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CARDIAC:紙板計算機(Developing upwards: CARDIAC: The Cardboard Computer)",它是關于名為Cardiac的紙板計算機的.我的一些追隨者和讀者應該知道,我有一個名為簡單CPU(simple-cpu)的項目,過去的數月我一直工作于此,并且已經發布了源代碼.我真的應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,決定為它編寫我自己的模擬器,因為我有編寫字節碼引擎的經驗.我計劃著跟隨這篇文章繼續往前,先寫一篇關于匯編器的文章,接下來是關于編譯器的文章.這樣,通過這些文章,你基本上可以學到,如何用Python為Cardiac創建編譯工具集. 在簡單CPU(simple-cpu)項目中,我已經編寫了一個完整的可工作的匯編器.在內置的游戲中,已經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.不需要復雜的記憶,每個操作碼只接受單一的參數,所以它是絕好的學習工具.此外,所有的數據參數都是相同的,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容: CPU寄存器, 操作碼, 內存空間, 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.? 也許你已經發現這段代碼處理指令集的方法(method)跟 simple-cpu 項目有所不同. 由于它能讓開發者根據自己的需求輕松的擴展類庫, 我打算在后續的項目中繼續使用這種處理方式. 隨著我對各部分功能原理的深入理解, 項目也在不斷的發展變化. 其實吧,? 做這樣一個項目真的能讓人學到不少東西.? 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 .? 關鍵是, 能夠按照自己的想法去實現這樣一個 CPU 仿真器, 真的很好玩. 根據自己想象中的樣子, 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(utility functions), 這些函數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):
""" 根據指令指針(program pointer) 從內存中讀出指令, 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)保存內存數據的, 要仿真 Cardiac, 就要將字符串轉化成整數. 如果是其他存儲形式的內存, 如 mmap, 可以根據需要重寫本函數. """
return int(self.mem[data])
def pad(self, data, length=3):
""" 本函數的功能是像 Cardiac 那樣, 在數字的前面補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):
""" 本函數只處理一條指令. 默認情況下, 從循環代碼(running loop)中調用, 你也可以自己寫代碼, 以單步調試的方式調用它, 或者使用 time.sleep() 降低執行的速度. 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, 也可以調用本函數. """
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):
""" 無條件跳轉指令 """
self.pc = data
def opcode_9(self, data):
""" 終止, 復位指令 """
self.reset()
def run(self, pc=None):
""" 這段代碼一直執行到遇到 終止/復位 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, 我重構過后, 代碼如下 :
?
class Memory(object):
""" 本類實現仿真器的虛擬內存空間的各種功能 """
def init_mem(self):
""" 用空白字符串清除 Cardiac 系統內存中的所有數據 """
self.mem = ['' for i in range(0,100)]
self.mem[0] = '001' #: 啟動 Cardiac 系統.
def get_memint(self, data):
""" 由于我們是以字符串形式(*string* based)保存內存數據的, 要仿真 Cardiac, 就要將字符串轉化成整數. 如果是其他存儲形式的內存, 如 mmap, 可以根據需要重寫本函數. """
return int(self.mem[data])
def pad(self, data, length=3):
""" 在數字前面補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據.
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 讀取數據, 代替原來的 raw_input() . """
try:
return self.reader.pop()
except IndexError:
# 如果 reader 遇到文件結束標志(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?
def init_cpu(self):
""" 本函數自動在哈希表中創建指令集. 這樣我們就可以使用 case/select 方式調用指令, 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):
""" 根據指令指針(program pointer) 從內存中讀取指令, 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代碼中調用(running loop), 也可以自己寫代碼, 以單步調試方式調用, 或者利用 time.sleep() 降低執行速度. 在 TK/GTK/Qt/curses 做的界面的線程中調用本函數也是可以的. """
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):
""" 無條件跳轉指令 """
self.pc = data
def opcode_9(self, data):
""" 停止/復位指令"""
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 .
希望本文能啟發大家, 怎么去設計基于類的模塊, 插拔性強(pluggable)的 Paython 代碼, 以及如何開發 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, 我重構過后, 代碼如下 :
?
class Memory(object):
""" 本類實現仿真器的虛擬內存空間的各種功能 """
def init_mem(self):
""" 用空白字符串清除 Cardiac 系統內存中的所有數據 """
self.mem = ['' for i in range(0,100)]
self.mem[0] = '001' #: 啟動 Cardiac 系統.
def get_memint(self, data):
""" 由于我們是以字符串形式(*string* based)保存內存數據的, 要仿真 Cardiac, 就要將字符串轉化成整數. 如果是其他存儲形式的內存, 如 mmap, 可以根據需要重寫本函數. """
return int(self.mem[data])
def pad(self, data, length=3):
""" 在數字前面補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據.
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 讀取數據, 代替原來的 raw_input() . """
try:
return self.reader.pop()
except IndexError:
# 如果 reader 遇到文件結束標志(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?
def init_cpu(self):
""" 本函數自動在哈希表中創建指令集. 這樣我們就可以使用 case/select 方式調用指令, 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):
""" 根據指令指針(program pointer) 從內存中讀取指令, 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代碼中調用(running loop), 也可以自己寫代碼, 以單步調試方式調用, 或者利用 time.sleep() 降低執行速度. 在 TK/GTK/Qt/curses 做的界面的線程中調用本函數也是可以的. """
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):
""" 無條件跳轉指令 """
self.pc = data
def opcode_9(self, data):
""" 停止/復位指令"""
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 計數到 10 的那個例子 .
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