使用Python编写一个模仿CPU工作的程序
在读完了这篇文章以及它链接的页面后,我受到了一些启发,决定为它编写我自己的模拟器,因为我有编写字节码引擎的经验.我计划着跟随这篇文章继续往前,先写一篇关于汇编器的文章,接下来是关于编译器的文章.这样,通过这些文章,你基本上可以学到,如何用Python为Cardiac创建编译工具集. 在简单CPU(simple-cpu)项目中,我已经编写了一个完整的可工作的汇编器.在内置的游戏中,已经有了可工作的编译器的最初步骤.我也选择Cardiac作为一个验证机器是因为它绝对的简单.不需要复杂的记忆,每个操作码只接受单一的参数,所以它是绝好的学习工具.此外,所有的数据参数都是相同的,不需要检测程序是需要一个寄存器,字符串或者还是内存地址.实际上,只有一个寄存器,累加器.因此,让我们开始吧!我们将基于类来创建,这样包含范围.如果你想尝试的话,你可以简单通过子类来增加新的操作码.首先,我们将集中于初始化例程.这个CPU非常简单,所以我们只需要初始化下面的内容: CPU寄存器, 操作码, 内存空间, 读卡器/输入, 和 打印/tty/输出.
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 = []
但愿我写的注释能让你们看明白代码的各部分功能. 也许你已经发现这段代码处理指令集的方法(method)跟 simple-cpu 项目有所不同. 由于它能让开发者根据自己的需求轻松的扩展类库, 我打算在后续的项目中继续使用这种处理方式. 随着我对各部分功能原理的深入理解, 项目也在不断的发展变化. 其实吧, 做这样一个项目真的能让人学到不少东西. 对于精通计算机的人来说 , CPU 的工作原理啦, 指令集是怎么处理的啦, 都不是问题啦 . 关键是, 能够按照自己的想法去实现这样一个 CPU 仿真器, 真的很好玩. 根据自己想象中的样子, 亲手打造出这样一台仿真器, 然后看着它屁颠屁颠的运行着, 那叫一个有成就感.
接下来, 我们讲下工具函数(utility functions), 这些函数在很多地方都会用到, 而且允许在子类(subclasses)中重写:
def read_deck(self, fname): """ 将指令读到 reader 中. """ self.reader = [s.rstrip('\n') for s in open(fname, 'r').readlines()] self.reader.reverse() def fetch(self): """ 根据指令指针(program pointer) 从内存中读出指令, 然后将指令指针加1. """ self.ir = int(self.mem[self.pc]) self.pc +=1 def get_memint(self, data): """ 由于我们是以字符串形式(*string* based)保存内存数据的, 要仿真 Cardiac, 就要将字符串转化成整数. 如果是其他存储形式的内存, 如 mmap, 可以根据需要重写本函数. """ return int(self.mem[data]) def pad(self, data, length=3): """ 本函数的功能是像 Cardiac 那样, 在数字的前面补0. """ orig = int(data) padding = '0'*length data = '%s%s' % (padding, abs(data)) if orig本文后面我会另外给大家一段能结合 Mixin classes 使用的代码, 灵活性(pluggable)更强些. 最后就剩下这个处理指令集的方法了:
def process(self): """ 本函数只处理一条指令. 默认情况下, 从循环代码(running loop)中调用, 你也可以自己写代码, 以单步调试的方式调用它, 或者使用 time.sleep() 降低执行的速度. 如果想用 TK/GTK/Qt/curses 做的前端界面(frontend), 在另外一个线程中操作, 也可以调用本函数. """ self.fetch() opcode, data = int(math.floor(self.ir / 100)), self.ir % 100 self.__opcodes[opcode](data) def opcode_0(self, data): """ 输入指令 """ 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): """ 测试累加器内容指令 """ if self.acc
这段是上面提到的, 能在 Mixin 中使用的代码, 我重构过后, 代码如下 :class Memory(object): """ 本类实现仿真器的虚拟内存空间的各种功能 """ def init_mem(self): """ 用空白字符串清除 Cardiac 系统内存中的所有数据 """ self.mem = ['' for i in range(0,100)] self.mem[0] = '001' #: 启动 Cardiac 系统. def get_memint(self, data): """ 由于我们是以字符串形式(*string* based)保存内存数据的, 要仿真 Cardiac, 就要将字符串转化成整数. 如果是其他存储形式的内存, 如 mmap, 可以根据需要重写本函数. """ return int(self.mem[data]) def pad(self, data, length=3): """ 在数字前面补0 """ orig = int(data) padding = '0'*length data = '%s%s' % (padding, abs(data)) if orig大家可以从 Developing Upwards: CARDIAC: The Cardboard Computer 中找到本文使用的 deck1.txt .
希望本文能启发大家, 怎么去设计基于类的模块, 插拔性强(pluggable)的 Paython 代码, 以及如何开发 CPU 仿真器. 至于本文 CPU 用到的汇编编译器(assembler) , 会在下一篇文章中教大家.
这段是上面提到的, 能在 Mixin 中使用的代码, 我重构过后, 代码如下 :
class Memory(object): """ 本类实现仿真器的虚拟内存空间的各种功能 """ def init_mem(self): """ 用空白字符串清除 Cardiac 系统内存中的所有数据 """ self.mem = ['' for i in range(0,100)] self.mem[0] = '001' #: 启动 Cardiac 系统. def get_memint(self, data): """ 由于我们是以字符串形式(*string* based)保存内存数据的, 要仿真 Cardiac, 就要将字符串转化成整数. 如果是其他存储形式的内存, 如 mmap, 可以根据需要重写本函数. """ return int(self.mem[data]) def pad(self, data, length=3): """ 在数字前面补0 """ orig = int(data) padding = '0'*length data = '%s%s' % (padding, abs(data)) if orig大家可以从Developing Upwards: CARDIAC: The Cardboard Computer 中找到本文使用的 deck1.txt 的代码, 我用的是 从 1 计数到 10 的那个例子 .
声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系admin@php.cn核实处理。
相关文章
相关视频
专题推荐
- 独孤九贱-php全栈开发教程
全栈 170W+
主讲:Peter-Zhu 轻松幽默、简短易学,非常适合PHP学习入门
- 玉女心经-web前端开发教程
入门 80W+
主讲:灭绝师太 由浅入深、明快简洁,非常适合前端学习入门
- 天龙八部-实战开发教程
实战 120W+
主讲:西门大官人 思路清晰、严谨规范,适合有一定web编程基础学习
推荐阅读
-
Python使用SocketServer模块编写基本服务器程序的教程
-
使用Python编写一个最基础的代码解释器的要点解析
-
使用Python编写一个最基础的代码解释器的要点解析
-
Python使用SocketServer模块编写基本服务器程序的教程
-
使用Python的Tornado框架实现一个一对一聊天的程序
-
使用Python的Twisted框架编写非阻塞程序的代码示例
-
Python3使用TCP编写一个简易的文件下载器功能
-
Python中使用wxPython开发的一个简易笔记本程序实例
-
使用Python的Flask框架来搭建第一个Web应用程序
-
使用Python编写一个在Linux下实现截图分享的脚本的教程
网友评论
文明上网理性发言,请遵守 新闻评论服务协议
我要评论