Nand2Tetris-Part2

简介：Coursera网课笔记，已经在Part1用硬件造出了电脑，准备实现OS、VM、编译器、高级编程语言。
课程地址：https://www.coursera.org/learn/nand2tetris2
作业仓库：https://github.com/ig505gi/Nand2Tetris-homework

Week1 Overview和VM part1

0. Overview

软件层面，我们如何从高级编程语言一步步转化为机器语言

本周的内容主要是VM的实现part1

0.1 VM Overview

VM中应该有四种命令：算术/逻辑、内存访问、分支、函数

本周为part1，作为project7，只会涉及算术/逻辑、内存访问；而分支和函数则在week2作为part2，在project8中实现。

1. Stack & Memory Segment concept

1.1 Stack

在VM中，重要的对象stack，stack除了我们所熟知的push和pop方法，还有一些可以简化操作的方法

• add: 将栈顶的两个值相加，并放回栈顶
• neg: 对栈顶的值求负，并放回栈顶
• eq: 比较栈顶的两个值，将是否相等的布尔值放回栈顶
• or: 对栈顶的两个值进行逻辑or的操作，并放回栈顶

以此类推。。（图中eq应该是x==y）

1.2 Memory Segment

在内存中存放的值，会分不同的片段，push和pop主要是在stack和segment之间来回通信的操作。

一共有8种Segment：local, argument, static, constant, this, that, pointer, temp

2. VM Implement

2.1 指针：如何从VM code到Machine code

Memory Segment和stack的push和pop方法，都属于抽象的概念。如何转化为我们的机器语言和RAM交互逻辑？
要借助指针的概念：

2.2 stack Implement

抽象的stack machine：从push到指针再到Hack语言

• 注意：stack的指针SP，一直指向栈顶。

2.3 local/argument/this/that Segment Implement

这四个segment的作用和分工：

• 方法的本地变量或入参放在local和argument中
• 方法可访问到的对象和数组放在this或that中；
• 注意，与stack不同:local/argument/this/that的指针, 一直指向base。

图中的pop local 2用hack assembly实现：

// 必须借助其他内存空间才能完成
@2 // Addr = LCL + 2
D=A
@LCL
D=M+D
@R13
M=D
@SP // SP--, D=*SP
AM=M-1
D=M
@R13 // *Addr = D
A=M
M=D

push local 5实现：

@5 // addr = LCL + 5
D=A
@LCL
A=M+D
D=M
@SP // *SP = *addr
A=M
M=D
@SP // SP++
M=M+1

argument/this/that和local的实现是一致的

2.4 constant Segment Implement

constant没有pop操作，也在内存里没有对应的地址
push constant i 转化为 *SP = i, SP++

2.5 static Segment Implement

• static因为要保证去全局唯一，比较复杂，加上文件前缀；16~256
• 文件名+.+数字 确定一个唯一的Label

2.6 temp Segment Implement

• 当编译高级语言的时候，可能会需要一些变量暂时存储，我们的VM只提供8个暂时变量 5~12，实现上几乎和local等是一样的。
• 不同点是LCL是指针，@LCL是指针操作，要拿出存在LCL位置的值在加上index；而temp是@5（5是temp的base），然后5+index。

2.7 pointer Segment Implement

• 注意：跟其他的不同点，该操作的是this或that指针，而其他操作的都是指针指向地址的值
• pointer为什么需要：之后写编译器的时候才会解释
  
  pointer的值只有0或1，当0的时候就是访问this，当1的时候，访问that
  

2.8 Hack平台的约定/标准

这些segment在哪里，在Hack平台都是约定好的

用约定好的标识符

3 VM translator

可以用python或者java等语言去写，主要架构如下：

其中parser的主要API：


codeWriter的主要API：

4. project7

code now!

Week2 VM part2

0. overview

涉及算术/逻辑、内存访问已经在week1学习。接下来要学习的有以下知识：

• Branching
• Functions
• Function call-and-return
• Dynamic memory management
• Stack processing
• Pointers

然后就完成了VM的实现。

1. branching

branching和assembly中的branch几乎一样。

2. functions(重点)

2.1 overview/abstraction

function：在其他地方也有叫method，一个意思。
一个函数从高阶语言编译成vm伪代码，再到vm代码

2.2 caller and callee

左侧的main函数是caller，右侧mult函数是callee，在每个函数内，他们视角中的stack和内存segment是不同的。

抽象的说一个call命令，应该做什么；一个return命令，应该做什么

在一个函数内，也是通过stack和memory segement之间的push/pop操作来进行计算的，那么，当caller调用了callee的时候，caller的状态必须保存下来，运行完callee后，恢复caller的状态，接着运行caller。

2.3 implement

caller的视角

callee的视角

vm代码

2.3.1 handling call

2.3.2 handling function

2.3.3 handling return

3. hack平台

hack平台的编译和翻译概览

Hack平台的约定

• 需要有个Main.vm文件；其中一个函数叫main
• 电脑开启 运行Sys.init
• Sys.init会call Main.main，然后进入无限循环
• 约定最开始的两条机器语言指令是：

  // 这两行应该卸载hack ROM中，最开始的两行
  sp=256
  Call Sys.init

目前为止，VM中的特殊字符一共有如下这么多：

4.具体代码实现

还是三个模块Main、Parser和CodeWriter。其中CodeWriter需要增加一些方法，Parser需要补充一些逻辑。

project8: code now!

5.问答

因为java先转VM再转机器语言(two tier compiler)，
而C++直接转机器语言，因此快（但微软也开发了C++的two tier compiler）
java转化为机器语言1000行，C++只需要300行，差不多效率是3倍

**Week3 **

【待整理】
Main.main程序入口
2
面向对象
3
链表
4
语法
5
数据类型

6
class
OS的目的
OS API 8个

7
method fucntion constructor的区别
变量类型
expression和subroutine
JACK语言的特殊点

8
jack app demo

**Week4 **