複数言語（JavaScript / Java / C / C++ / Python / MyHDL）によるNAND回路の実装とPythonでの比較シミュレーション

はじめに

このプログラムでは、NAND論理回路をJavaScript、Java、C、C++、Python、MyHDLの6言語で実装し、すべての入力組み合わせに対する出力と処理時間を比較します。言語ごとの特徴や速度の違いを可視化することが目的です。

実行Pythonコード

# 必要なモジュールのインポート (Import required modules)
!pip install myhdl
import subprocess  # 他言語コードのコンパイル・実行に使用 / Used for running external commands
import time        # 実行時間の計測 / Used to measure execution time
import os          # ファイル操作などに使用 / For file operations

# NANDゲートの全ての入力組み合わせ / All possible input combinations for a NAND gate
inputs = [(0, 0), (0, 1), (1, 0), (1, 1)]

# --- 各言語でNANDゲートを実装するコードを保存 --- #

# JavaScriptコードを書き出す / Write JavaScript code to a file
with open("nand.js", "w") as f:
    f.write('''const a = parseInt(process.argv[2]); const b = parseInt(process.argv[3]);
console.log(!(a && b) ? 1 : 0);''')

# Javaコードを書き出してコンパイル / Write Java code and compile it
with open("Nand.java", "w") as f:
    f.write('''public class Nand {
    public static void main(String[] args) {
        int a = Integer.parseInt(args[0]);
        int b = Integer.parseInt(args[1]);
        System.out.println((a == 1 && b == 1) ? 0 : 1);
    }
}''')
subprocess.run(["javac", "Nand.java"])  # Javaのコンパイル / Compile Java

# Cコードを書き出してコンパイル / Write and compile C code
with open("nand.c", "w") as f:
    f.write('''#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
    int a = atoi(argv[1]), b = atoi(argv[2]);
    printf("%d\\n", !(a && b));
    return 0;
}''')
subprocess.run(["gcc", "nand.c", "-o", "nand"])  # Cのコンパイル / Compile C

# C++コードを書き出してコンパイル / Write and compile C++ code
with open("nand.cpp", "w") as f:
    f.write('''#include <iostream>
#include <cstdlib>
int main(int argc, char* argv[]) {
    int a = std::atoi(argv[1]), b = std::atoi(argv[2]);
    std::cout << (!(a && b)) << std::endl;
    return 0;
}''')
subprocess.run(["g++", "nand.cpp", "-o", "nandpp"])  # C++のコンパイル / Compile C++

# --- 汎用テスト関数：各言語でNANDを実行 --- #
def test_lang(name, cmd_builder):
    """
    外部言語コードを使ってNANDの出力と実行時間を表示
    Run and evaluate NAND logic from various languages.
    """
    print(f"\n[{name}]")
    start = time.time()
    for a, b in inputs:
        cmd = cmd_builder(a, b)
        result = subprocess.run(cmd, capture_output=True, text=True)
        print(f"{a} NAND {b} => {result.stdout.strip()}")
    end = time.time()
    print(f"Execution Time: {end - start:.4f} sec")

# --- PythonによるNAND計算 --- #
def test_python():
    """
    PythonでNANDゲートを計算（シンプルな論理式） / Simulate NAND logic using pure Python.
    """
    print("\n[Python]")
    start = time.time()
    for a, b in inputs:
        result = 0 if a and b else 1
        print(f"{a} NAND {b} => {result}")
    end = time.time()
    print(f"Execution Time: {end - start:.4f} sec")

# --- MyHDL（HDL記述でのNANDシミュレーション） --- #
def test_myhdl():
    """
    MyHDLを使ってハードウェア記述でNANDゲートをシミュレーション
    Simulate a NAND gate using MyHDL (Python-based HDL).
    """
    print("\n[MyHDL]")
    from myhdl import block, Signal, always_comb, instance, delay, Simulation

    # NAND回路ブロックの定義 / Define the NAND gate logic
    @block
    def nand_gate(a, b, y):
        @always_comb
        def logic():
            y.next = not (a and b)  # NAND論理 / NAND logic
        return logic

    # テストベンチの定義 / Define the testbench
    @block
    def testbench():
        a = Signal(bool(0))
        b = Signal(bool(0))
        y = Signal(bool(0))
        nand = nand_gate(a, b, y)

        @instance
        def stimulus():
            print("A B | A NAND B")
            for av in (0, 1):
                for bv in (0, 1):
                    a.next = av
                    b.next = bv
                    yield delay(1)  # 時間遅延（1単位）/ Simulate 1 unit delay
                    print(f"{int(a)} {int(b)} |    {int(y)}")

        return nand, stimulus

    start = time.time()
    tb = testbench()
    tb.run_sim()  # シミュレーション実行 / Run the simulation
    end = time.time()
    print(f"Execution Time: {end - start:.4f} sec")

# --- 全言語でテスト実行 / Run all tests --- #
test_lang("JavaScript", lambda a, b: ["node", "nand.js", str(a), str(b)])
test_lang("Java", lambda a, b: ["java", "Nand", str(a), str(b)])
test_lang("C", lambda a, b: ["./nand", str(a), str(b)])
test_lang("C++", lambda a, b: ["./nandpp", str(a), str(b)])
test_python()
test_myhdl()

結果