快捷導(dǎo)航

使用Python編寫一個模仿CPU工作的程序

更新時間：2015年04月16日 16:31:46 投稿：goldensun

這篇文章主要介紹了使用Python編寫一個模仿CPU工作的程序,包括簡單的內(nèi)存和輸入輸出的實現(xiàn),本文中的例子需要一定的Python編程基礎(chǔ),是深入Python的實踐,需要的朋友可以參考下

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(guān)于名為Cardiac的紙板計算機的.我的一些追隨者和讀者應(yīng)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(yīng)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(guān)于匯編器的文章,接下來是關(guān)于編譯器的文章.這樣,通過這些文章,你基本上可以學(xué)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(nèi)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(fù)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(xué)習(xí)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(nèi)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(nèi)容: CPU寄存器, 操作碼, 內(nèi)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(xué)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(guān)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('\n') for s in open(fname, 'r').readlines()]
  self.reader.reverse()
 def fetch(self):
  """  根據(jù)指令指針(program pointer) 從內(nèi)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(nèi)存數(shù)據(jù)的, 要仿真 Cardiac, 就要將字符串轉(zhuǎn)化成整數(shù). 如果是其他存儲形式的內(nèi)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(jié)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(diào)用, 你也可以自己寫代碼, 以單步調(diào)試的方式調(diào)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(diào)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(nèi)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(zhuǎn)指令 """
  self.pc = data
 def opcode_9(self, data):
  """ 終止, 復(fù)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(fù)位 指令為止. """
  if pc:
   self.pc = pc
  self.running = True
  while self.running:
   self.process()
  print "Output:\n%s" % '\n'.join(self.output)
  self.init_output()if __name__ == '__main__':
 c = Cardiac()
 c.read_deck('deck1.txt')
 try:
  c.run()
 except:
  print "IR: %s\nPC: %s\nOutput: %s\n" % (c.ir, c.pc, '\n'.join(c.output))
  raise

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

class Memory(object):
 """ 本類實現(xiàn)仿真器的虛擬內(nèi)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(nèi)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(nèi)存數(shù)據(jù)的, 要仿真 Cardiac, 就要將字符串轉(zhuǎn)化成整數(shù). 如果是其他存儲形式的內(nèi)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('\n') for s in open(fname, 'r').readlines()]
  self.reader.reverse()
 def format_output(self):
  """  格式化虛擬 I/O 設(shè)備的輸出(output)  """
  return '\n'.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(jié)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(diào)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(nèi)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(diào)用(running loop), 也可以自己寫代碼, 以單步調(diào)試方式調(diào)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(diào)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(nèi)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(zhuǎn)指令 """
  self.pc = data
 def opcode_9(self, data):
  """ 停止/復(fù)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:\n%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\nPC: %s\nOutput: %s\n" % (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(shè)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(gòu)過后, 代碼如下 :

class Memory(object):
 """ 本類實現(xiàn)仿真器的虛擬內(nèi)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(nèi)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(nèi)存數(shù)據(jù)的, 要仿真 Cardiac, 就要將字符串轉(zhuǎn)化成整數(shù). 如果是其他存儲形式的內(nèi)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('\n') for s in open(fname, 'r').readlines()]
  self.reader.reverse()
 def format_output(self):
  """  格式化虛擬 I/O 設(shè)備的輸出(output)  """
  return '\n'.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(jié)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(diào)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(nèi)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(diào)用(running loop), 也可以自己寫代碼, 以單步調(diào)試方式調(diào)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(diào)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(nèi)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(zhuǎn)指令 """
  self.pc = data
 def opcode_9(self, data):
  """ 停止/復(fù)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:\n%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\nPC: %s\nOutput: %s\n" % (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 的代碼, 我用的是從 1 計數(shù)到 10 的那個例子 .

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