Присоединюсь к хору советчиков =)

1) Память списком это роскошно. Лучше представить ее байтовым массивом.
2) Ассоциативная таблица, в которой ключ - байт и каждому ключу чего-то соответствует, это просто массив. Можно оставить таблицу для инициализации, потому что так ее проще читать, но для исполнения лучше перенести все хандлеры инструкций в простой линейный список.
3) Счетчик тактов лучше сразу делать как m-state/t-state (например, [5,3,3]). Это пригодится для эмуляторов, где надо считать такты с учетом вейтов, хода луча итд.
4) Я бы конечно сделал процессор классом. Сейчас и так у тебя все пронизано globals. А с классом это будут члены класса и ты будешь на них ссылаться как self.flag_c итд.