

3 Register 寄存器

寄存器采用 Python 的閉包概念來(lái)設(shè)計(jì)，這是為了用自由變量記住寄存器上次的狀態(tài)。當(dāng)我們用 AC = register() 調(diào)用時(shí)，AC 相相當(dāng)于返回的內(nèi)部函數(shù) register_inner，此時(shí) temp 作為自由變量和 register_inner 同屬一個(gè)閉包。所以此后對(duì) temp 變量讀、寫(xiě)都是一個(gè)持久的變量。相當(dāng)于維持住了狀態(tài)。

w 信號(hào)為 1 時(shí)寫(xiě)入，相當(dāng)于寄存器使能端 w。

def register():
    temp = 0
 
    def register_inner(data=0, w=0):
        nonlocal temp
        if w == 1:
            temp = data
        return temp
    return register_inner

真實(shí) CPU 設(shè)計(jì)當(dāng)中，如何設(shè)計(jì)寄存器是一門(mén)大學(xué)問(wèn)。即使在微機(jī)原理課程粗淺的 CPU 模型學(xué)習(xí)中，理解繼電器和三極管能記憶，也需要費(fèi)一番心思。本文用高級(jí)語(yǔ)言模擬底層硬件，我們只能再兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)一次，所以此處需要深刻理解閉包概念。

4 8bit 21選擇器

21選擇器是在 sel 端為 1 時(shí)，返回 b 。當(dāng) sel 為零時(shí)，返回 a。也就是兩個(gè)輸入端選擇一個(gè)作為輸出。

def b8_21selector(a=0, b=0, sel=0):
    return a if sel == 0 else b

四、集成 CPU

當(dāng)我們集成 CPU 各部件時(shí)，首先將各部件新建出來(lái)，然后進(jìn)行初始化，最后將 pc 置零，開(kāi)始無(wú)限循環(huán)。

循環(huán)過(guò)程中，首先將程序指令 RAM 中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入指令寄存器，根據(jù)指令寄存器解碼各控制信號(hào)，此后操作都是在指令控制信號(hào)控制下進(jìn)行。

首先如果 IR 指令寄存器中是 HLt 停機(jī)指令的話(huà)，那么系統(tǒng) Break。否則根據(jù) dr 決定是否將數(shù)據(jù)信號(hào)寫(xiě)入 DR 數(shù)據(jù)寄存器。

對(duì)加法器的操作，是自動(dòng)的，它的一個(gè)輸入是 AC 累加器存器，另一個(gè)輸入是 DR 數(shù)據(jù)寄存器，同時(shí)受到 sub 減法控制信號(hào)的控制。

加法運(yùn)算器運(yùn)算后，結(jié)果傳到 21選擇器，同數(shù)據(jù)總線(xiàn)上直接過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)一塊，等待 s21 信號(hào)選擇，再根據(jù) ac 信號(hào)存進(jìn) AC 累加寄存器，以備下一計(jì)算。

zf 作為零標(biāo)志位寄存器，如果 AC 累加器存起結(jié)果為零的話(huà)，則 zf 為 1。此時(shí)如果 pre 為 1 的話(huà)，那么就可以將 pc 設(shè)置為 DR 數(shù)據(jù)寄存器的值，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)算結(jié)果為零跳轉(zhuǎn)功能。否則繼續(xù)向下執(zhí)行。

總體集成后，代碼如下：

def adder(a=0, b=0, ci=0, sub=0):
    return a-b+ci if sub == 1 else a+b+ci
def b8_21selector(a=0, b=0, sel=0):
    return a if sel == 0 else b
def register():
    temp = 0
    def register_inner(data=0, w=0):
        nonlocal temp
        if w == 1:
            temp = data
        return temp
    return register_inner
def int2bin(data=0, length=8, tuple_=1, string=0, humanOrder=0):
    #輔助函數(shù)，整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制字符串或者元祖。
    r = bin(data)[2:].zfill(length)
    r = r[::-1] if humanOrder == 0 else r
    return r if string == 1 else tuple(int(c) for c in r)
def cpu():
    pc = 0 # pc 計(jì)數(shù)器從 0 開(kāi)始，無(wú)限循環(huán)。
    IR, DR, AC = register(), register(), register() # 新建寄存器
    ramc = [0x18, 0x19, 0x1d, 0x02, 0x31, 0x30, 0x00] # 初始化代碼
    ramd = [10, 2, 3, 0xff, 0x06, 0x02] # 初始化數(shù)據(jù)
 
    IR(0, w=1) # 初始化寄存器
    DR(0, w=1)
    AC(0, w=1)
    while True:
        IR(ramc[pc], w=1) # 指令讀寫(xiě)
        *_, pre, dr, ac, sub, w, s21 = int2bin(IR(), humanOrder=1) # 指令解碼
        if IR() == 0:
            break # HLT信號(hào)
        DR(ramd[pc], w=dr) # 數(shù)據(jù)讀寫(xiě)
        r = adder(AC(), DR(), sub=sub) # 加法器自動(dòng)加法
        AC(b8_21selector(DR(), r, s21), w=ac) # 選擇器選擇后，累加寄存器讀寫(xiě)
        ramd[pc] = AC() if w else ramd[pc] # 根據(jù) w 信號(hào)，數(shù)據(jù)寫(xiě)入 RAM
        zf = (AC() == 0) # 零標(biāo)志位寄存器
        pc = DR() if (pre == 1 and zf == True and s21 == 1) else pc + 1 # Jz 指令跳轉(zhuǎn)
        pc = DR() if (pre == 1 and s21 == 0) else pc # 無(wú)條件跳轉(zhuǎn) Jmp
        print(AC()) 
if __name__ == '__main__':
    cpu()

到此這篇關(guān)于Python代碼模擬CPU工作原理的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Python模擬CPU內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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