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Build a Modern Computer from First Principles: From Nand to Tetris

Build a Modern Computer from First Principles: From Nand to Tetris(nand2tetris)

前言

2021年5月，我顺利从原东家跳槽到新公司。正值新冠疫情时期，从入职的第二天开始，我就开启了work at home模式。因此，节省下来的通勤时间，可以用于进行课外的学习充电。7月，在完成了前一个算法方面的课程之后，我思考着接下来要进行的项目。

我意识到，一直以来自己对计算机系统的整体框架不甚了解。尤其是硬件的部分，知识储备一直停留在大学课本的理论上，所以我找来这门从与非门开始构建计算机，并且最后实现软件运行的课程。通过学习和实战，我发现这是一个很有学习价值的项目，于是希望能将自己的理解和心得分享给其他小伙伴。

本项目始于2021年8月。截至写下前言的时候，我已经基本完成该项目的前半部分，即硬件的构建部分。于是，10月开始着手向github迁移的工作。由于需要撰写每一章节的内容说明和题解，需要花费大致3周时间。
另外，后面的软件部分，我将在完成手头另一个算法课程后继续更新，预计在12月下旬开始。

欢迎各位一起学习，多多指教。

简介

I. 硬件部分(摘自Coursera官方课程I)

In this project-centered course you will build a modern computer system, from the ground up. We’ll divide this fascinating journey into six hands-on projects that will take you from constructing elementary logic gates all the way through creating a fully functioning general purpose computer. In the process, you will learn - in the most direct and constructive way - how computers work, and how they are designed.

II. 软件部分(摘自Coursera官方课程II)

In this project-centered course you will build a modern software hierarchy, designed to enable the translation and execution of object-based, high-level languages on a bare-bone computer hardware platform. In particular, you will implement a virtual machine and a compiler for a simple, Java-like programming language, and you will develop a basic operating system that closes gaps between the high-level language and the underlying hardware platform. In the process, you will gain a deep, hands-on understanding of numerous topics in applied computer science, e.g. stack processing, parsing, code generation, and classical algorithms and data structures for memory management, vector graphics, input-output handling, and various other topics that lie at the very core of every modern computer system.

简而言之，该项目面对掌握任意一门编程语言的小伙伴。

通过这个项目，可以获得以下技能：

• 大致熟悉计算机自相而上的整体框架
• 在硬件模拟器上构建一台计算机，并运行软件

书籍

• 中文版(已绝版): Noam Nisan, Shimon Schocken.计算机系统要素：从零开始构建现代计算机[M].电子工业出版社, 2007.
• 日本語版: Noam Nisan, Shimon Schocken.コンピュータシステムの理論と実装 ―モダンなコンピュータの作り方[M].オライリージャパン, 2015.
• English Edition: Noam Nisan, Shimon Schocken.The Elements of Computing Systems, second edition: Building a Modern Computer from First Principles[M].The MIT Press, 2021.

其他参考资料

• Coursera课程: 第I部分 第II部分
• 官方网站
• 开发套件下载及使用说明

项目大纲

本项目依据Coursera上的官方课程，将项目分为2部分。

• 1. Build a Modern Computer from First Principles: From Nand to Tetris
• 2. Build a Modern Computer from First Principles: Nand to Tetris Part II

全项目共计13章。其中：
Part1为6章，着重于硬件层的构建，并且在最后一单元会涉及软件层的汇编编译器构建。
Part2分为7章，着重于软件层的构建。

各章内容如下。

1.布尔逻辑: 各类基础逻辑门，基于nand门实现。

• 与非门[Nand]
• 非门[Not], 16位非门[Not16]
• 与门[And], 16位与门[And16]
• 或门[Or], 16位或门[Or16], 8通道或门[Or8Way]
• 异或门[Xor]
• 复用器[Mux], 16位复用器[Mux16], 4通道16位复用器[Mux4Way16], 8通道16位复用器[Mux8Way16]
• 解复用器[DMux], 4通道解复用器[DMux4Way], 8通道解复用器[DMux8Way]

2.布尔运算: 布尔运算的基础知识，实现了加法器和运算逻辑单元(ALU)。

• 16位二进制加法[Add16]
• 半加器[HalfAdder]
• 全加器[FullAdder]
• 增量器[inc16]
• 运算逻辑单元[ALU]

常见问题

1. macOS下, 使用开发套件中的'.sh'文件打开'.bat'文件时，无权限错误

• 错误信息:

zsh: permission denied: /nand2tetris/tools/xxx.sh

• 解决方法:
  该问题是因为'.sh'文件权限不够导致，可在终端中输入以下命令进行解决。

chmod u+x /nand2tetris/tools/xxx.sh

License

MIT