nand2tetris

计算机系统要素-从零开始构建现代计算机项目

建议和<<深入理解计算机系统>>这本一起看, 一本自下而上讲述计算机,另一本自上而下讲述计算机.都是非常经典的书籍.

关键术语中英文对照表

英文术语	翻译
allocation	内存分配
assembly	汇编
class	类
class type	"类"类型
compiler	编译器
constant	常量
constructor	构造函数
de-allocation	内存去配
dispose	清除
field	域;字段
identifier	标识符
invoke	唤起(执行)
object-oriented	面向对象
object-base	面向基类
object instance	对象实例
parse/parsing	(语法)分析
parser	(语法)分析器
parser talbe	(语法)分析表
parser tree	(语法)分析树
pointer	指针
procedure	过程
procedural	过程化
reference	引用
subroutine	子程序
symbol	符号
syntax	语法
syntax tree	语法树
syntax analysis	语法分析
syntax analyzer	语法分析器
token	字元
tokenize	字元化
tokenizer	字元转化器
type conversion	类型转换
variable	变量

本书涵盖的主题

硬件: 逻辑门;布尔运算;multiplexor(多路复用器);触发器(flip-flop);寄存器(register);RAM 单元;计数器;硬件描述语言(HDL,Hardware Description Language);芯片的仿真及测试.
体系架构: ALU/CPU 的设计与实现;机器代码;汇编语言程序设计;取址模式;I/O 内存印象.
操作系统: 内存管理;数学计算程序库;基本 I/O 驱动程序;屏幕管理;文件 I/O;对高级语言的支持
程序设计语言: 基于对象(object-base)的设计和编程模式;抽象数据类型;作用域;语法和语义;引用(reference)机制.
编译器: 词法分析: 自顶向下的语法分析;符号表(symbol table); 基于堆栈(stack-based)的虚拟机;代码生成: 数组和对象的实现.
数据结构和算法: 堆栈;哈希表;链表;递归;算术算法;几何算法;运行效率.
软件工程: 模块化设计;接口/实现范式;API 设计和文档;自动式测试;广义的程序概念设计;质量保证体系.

计算机构造层

典型的软件阶层体系
- 高层语言
- 操作系统
- 编译器
- 虚拟机
- 汇编编译器
- 机器语言
典型的硬件阶层体系
- 机器语言
- 计算机体系结构
- ALU | 记忆(储存)元素
- 布尔算数 | 时序逻辑
- 布尔逻辑

ALU 逻辑计算单元

CHIP ALU {
    IN
        x[16], y[16],  // 16-bit inputs
        zx, // zero the x input?
        nx, // negate the x input?
        zy, // zero the y input?
        ny, // negate the y input?
        f,  // compute out = x + y (if 1) or x & y (if 0)
        no; // negate the out output?

    OUT
        out[16], // 16-bit output
        zr, // 1 if (out == 0), 0 otherwise
        ng; // 1 if (out < 0),  0 otherwise

    PARTS:
    Mux16(a=x, b=false, sel=zx, out=xx);
    Mux16(a=y, b=false, sel=zy, out=yy);

    Not16(in=xx, out=xxx);
    Mux16(a=xx, b=xxx, sel=nx, out=xxxx);
    Not16(in=yy, out=yyy);
    Mux16(a=yy, b=yyy, sel=ny, out=yyyy);

    Add16(a=xxxx, b=yyyy, out=xplusy);
    And16(a=xxxx, b=yyyy, out=xandy);
    Mux16(a=xandy, b=xplusy, sel=f, out=oo);

    Not16(in=oo, out=notoo);
    Mux16(a=oo, b=notoo, sel=no, out[15]=ng, out[0..7]=part1, out[8..15]=part2, out=out);

    Not(in=notzero, out=zr);
    Or(a=or1, b=or2, out=notzero);
    Or8Way(in=part1, out=or1);
    Or8Way(in=part2, out=or2);
}

冯诺依曼结构体系

非常建议先读一下冯诺依曼结构体系论述,这毕竟是整个计算机结构的基石啊

美籍匈牙利数学家冯·诺伊曼于 1946 年提出存储程序原理，把程序本身当作数据来对待，程序和该程序处理的数据用同样的方式储存。冯·诺伊曼体系结构冯·诺伊曼理论的要点是：计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行。人们把冯·诺伊曼的这个理论称为冯·诺伊曼体系结构。

PC 程序计数器自增指向下一个地址,把程序当做二进制数据来对待.

从 EDVAC 到当前最先进的计算机都采用的是冯·诺伊曼体系结构。所以冯·诺伊曼是当之无愧的数字计算机之父。

体系结构编辑

采用存储程序方式，指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中，数据和程序在内存中是没有区别的,它们都是内存中的数据,当 EIP 指针指向哪 CPU 就加载那段内存中的数据,如果是不正确的指令格式,CPU 就会发生错误中断. 在现在 CPU 的保护模式中,每个内存段都有其描述符,这个描述符记录着这个内存段的访问权限(可读,可写,可执行).这就变相的指定了哪些内存中存储的是指令哪些是数据）, 指令和数据都可以送到运算器进行运算，即由指令组成的程序是可以修改的。
存储器是按地址访问的线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的。
指令由操作码和地址组成。操作码指明本指令的操作类型,地址码指明操作数和地址。操作数本身无数据类型的标志，它的数据类型由操作码确定。
通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作。指令在存储器中按其执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址。指令计数器只有一个，一般按顺序递增，但执行顺序可按运算结果或当时的外界条件而改变。
以运算器为中心，I/O 设备与存储器间的数据传送都要经过运算器。
数据以二进制表示。

Reference

冯·诺依曼体系结构-百度百科

plh97/CS-Nand2Tetris