Nand2Tetris Part1

简介：Coursera网课笔记，从一个门电路开始，搭建一台电脑。
课程地址：https://www.coursera.org/learn/build-a-computer
作业仓库：https://github.com/ig505gi/Nand2Tetris-homework

Week1 布尔运算和逻辑门

1.1 运算法则

1.2 NAND

任何一个布尔函数都可以用只含有AND和NOT操作符的表达式来表示；而NAND是NOT和AND的结合，因此：
任何一个布尔函数都可以用只含有NAND操作符的表达式来表示

1.3 XOR

ps: HDL: Hardware Design Language

1.4 Multiplexor和Demultiplexor

HDL中的subBuses：

Multiplexor非常有用，可以从多条数据中选出其中的一条

Demultiplexor可以从一条数据中按照规律解析成多条数据

Week2 加法和算术逻辑单元ALU

2.1 半加器和加法器

半加器真值表：

全加器真值表和接口

2.2 负数和补位

从左起第一位为0的为正数，为1的为负数，x+(-x)=0，如果不考虑进了一位，也就是2^n

2.3 ALU

CPU里的核心计算单元，该项目里设计的比较简单

Week3 内存

3.1 Sequential Logic & DFF

序列逻辑可以在一个位置存放所有的信息(这句怎么理解？)

DFF: Data Filp Flop
特点：1.自己需要保存一个状态，2.该状态取决于上一个时间unit的输入

3.2 Register寄存器

1-Bit Register

内部用一个DFF和一个Mux可以实现。

16个1-Bit Register组合在一起成为一个16位寄存器

3.3 RAM

Register堆在一起组成RAM，图中的小三角代表是一个Sequential chip

读：设置address为i就好
写：设置address为i，in为v，load为1

RAM16K

我们的电脑内存是16K的，如何用HDL来写？
首先实现RAM8.png，tips:

8个16bit-Register组成RAM8,8个RAM8组成RAM64。。。。。

3.4 Counter

计数器，内部用DFF实现，每过一个时间单位，能自动加一

Week4 机器语言

4.1 Machine Language Overview

一门机器语言应该有哪些成分？操作符，逻辑运算，流程控制，寻址功能，IO。

• 如果硬件复杂，可以实现乘除法，机器语言可以包含乘除法，如果硬件简单，可以只有加法；
• 同样，如果硬件复杂，可以设计负数，浮点型数据类型。如果硬件简单，只有正数

ps: 这里强调tradeoff，一些功能到底设计在硬件层面还是软件层面，由设计者决定。

4.2 Hack Computer

Hack电脑认识的机器语言叫Hack语言，由两位教授设计的。

硬件

软件

控制和寄存器

• ROM中加载了Hack语言
• reset按钮一按，程序开始执行

三个寄存器用来实现Hack语言：A M D，目前先不用管CPU里如何设计，第五章会讲

4.3 Hack Language

汇编语言时人能看懂的语言，转化成二进制才是机器认识的机器语言
Hack语言含有A命令和C命令

A命令

C命令

4.3 IO

屏幕

RAM中有一块专门管屏幕的内存screen memory map，hack电脑用512X256像素的黑白屏

键盘

RAM中有一个16bit-Register管键盘

4.4 Hack program

如果程序不终止，有人在ROM后面写入了恶意命令，就会被执行。
如何终止程序：写一个无限循环即可

1
2
3

// line 6
@6
0;JMP

内置标识符

为了方便编程，内置了一些标识符

分支

使语言更具有可读性，一般为大写字母

变量

也是更具有可读性，不用在其他地方声明，一般为小写字母，而分支需要在其他地方声明

迭代

用以上功能实现迭代的功能

指针

A寄存器实际上就是一个指针的功能

Week5 电脑架构

5.1 整体架构图

5.2 CPU内部具体实现

非常优雅，值得细品

Week6 汇编器Assembler

用汇编器将汇编语言变成机器语言，可以用高等语言去写，前提是有其他电脑被造出来了。
如果没有电脑，只能手工去费时费力的去转化。

汇编器的架构：