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2016年7月21日 星期四

NAND2Tetris Part1

五月的時候看到coursera 上了傳說中鼎鼎大名的課程:Nand2Teris,就給它選修下去了。結果後來遇到七月考N1,課程大停擺(yay,最近才慢慢一週週的把課程聽完。
課程網址:
https://www.coursera.org/learn/build-a-computer
剛發現 7/18-9/4 有再開一次課程,有興趣的大夥進攻囉~~


Week 1: 邏輯閘

介紹Nand是什麼,如何用Nand做出其他邏輯閘,以及課程在Hardware 模擬用的工具和HDL。

作業要用課程提供的Hardware Simulator,從Nand堆出其他的邏輯閘。

這裡說難真的不難,線畫一畫,填個電路就完成了;大部分都是麻煩而已,像是16 路的Or gate,又沒有像verilog 的for loop 或bus 可以用,填接線的數字就飽了(雖然用vim 的block select 可以省一點工夫)

對應課程:交換電路與邏輯設計。


Week 2: ALU

概念講解:用位元表示數字、負數,如何做二進位加法

這個作業要用上星期作業完成的邏輯閘寫一顆ALU出來,ALU的功能規格是固定的。
比較煩人的是,它裡面的使用的HDL 跟平常習慣的Verilog 有點差異,導致在寫作業的時候,它一直報錯
像是它對Bus signal 取值不能在input ,而是在output;同個output 訊號也不能多次使用,這兩個跟verilog 不同。
例如某個mux output 的MSB (15)為sign bit,我們需要輸出sign bit;同時要產生zr 訊號,表示output 是否全為零,在verilog 裡會是類似這樣:
Mux16(out=out, a=result, b=notResult, sel=no);
Or16Way(out=nez, in=out);
Not(out=zr, in=nez);
And(out=ng, a=out[15], b=true);

答案是不行,因為out這個訊號已經當成輸出,不能再接給Or16Way,同時不能在input 的時候對out 訊號這個bus 取它15 的值
正確的寫法會是這樣:
Mux16(out=out, out=out2, out[15]=sign, a=result, b=notResult, sel=no);
Or16Way(out=nez, in=out2);
Not(out=zr, in=nez);
And(out=ng, a=sign, b=true);
知道這個差別,作業同樣不算太難。

對應課程:交換電路與邏輯設計。


Week 3: Sequential logic

介紹Latch 和Flip-flop 兩個sequential 電路,如此一來我們可以用記錄下來的狀態做什麼?最後的perspective 中有介紹如何用Nand 來實作Latch,D Flip-flop 課程中假定為黑盒子。

作業的電路模擬器中內建DFF 和DRegister ,要實作Program Counter, Memory 等電路元件。

RAM 的架構基本上都一樣,寫好最底層的RAM8之後,一路上去的RAM 64, 512, 4K, 16K 都只是複製貼上而已,只是它的Hardward Simulator 怪怪的,有時候會摸擬到 \Explosion/,建議在跑script 的時候可以用慢一點跑.;把veiw/animation選為No Animation也或多或少能防止它爆掉。

Sub bus 用double dot .. 而非Verilog 裡的 comma,同時接線時是接在被assign 那端,例如要把15 pins的wire 接到元件16 pins 的input上。
Element(input[0..14] = wire, input[15] = xxx);

對應課程:交換電路與邏輯設計。


Week 4: 組合語言

上周已經把該有的硬體:ALU,PC,RAM都寫完了,這周離開硬體,開始介紹Machine Language 及組合語言(Hack Assemble),組合語言要如何對應到機器碼,記憶體如何取存用,利用最基本的memory map 對應到screen, keyboard 的操作方式。

這周作業可能比較讓人崩潰,畢竟
Unlike other language like Java, machine language is not designed to make people happy.
不過我還是覺得滿輕鬆的啦XDDD

這周跳脫出來先寫組合語言,下周才會把所有的硬體組起來,寫組合語言等於是知道,機器如何去實習這些功能。

對應課程:計算機結構。


Week 5: 建構一台電腦

介紹電腦整體架構,有這上一週的基礎,我們大致知道電腦會有哪些功能,這周就是要把能夠執行這樣功能的電腦給作出來。
一些基礎元件:Memory, PC, ALU 第三周都已經實現了,這周只是要把它們放起來,寫出自己的CPU跟電腦。

要注意的,電路中包含以下的元件:Memory 的Screen 跟Keyboard取用螢幕跟鍵盤、存程式碼的ROM32K 、以及CPU 裡的DRegister 和ARegister,這些可以在builtInChips裡面找到;要用這些不然硬體模擬器無法抓到這些元件的值。
如果思考一下,就會發現課程都設計好了,控制訊號就是instruction 逐一填入即可,非常輕鬆;想比較多的反而是何是要讓PC jump,但基本上線接一接,Mux 輸入的訊號調整一下就會動了。

對應課程:計算機結構。


Week 6: 組譯器

Part 1 最後一周,介紹組譯器

作業就是寫自幹CPU 的組譯器,什麼語言都可以;為了non-programmer ,課程也設計了手寫作業:人工assembler 給…呃…有毅力的挑戰者。
這部分我使用Rust 來開發,不然我Rust 都快忘光了,被在台灣謀智隻手撐起servo project 半邊天的Rust 台柱呂行大神(又是個好長的稱號XD)屌打,都快無地自容了。
最後當然是寫出來了,可惜只是作業程度,格式錯掉一點點加個空白就會直接噴射,離工業強度大概還差30 dB,超級容易壞掉,叫它草莓組譯器或者玻璃心組譯器(X,這裡也就不拿出來獻醜了。

對應課程:計算機結構,編譯器。


TL;DR

整體來說的話,因為我本身就是電機背景,硬體跟程式都略懂皮毛,寫作業輕鬆愉快,聽課也像在複習忘掉的東西XD
如果沒有相關背景的話也許會困難一點,但修完的那刻,真能領略電腦這複雜又簡明的發明。
能這樣從Nand 往上一路打造出電腦也是很有趣。整體作業非常精巧,沒有多餘的浪費,week 1打造的邏輯閘,在week 2 ALU 、week 3 PC、week 5 CPU 都會用到,不需要特別打造自訂的邏輯閘,一步步照著說明也能自幹一台電腦出來,可以想見規劃這門課程的時候,是真的經過千錘百鍊的設計。

修完這門課,以後看到電腦,儘管它做了那麼多事,接了除了課程沒提到的各種周邊,我們還是可以說:「假的!不過只是相關概念延伸罷了,嚇不倒我滴」

啊不過寫到這就覺得我只不過在小打小鬧,真強者我同學都是跳下去改變世界,哪像我還在這裡聽課程QQQQ
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