使用Python编写一个模仿CPU工作的程序

今天早上早些时候,在我的Planet Python源中,我读到了一篇有趣的文章"开发CARDIAC:纸板计算机(Developing upwards: CARDIAC: The Cardboard Computer)",它是关于名为Cardiac的纸板计算机的.我的一些追随者和读者应该知道,我有一个名为简单CPU(simple-cpu)的项目,过去的数月我一直工作于此,并且已经发布了源代码.我真的应该给这个项目提供一个合适的许可证,这样,其他人可能更感兴趣,并在他们自己的项目中使用.不管怎样,但愿在这发布之后,我可以完成这件事.

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 < 0: return '-'+data[-length:] return data[-length:]

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 < 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.output.append(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): """ 终止, 复位指令 """ self.reset() def run(self, pc=None): """ 这段代码一直执行到遇到终止/复位指令为止. """ 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: %snPC: %snOutput: %sn" % (c.ir, c.pc, 'n'.join(c.output)) raise

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 < 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: %snPC: %snOutput: %sn" % (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 :

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 .