门| GATE-IT-2004 |第 31 题介绍

这道题目是GATE-IT-2004的一道考题，出现于计算机科学的信息技术方向。题目要求实现一个电子电路门电路的模拟器，支持不同的类型的门电路。

题目描述

本题目要求实现一个门电路模拟器，需要支持以下类型的门电路：

• AND 门电路
• OR 门电路
• NOT 门电路
• XOR 门电路

要求用户能够通过输入指令，构造特定的电路，并能够对电路进行操作。

支持以下指令：

• INPUT n v: 将输入电压为 v 的信号输入到第 n 个输入端口上。
• CONNECT i j: 将第 i 个输出端口和第 j 个输入端口连接起来。
• RUN: 运行电路，输出电路的最终输出值。

程序实现

本题可以通过面向对象的编程方式实现。首先定义四个门类，分别对应四种类型的门电路。

class AndGate:
    def __init__(self):
        self.inputSignals = [0, 0]
    
    def setInputSignal(self, index, signal):
        self.inputSignals[index] = signal
    
    def getOutputSignal(self):
        return self.inputSignals[0] and self.inputSignals[1]

class OrGate:
    def __init__(self):
        self.inputSignals = [0, 0]
    
    def setInputSignal(self, index, signal):
        self.inputSignals[index] = signal
    
    def getOutputSignal(self):
        return self.inputSignals[0] or self.inputSignals[1]

class NotGate:
    def __init__(self):
        self.inputSignals = [0]
    
    def setInputSignal(self, index, signal):
        self.inputSignals[index] = signal
    
    def getOutputSignal(self):
        return not self.inputSignals[0]

class XorGate:
    def __init__(self):
        self.inputSignals = [0, 0]
    
    def setInputSignal(self, index, signal):
        self.inputSignals[index] = signal
    
    def getOutputSignal(self):
        return self.inputSignals[0] ^ self.inputSignals[1]

对于输入和输出的端口，可以使用一个类来处理。这个类包含了所有的输入端口和输出端口。

class Port:
    def __init__(self, numInputs):
        self.inputs = [0] * numInputs
        self.output = None
    
    def setOutputSignal(self, signal):
        self.output = signal
    
    def connectInputPort(self, index, inputPort):
        inputPort.setOutputSignal(self.inputs[index])

最后，将每个门电路看做一个节点，管理所有的门电路的类称为电路管理器。电路管理器需要提供门电路的添加和连接功能。

class CircuitController:
    def __init__(self):
        self.inputs = []
        self.gates = []
    
    def addInput(self, port):
        self.inputs.append(port)
    
    def addGate(self, gate):
        self.gates.append(gate)
    
    def connect(self, sourceGateIndex, sourcePortIndex, targetGateIndex, targetPortIndex):
        source = self.gates[sourceGateIndex]
        target = self.gates[targetGateIndex]
        inputPort = target.inputs[targetPortIndex]
        sourcePort = source.output
        sourcePort.connectInputPort(sourcePortIndex, inputPort)
    
    def run(self):
        for idx, port in enumerate(self.inputs):
            port.setOutputSignal(inputSignals[idx])
        return self.gates[-1].getOutputSignal()

完整代码可以参考下方的Github链接。

总结

这是一道比较实际的题目，要求学生掌握电路门电路的实现方法，以及面向对象编程的基本思路。本题的代码实现可以作为一个扩展的代码实现项目，例如增加门电路的类型，增加门电路的数量等等。