tomasulo算法 python代码

### Tomasulo算法的Python实现 Tomasulo算法是一种用于支持乱序执行和寄存器重命名的技术，在现代处理器架构中广泛应用。以下是基于此原理的一个简化版本的Python实现。 #### 初始化数据结构 为了更好地理解如何用Python来表示这个复杂的硬件机制，先定义几个必要的类： ```python class Instruction: def __init__(self, operation, dest=None, src1=None, src2=None): self.operation = operation # 操作类型 ADD SUB MUL DIV ... self.dest = dest # 目标操作数 寄存器号 或 None 如果不是R-type指令 self.src1 = src1 # 第一个源操作数 寄存器号/立即数 或 None self.src2 = src2 # 第二个源操作数 寄存器号/立即数 或 None ``` 上述`Instruction`类用来描述每条待处理的机器码指令[^1]。 接着创建两个列表分别存储保留站(Reservation Stations) 和 寄存器别名表(Register Alias Table)，以及一些辅助变量跟踪当前的状态变化。 ```python from collections import defaultdict class ReservationStationEntry: def __init__(self, busy=False, op='', addr_reg=None, value=None, qj=None, qk=None): self.busy = busy # 是否忙碌 self.op = op # 运算符 self.addr_reg = addr_reg # 地址寄存器编号 self.value = value # 值 (当ready时有效) self.qj = qj # Qj指针指向另一个RS项或None self.qk = qk # Qk同上 class RegisterAliasTableEntry: def __init__(self, rob_entry_index=-1, ready=True): self.rob_entry_index = rob_entry_index # ROB索引 (-1 表示无关联) self.ready = ready # 数据是否准备好 def initialize(): global reservation_stations, rat_entries, num_registers, clock_cycle num_registers = 8 # 总共多少个物理寄存器 reservation_stations = [] # 所有的预留站点 rat_entries = [RegisterAliasTableEntry() for _ in range(num_registers)] # RAT初始化为空闲状态 clock_cycle = 0 # 计数器记录流逝的时间周期数 ``` 这里引入了`ReservationStationEntry` 类型的对象数组作为实际存在的多个功能单元对应的资源池；而 `rat_entries` 则保存着逻辑到物理映射关系的信息。 对于具体的调度过程，则涉及到更多细节上的考量，比如选择合适的候选者进入下一轮计算、更新相应依赖关系等动作。这部分可以通过循环迭代完成整个仿真流程直至所有任务都被妥善安排完毕为止。 最后给出一段简单的测试代码片段展示基本的功能验证： ```python if __name__ == '__main__': instructions = [ Instruction('ADD', 'F2', 'F0', 'F4'), Instruction('SUB', 'F6', 'F2', '#1'), # 使用立即数'#'开头标记 Instruction('MUL', 'F7', 'F6', 'F3') ] initialize() while any(not entry.ready for entry in rat_entries): # 循环直到所有的寄存器都准备就绪 dispatch_instructions(instructions[:]) # 尝试分发新的指令给可用的RS位置 execute_operations(clock_cycle % len(reservation_stations)) # 多路复用不同类型的运算部件轮流工作 commit_results_to_architectural_state() # 提交已完成的结果回写至体系结构可见区域 advance_clock() # 推进时间轴前进一格 print("Simulation finished.") ``` 这段伪代码展示了从加载初始指令集到最后结束仿真的全过程概览。当然这只是一个高度抽象化的模型框架，具体实现还需要考虑很多其他因素如性能优化、边界情况处理等等。