门| GATE CS Mock 2018年|问题8

介绍

这是GATE CS Mock 2018年的第8个问题，考察的是编程中的逻辑思维和计算机体系结构知识。本题要求实现一个带缓存的门电路模拟器，支持多种类型的门包括NOT、AND、OR、XOR、NAND和NOR等，并考虑延迟和缓存命中率等问题。

思路

首先需要实现一个门抽象的类Gate，包括输入和输出端口，并提供一个抽象的Logic()方法计算门的输出。然后，对于每个门类型，继承Gate并实现Logic()方法即可。

为了支持延迟和缓存命中率，可以在Gate类中加入一个缓存机制。每当Logic()方法被调用时，首先检查当前门的输入值是否在缓存中已经存在，若存在则直接返回缓存中的输出值；否则，根据门的逻辑关系重新计算输出并返回，并将结果存入缓存中。

代码示例

以下是基本的Gate类的代码实现：

class Gate:
    def __init__(self, inputs):
        """
        :param inputs: 门的输入端口数，一个整数
        """
        self._inputs = inputs
        self._input_values = [False] * inputs
        self._output_value = None
        self._cache = {}

    def get_input(self, index):
        """
        获取指定索引的输入端口值
        """
        return self._input_values[index]

    def set_input(self, index, value):
        """
        设置指定索引的输入端口值
        """
        self._input_values[index] = bool(value)

    def get_output(self):
        """
        获取门的输出值
        """
        if self._output_value is None:
            key = tuple(self._input_values)
            if key in self._cache:
                self._output_value = self._cache[key]
            else:
                self._output_value = self.Logic()
                self._cache[key] = self._output_value
        return self._output_value

    def Logic(self):
        """
        抽象的逻辑计算方法，需要在子类中实现
        """
        raise NotImplementedError

以下是AND门的代码实现，其他门也类似：

class ANDGate(Gate):
    def __init__(self):
        super().__init__(2)

    def Logic(self):
        return self.get_input(0) and self.get_input(1)

总结

以上是一个简单的门电路模拟器实现，可以用于计算简单的逻辑电路，且考虑了缓存和延迟等问题。但对于复杂的电路和高速的计算，仍需要更高效的实现和优化。