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。
下面是課程基本資訊：

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);

課程的 HDL 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 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，有時候會模擬到 \Explosion/，建議在跑script 的時候可以用慢一點跑.；把 view/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