Python实现：构建一个简单的CPU模拟器
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更新于2024-09-02
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本文介绍如何使用Python编程语言模拟CPU的工作，作者受到名为“CARDIAC: The Cardboard Computer”的纸板计算机启发，决定为它创建一个模拟器，并计划撰写一系列文章，涵盖汇编器和编译器的制作过程。文中提到的简单CPU(simple-cpu)项目已经包含了部分工作成果，如汇编器的实现。Cardiac机器的简单性使其成为学习工具，只有一个寄存器（累加器）且操作码只接受单个参数。作者将通过类来构建模拟器，便于扩展。
以下是文章中涉及的知识点：
1. **Python编程**：整个项目基于Python语言，Python是一种高级编程语言，易于学习，适合编写各种类型的程序，包括模拟器。
2. **模拟器**：模拟器是一种软件，能够复制另一台计算机或计算设备的行为，使得开发者可以在不同的硬件或软件环境下运行和测试代码。
3. **CPU工作原理**：CPU（中央处理器）是计算机的核心部件，负责执行指令、处理数据。模拟CPU需要理解并实现指令集、寄存器和内存管理等基本概念。
4. **汇编器**：汇编器是将汇编语言代码转换成机器可执行的二进制代码的工具，是编译器的一部分。
5. **编译器**：编译器是将高级语言代码转换为机器语言的软件，简化了程序开发，使得程序员可以使用更抽象的语言编写代码。
6. **类和对象**：在Python中，通过定义类来创建对象，类是具有特定属性和方法的数据结构，而对象是类的实例，用于表示现实世界中的实体或抽象概念。
7. **初始化**：在Python中，`__init__`方法是构造函数，用于初始化新创建的对象。在这个例子中，初始化CPU涉及设置寄存器、操作码、内存、输入和输出。
8. **寄存器**：在CPU中，寄存器是高速存储单元，用于临时存储数据和指令。在Cardiac中，只有一个累加器寄存器。
9. **内存管理**：模拟CPU需要实现内存模型，分配和访问内存空间，模拟数据存储。
10. **输入/输出(I/O)**：模拟CPU需要处理输入和输出，例如，模拟读卡器进行输入，模拟打印机或TTY设备进行输出。
11. **操作码**：操作码是计算机指令的一部分，指示CPU应执行的操作。在Cardiac中，每个操作码只接受一个参数。
12. **编程流程**：从读取文章、获取灵感，到编写汇编器、编译器，再到实现模拟器，展示了完整的编程设计和实现过程。
13. **许可证**：为了使项目对其他人开放和可用，作者计划为其添加适当的开源许可证，鼓励他人参与和使用。
通过这个项目，读者不仅可以学习到如何使用Python编写CPU模拟器，还能深入理解计算机体系结构和软件开发的基本原理。同时，Cardiac的简单性使得这个项目对于初学者来说是一个极好的实践平台。
使用使用Python编写一个模仿编写一个模仿CPU工作的程序工作的程序
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('') for s in open(fname, 'r').readlines()] self.reader.reverse()
def fetch(self):
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