Nand to Tetris

Why I want to learn it

一方面是因为自己不仅想学code还想真正接触计算机科学，学习CS的知识。另一方面是因为自己基础薄弱，觉得迟早要学，不如先开始。

我的学习路线还是按照Teach yourselfCS-CN 来学的。

What we will learn

这里用中文快速写一遍吧。我们知道操作系统是连接软件和硬件的中间的一层，学习内容可想而知，不仅会涉及到硬件的知识，同时也会涉及到软件的代码，这门Build a Modern from the first principle是来自希伯来大学（以色列）的两名教授Noam Nisan Shimon Schocken经过很长时间探索打造的一门课，目的是帮助大家更好地了解计算机组成。这课最终目标能让大家自己打造一个操作系统（语言是类似Java的Jack语言，呃），然后在你设计的操作系统上写Tetris(俄罗斯方块这个游戏)想想还是比较激动的，虽然我现在啥都不会啊。

课程分为两大部分，第一部分是硬件篇，从数学逻辑开始，慢慢的过渡到逻辑符号的一些硬件设计然后再设计晶体管，再慢慢上升到CPU,RAM之类的，最后到集成电路（Hack 电脑）。这部分时间大概是7周45h，每天学习2h左右吧。第二部分是软件，时间也是7周，这部分就先放一下，目标时是用高级语言设计虚拟机鸭~。

课程适合入门学习，教材阅读可以选择The Elements of Computing System

课程里的一些注意事项的补充：

Shimon在课程里将chip和gate理解成一个东西，都是执行逻辑功能的最小物理设备,以下为原书里的摘抄:

Today, most gates are implemented as transistors etched in silicon, packaged as chips. In this book we use the words chip and gate interchangeably, tending to use the term gates for simple chips

The content

Boolean Functions and Gate Logic

这部分的内容简单来说从数学逻辑（逻辑符号，逻辑表达式，逻辑表达式计算准则）出发然后引申到Logic Gate(Xor,Nand之类的，重点是Nand，它会和后面的知识串起来)再到硬件语言（HDL）再到设计。

一些必会的知识点：

三个简单逻辑的hardware diagram的表示方法

几个我当时犹豫思考后觉得有趣的地方：

逻辑表达式：

对于一张带有x,y参数和最后运算结果的Table，我们如何得到它的逻辑表达式呢？方法是通过NOT,AND,OR进行连接，凑value是1的表达式然后用OR进行连接。

值得注意的地方还有逻辑表达式的计算准则，除了类似小学学的交换、结合、分配律之外，还有一个mogan法则(De Morgon’s Law),不过也接触过,就是(x AND y) == NOT(NOT x OR (NOT y))。

这是我在阅读The Element of Computer System时有一个概念没有看懂叫做Canonical Representation中文翻译规范表达。摘了一段进行加强理解.

Thus the canonical representation of the Boolean function shown in figure 1.1 is f(x,y,z) =

这里的Canonical representation有点像是最简表达式的韵味了。

Gate Logic:

A gate is a physical device that implements a Boolean function.

The simplest gates of all are made from tiny switching devices, called transistors, wired in a certain topology designed to effect the overall gate functionality.

Gate里的逻辑一般用diagram来表示。

思考题：Xor(a,b)的canonical representation是如何表示的？它的diagram怎么画？

NAND:

可以用NOT + AND进行理解。x NAND y = NOT(x AND y)

任何的逻辑函数都可以用NAND进行一个表示，有两个好玩的证明。

NOT(x) = (x NAND x)
(x AND y) = NOT(x NAND y)

Hardware description languages(HDL):

HDL(hardware description language)其实就是设计硬件的语言。

常见的HDLs:

Hardware Simulation:

这里的Hardware Simulation的意思是硬件仿真，其实就是用软件去设计硬件啦，这里最基本的是设计最基本的chips。

下面的这张截图是对用Hardware Simulator仿真的一些内容。可以看出有几个部分内容是挺重要的丢，hdl语言部分，tst描述执行文件，.out文件,.cmp文件。

基本的概念得知道，现在的硬件设计者不需要再用手去设计硬件产品如芯片啦，设计过程自动化，他们是system architecht,写HDL项目用电脑软件Hardware simulator进行反复的仿真测试chip的正确性(可能会有几个月甚至更久哦_{)。那他们干嘛呢？计算速度，能量消耗，成本等是他们去注意的呦}。

Mux & DMux:

Mux是一种Multiplexor，这里的意思是有多个输入，同时sel对输入会有影响。

Chip name: Mux Inputs: a, b, sel Outputs: out Function: If sel=0 then out=a else out=b.

Chip name: DMux Inputs: in, sel Outputs: a, b Function: If sel=0 then {a=in, b=0} else {a=0, b=in}.

DMux可以理解为对Mux的一种解码或者解密，具体看书会更清楚。

15 particular gates:

下面的这张图是15个最长使用的gates，也是作业里要做的内容，注意，作业里的HDL语言是经过简化过的，比起现在商业化用的VHDL等，简单很多。

做这个作业最大的收获还是感受一下逻辑设计的过程，思考方式，当然可能会与实际有所不同。

一些做作业的时候需要注意的地方。

做作业过程中收获的地方:

总的来讲，有点层层递进的感觉，利用Nand可以构成一切的特性，首先写And,Not,Or，然后再慢慢利用构建的这些简单逻辑去构建多位的，多路的，Mux,DMux等。

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