使用Python编写一个模仿CPU工作的程序

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 < 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):
  """ 

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 < 0:
   return '-'+data[-length:]
  return data[-length:]
class IO(object):
 """ 本类实现仿真器的 I/O 功能. To enable alternate methods of input and output, swap this. """
 def init_reader(self):
  """  初始化 reader.  """
  self.reader = [] #: 此变量在类初始化后, 可以用来读取输入的数据.
 def init_output(self):
  """  初始化诸如： deck/paper/printer/teletype/ 之类的

输出功能... """ self.output = [] 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 format_output(self): """ 格式化虚拟 I/O 设备的输出(output) """ return '\n'.join(self.output) def get_input(self): """ 获取 IO 的输入(input), 也就是说用 reader 读取数据, 代替原来的 raw_input() . """ try: return self.reader.pop() except IndexError: # 如果 reader 遇到文件结束标志(EOF) 就用 raw_input() 代替 reader. return raw_input('INP: ')[:3] def stdout(self, data): self.output.append(data) class CPU(object): """ 本类模拟 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): """ 用默认值重置 CPU 的寄存器 """ self.pc = 0 #: 指令指针 self.ir = 0 #: 指令寄存器 self.acc = 0 #: 累加器 self.running = False #: 仿真器的运行状态? def init_cpu(self): """ 本函数自动在哈希表中创建指令集. 这样我们就可以使用 case/select 方式调用指令, 同时保持代码简洁. 当然, 在 process(） 中使用 getattr 然后用 try/except 捕捉异常也是可以的, 但是代码看起来就没那么简洁了. """ self.__opcodes = {} classes = [self.__class__] #: 获取全部类, 包含基类. while classes: cls = classes.pop() # 把堆栈中的类弹出来 if cls.__bases__: # 判断有没有基类 classes = classes + list(cls.__bases__) for name in dir(cls): # 遍历名称. if name[:7] == 'opcode_': # 只需要把指令读出来即可 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): """ 根据指令指针(program pointer) 从内存中读取指令, 然后指令指针加 1. """ self.ir = self.get_memint(self.pc) self.pc +=1 def process(self): """ 处理当前指令， 只处理一条. 默认情况下是在循环代码中调用(running loop), 也可以自己写代码, 以单步调试方式调用, 或者利用 time.sleep() 降低执行速度. 在 TK/GTK/Qt/curses 做的界面的线程中调用本函数也是可以的. """ self.fetch() opcode, data = int(math.floor(self.ir / 100)), self.ir % 100 self.__opcodes[opcode](data) def opcode_0(self, data): """ 输入指令 """ 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): """ 测试累加器内容指令 """ 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): """ 输出指令 """ self.stdout(self.mem[data]) def opcode_6(self, data): """ 存储指令 """ self.mem[data] = self.pad(self.acc) def opcode_7(self, data): """ 减法指令 """ self.acc -= self.get_memint(data) def opcode_8(self, data): """ 无条件跳转指令 """ self.pc = data def opcode_9(self, data): """ 停止/复位指令""" self.reset() def run(self, pc=None): """ 这段代码会一直运行， 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 :