门 | GATE-CS-2006 | 问题 25

本题需要实现一个线性数据结构来存储门以及与之相连的门。在一个仿真器中，门可以是输入、输出、组合逻辑或时序电路的组成部分。

问题描述

在设计一个门的仿真器时，需要实现一个门的数据结构，该数据结构需要可以存储与门相连的输入和输出，以及计算门的输出。

门可以被组成电路的一个层次结构中。在该层次结构中，输出门可以被输入门链接。门和它们的数据连接可以被改变。

Gate 类应该支持以下接口：

输入接口

class Gate:
    def get_output(self):
        pass

    def set_input(self, idx, gate):
        pass

    def get_inputs(self):
        pass

get_output()

get_output() 函数应该计算并返回门的输出。

set_input(idx, gate)

set_input(idx, gate) 函数应该将给定输入门连接到门的 idx 个输入。

例如，如果有一个 2-输入的门，并且希望与这个门相连，则应该调用 set_input(0, in_gate) 和 set_input(1, in_gate)。

get_inputs()

get_inputs() 函数应该返回与门相连的输入门的列表。

输出格式

将上述接口实现完成的代码提交，以 markdown 格式返回。

class Gate:
    def get_output(self):
        pass

    def set_input(self, idx, gate):
        pass

    def get_inputs(self):
        pass

思路

本题需要实现门的嵌套数据结构。每个门的信息由以下属性组成：

• inputs: 一个列表，存储所有与该门相连的输入门。
• output: 门的输出。
• name: 门的名称。

我们可以通过继承 Gate 类来实现具体的门类型。例如，BinaryGate 可以实现两个输入端口的二进制门，UnaryGate 实现一个输入端口的二进制门。

当我们需要计算某个门的输出时，我们可以递归调用所有与之相连的输入门的 get_output() 函数，并在计算完毕后使用该门的逻辑计算公式计算门的输出。

代码实现

我们先实现一个 Gate 类，并继承 Gate 类实现具体的门类型。

class Gate:
    def __init__(self, name):
        self.output = None
        self.name = name
        self.inputs = []

    def get_output(self):
        pass

    def set_input(self, idx, gate):
        self.inputs[idx] = gate

    def get_inputs(self):
        return self.inputs

class BinaryGate(Gate):
    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)
        self.inputs = [None, None]

class AndGate(BinaryGate):
    def get_output(self):
        if self.output is not None:
            return self.output

        in0, in1 = self.get_inputs()

        if in0.get_output() == 1 and in1.get_output() == 1:
            self.output = 1
        else:
            self.output = 0

        return self.output

class OrGate(BinaryGate):
    def get_output(self):
        if self.output is not None:
            return self.output

        in0, in1 = self.get_inputs()

        if in0.get_output() == 1 or in1.get_output() == 1:
            self.output = 1
        else:
            self.output = 0

        return self.output

class UnaryGate(Gate):
    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)
        self.inputs = [None]

class NotGate(UnaryGate):
    def get_output(self):
        if self.output is not None:
            return self.output

        in0 = self.get_inputs()[0]

        if in0.get_output() == 0:
            self.output = 1
        else:
            self.output = 0

        return self.output

以上代码实现了 Gate 类和四种门类型：And、Or、Not 和它们的基类二进制门 BinaryGate 以及其基类 UnaryGate。

在计算门的输出时，我们递归调用了所有与之相连的输入门的 get_output() 函数，以便获取它们的输出。我们还使用了一个 output 变量来存储门的输出，以避免多次计算门的输出。

总结

本题要求实现一个门的数据结构，每种门对应一个嵌套的数据结构。当我们需要计算某个门的输出时，我们递归调用所有与之相连的输入门的 get_output() 函数，并在计算完毕后使用该门的逻辑计算公式计算门的输出。

该代码实现了 Gate 类和四种门类型：And、Or、Not 和它们的基类二进制门 BinaryGate 以及其基类 UnaryGate。