python，关于一个32位的CPU
提问限制词汇太多，所以转用图片
R型指令
输入输出类似这样，但需要有CPI(每条指令的时钟）
- 请看👉 ：用Python实现一个CPU跑分程序
您好，对于32位MIPS指令集，共三种形式:R型 I型 J型。您所说的R型指令，它是用连续三个5位二进制码来表示三个寄存器的地址，然后用一个5位二进制码来表示移位的位数，最后为6位的function码。
用python定义一个处理cpu指令的方法:大概的样子:
""" 本函数只处理一条指令.. """
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))
由于您的需求比较具体，我也没具体的一样的操作实例。因此具体的，您可以看下其它一些资料。
参考GPT和自己的思路，下面我将尽可能详细地介绍一下如何实现这个简单的32位MIPS指令集模拟器，包括指令集的定义、CPU的实现、以及如何运行和测试模拟器。
指令集定义
首先，我们需要定义一个简单的指令集，包括以下几种类型的指令：
R型指令：用于寄存器之间的操作，如add、sub等。
I型指令：用于寄存器和内存之间的操作，如lw、sw等。
J型指令：用于跳转操作，如j、jal等。
这里我们只考虑实现R型指令，具体指令如下：
操作码 rs rt rd shamt funct
6位 5位 5位 5位 5位 6位
其中，操作码为6位，表示指令的类型，如add指令的操作码为000000。rs、rt、rd分别为5位，表示三个寄存器的编号。shamt为5位，表示移位操作时的位移量。funct为6位，表示指令的具体操作。
CPU的实现
接下来，我们需要实现一个简单的CPU，用于模拟指令的执行。CPU的基本架构如下：
寄存器文件：用于存储CPU中的所有寄存器。
数据存储器：用于存储程序和数据。
程序计数器(PC)：用于存储下一条要执行的指令的地址。
控制器：根据指令的操作码和寄存器编号，控制数据在寄存器和数据存储器之间的传输以及算术逻辑单元(ALU)的运算。
首先，我们需要定义寄存器文件和数据存储器的结构，以及一些辅助函数。具体实现如下：
# 定义寄存器
registers = [0] * 32
# 定义内存
memory = [0] * 1024
# 定义程序计数器和控制寄存器
pc = 0
ir = 0
cpi = {'add': 1, 'sub': 1, 'addi': 1, 'lw': 2, 'sw': 2}
# 定义指令集
def add(rd, rs, rt):
registers[rd] = registers[rs] + registers[rt]
def sub(rd, rs, rt):
registers[rd] = registers[rs] - registers[rt]
def addi(rt, rs, imm):
registers[rt] = registers[rs] + imm
def lw(rt, offset, base):
address = registers[base] + offset
registers[rt] = memory[address]
def sw(rt, offset, base):
address = registers[base] + offset
memory[address] = registers[rt]
# 定义指令解码
def decode(instruction):
opcode = (instruction & 0xFC000000) >> 26
rs = (instruction & 0x03E00000) >> 21
rt = (instruction & 0x001F0000) >> 16
rd = (instruction & 0x0000F800) >> 11
shamt = (instruction & 0x000007C0) >> 6
funct = instruction & 0x0000003F
if opcode == 0x00:
if funct == 0x20:
return 'add', [rd, rs, rt]
elif funct == 0x22:
return 'sub', [rd, rs, rt]
else:
return 'unsupported', []
elif opcode == 0x08:
return 'addi', [rt, rs, instruction & 0x0000FFFF]
elif opcode == 0x23:
return 'lw', [rt, instruction & 0x0000FFFF, rs]
elif opcode == 0x2B:
return 'sw', [rt, instruction & 0x0000FFFF, rs]
else:
return 'unsupported', []
接下来，我们需要实现这些指令的具体操作。下面是每个指令的代码实现：
def execute(instruction, regs, memory):
opcode = (instruction & 0xFC000000) >> 26
rs = (instruction & 0x03E00000) >> 21
rt = (instruction & 0x001F0000) >> 16
rd = (instruction & 0x0000F800) >> 11
shamt = (instruction & 0x000007C0) >> 6
funct = instruction & 0x0000003F
if opcode == 0x00:
if funct == 0x20:
# add
regs[rd] = regs[rs] + regs[rt]
elif funct == 0x22:
# sub
regs[rd] = regs[rs] - regs[rt]
elif opcode == 0x08:
# addi
regs[rt] = regs[rs] + (instruction & 0x0000FFFF)
elif opcode == 0x23:
# lw
address = regs[rs] + (instruction & 0x0000FFFF)
regs[rt] = memory[address]
elif opcode == 0x2B:
# sw
address = regs[rs] + (instruction & 0x0000FFFF)
memory[address] = regs[rt]
最后，我们需要实现一个简单的模拟器，用于执行指令序列。下面是代码实现：
def simulate(instructions, regs, memory):
pc = 0
while pc < len(instructions):
instruction = instructions[pc]
opcode = (instruction & 0xFC000000) >> 26
rs = (instruction & 0x03E00000) >> 21
rt = (instruction & 0x001F0000) >> 16
rd = (instruction & 0x0000F800) >> 11
shamt = (instruction & 0x000007C0) >> 6
funct = instruction & 0x0000003F
# R-type instructions
if opcode == 0:
if funct == 0x20: # ADD
regs[rd] = regs[rs] + regs[rt]
pc += 1
elif funct == 0x22: # SUB
regs[rd] = regs[rs] - regs[rt]
pc += 1
else:
print(f"Invalid instruction: {instruction}")
break
# I-type instructions
elif opcode == 0x08: # ADDI
imm = instruction & 0x0000FFFF
regs[rt] = regs[rs] + imm
pc += 1
elif opcode == 0x23: # LW
offset = instruction & 0x0000FFFF
address = regs[rs] + offset
value = memory[address]
regs[rt] = value
pc += 1
elif opcode == 0x2B: # SW
offset = instruction & 0x0000FFFF
address = regs[rs] + offset
value = regs[rt]
memory[address] = value
pc += 1
# Invalid instruction
else:
print(f"Invalid instruction: {instruction}")
break
# Print the final state of registers and memory
print("Final state of registers:")
for i in range(len(regs)):
print(f"R{i}: {regs[i]}")
print("Final state of memory:")
for i in range(len(memory)):
print(f"mem[{i}]: {memory[i]}")
print("Simulation complete.")
请问楼主问题解决了吗
首先，为了模拟一个32位MIPS CPU，需要定义一些控制寄存器、主存指示和指令集。
控制寄存器：可以定义以下控制寄存器：
PC（程序计数器）：指向当前正在执行的指令地址。
IR（指令寄存器）：保存当前正在执行的指令。
MAR（内存地址寄存器）：保存主存中要访问的内存地址。
MDR（内存数据寄存器）：保存从主存中读取或要写入主存的数据。
R0 - R31（通用寄存器）：32个通用寄存器，用于保存数据和执行算术运算。
HI、LO（乘法/除法寄存器）：用于乘法和除法操作。
主存指示：我们需要定义以下主存指示：
存储器大小：32位字。
存储器字节顺序：大端字节顺序。
指令集：我们需要实现以下指令：
add $rd, $rs, $rt：将寄存器$rs和$rt中的值相加，并将结果存储在寄存器$rd中。
sub $rd, $rs, $rt：将寄存器$rs和$rt中的值相减，并将结果存储在寄存器$rd中。
addi $rt, $rs, imm：将寄存器$rs中的值和立即数imm相加，并将结果存储在寄存器$rt中。
lw $rt, offset($rs)：从主存中读取一个32位字，地址为$rs + offset，并将结果存储在寄存器$rt中。
sw $rt, offset($rs)：将寄存器$rt中的值存储在主存中，地址为$rs + offset。
下面是一个简单的32位MIPS CPU指令集模拟程序：
class MIPS_CPU:
def __init__(self, memory):
self.memory = memory
self.PC = 0
self.IR = 0
self.MAR = 0
self.MDR = 0
self.registers = [0] * 32
self.HI = 0
self.LO = 0
def fetch(self):
self.MAR = self.PC
self.MDR = self.memory[self.MAR]
self.IR = self.MDR
self.PC += 1
def decode(self):
opcode = (self.IR >> 26) & 0x3F
rs = (self.IR >> 21) & 0x1F
rt = (self.IR >> 16) & 0x1F
rd = (self.IR >> 11) & 0x1F
shamt = (self.IR >> 6) & 0x1F
funct = self.IR & 0x3F
imm = self.IR & 0xFFFF
offset = self
if opcode == 0x00: # R-type
if funct == 0x20: # add
self.registers[rd] = self.registers[rs] + self.registers[rt]
elif funct == 0x22: # sub
self.registers[rd] = self.registers[rs] - self.registers[rt]
else:
print("Unknown instruction")
elif opcode == 0x08: # addi
self.registers[rt] = self.registers[rs] + imm
elif opcode == 0x23: # lw
address = self.registers[rs] + imm
self.MAR = address
self.MDR = self.memory[self.MAR] << 24 | self.memory[self.MAR + 1] << 16 | self.memory[self.MAR + 2] << 8 | self.memory[self.MAR + 3]
self.registers[rt] = self.MDR
elif opcode == 0x2B: # sw
address = self.registers[rs] + imm
self.MAR = address
self.MDR = (self.registers[rt] >> 24) & 0xFF
self.memory[self.MAR] = self.MDR
self.MDR = (self.registers[rt] >> 16) & 0xFF
self.memory[self.MAR + 1] = self.MDR
self.MDR = (self.registers[rt] >> 8) & 0xFF
self.memory[self.MAR + 2] = self.MDR
self.MDR = self.registers[rt] & 0xFF
self.memory[self.MAR + 3] = self.MDR
else:
print("Unknown instruction")
def execute(self):
# We have already executed the instruction during decoding phase, so just return
return
def run(self):
while True:
self.fetch()
if self.IR == 0: # Halt on encountering a NOP instruction
break
self.decode()
self.execute()
def disassemble(self, instruction):
opcode = (instruction >> 26) & 0x3F
rs = (instruction >> 21) & 0x1F
rt = (instruction >> 16) & 0x1F
rd = (instruction >> 11) & 0x1F
shamt = (instruction >> 6) & 0x1F
funct = instruction & 0x3F
imm = instruction & 0xFFFF
offset = imm
if opcode == 0x00: # R-type
if funct == 0x20:
return f"add ${rd}, ${rs}, ${rt}"
elif funct == 0x22:
return f"sub ${rd}, ${rs}, ${rt}"
else:
return "Unknown instruction"
elif opcode == 0x08:
return f"addi ${rt}, ${rs}, {imm}"
elif opcode == 0x23:
return f"lw ${rt}, {offset}(${rs})"
elif opcode == 0x2B:
return f"sw ${rt}, {offset}(${rs})"
else:
return "Unknown instruction"
def assemble(self, instruction):
parts = instruction.split()
opcode = None
rs = None
rt = None
rd = None
shamt = None
funct = None
imm = None
if parts[0] == "add":
opcode = 0x00
funct = 0x20
rd = int(parts[1][1:])
rs = int(parts[2][1:])
rt = int(parts[3][1:])
elif parts[0] == "sub":
opcode = 0x00
funct = 0x22
rd = int(parts[1][1:])
rs = int(parts[2][1:])
rt = int(parts[3][1:])
elif parts[0] == "addi":
opcode = 0x08
rt = int(parts[1][1:])
rs = int(parts[2][1:])
imm = int(parts[3])
elif parts[0] == "lw":
opcode = 0x23
rt = int(parts[1][1:])
offset = int(parts[2][:parts[2].find("(")])
rs = int(parts[2][parts[2].find("(") + 2:-1])
imm = offset
elif parts[0] == "sw":
opcode = 0x2B
rt = int(parts[1][1:])
offset = int(parts[2][:parts[2].find("(")])
rs = int(parts[2][parts[2].find("(") + 2:-1])
imm = offset
else:
return None
instruction_word = 0
if opcode is not None:
instruction_word |= opcode << 26
if rs is not None:
instruction_word |= rs << 21
if rt is not None:
instruction_word |= rt << 16
if rd is not None:
instruction_word |= rd << 11
if shamt is not None:
instruction_word |= shamt << 6
if funct is not None:
instruction_word |= funct
if imm is not None:
instruction_word |= imm
return instruction_word
在fetch()方法中实现了指令的取出，decode()方法中解码了指令，execute()方法中执行了指令。我们还实现了disassemble()方法，将二进制指令转换为汇编语言，并实现了assemble()方法，将汇编指令转换为二进制。
最后，可以创建一个MIPS_CPU对象，并使用它来加载指令和数据，运行模拟程序并查看模拟结果。下面是一个示例程序：
cpu = MIPS_CPU()
cpu.load_program([
0x20840001, # addi $4, $4, 1
0x20850002, # addi $5, $4, 2
0x01054020, # add $8, $8, $5
0x21080000, # addi $8, $8, 0
0xAC050000, # sw $5, 0($8)
0x8C050000, # lw $5, 0($8)
0x00000000, # nop
])
cpu.run()
print(f"$4 = {cpu.registers[4]}")
print(f"$5 = {cpu.registers[5]}")
print(f"$8 = {cpu.registers[8]}")
以下答案由GPT-3.5大模型与博主波罗歌共同编写：
对于R型指令，在32位CPU中，一条指令通常包含6个字段：
操作码：6位，表示要执行的操作。
源寄存器1：5位，表示源操作数1的寄存器编号。
源寄存器2：5位，表示源操作数2的寄存器编号。
目的寄存器：5位，表示目标寄存器的编号。
移位量：5位，表示要进行的移位操作的位数。
函数代码：6位，指定该操作码具体的操作。
以加法操作为例，其操作码为000000，函数代码为100000，源寄存器1的编号为rs，源寄存器2的编号为rt，目标寄存器的编号为rd，移位量为0。其指令格式如下：
add rd, rs, rt
注意，这里的rs、rt和rd都是代表寄存器编号的符号。
对于CPI的计算，需要根据具体的CPU的设计来确定。通常，指令的执行需要若干个时钟周期，其中包括若干个阶段，如指令读取、译码、执行、访问内存、写回等。每个阶段的耗时不同，因此需要根据具体的实现来确定CPI值。
下面是R型指令的加法操作的代码示例（汇编语言）：
add $rd, $rs, $rt
其中，$rs、$rt和$rd分别代表寄存器rs、rt和rd。在执行时，将寄存器$rs$和$rt$中的值相加，并将结果存入寄存器$rd$中。
如果我的回答解决了您的问题，请采纳！