Nand2tetris Part1 lab04-lab06

概述
在前三个 lab 中，我们构建了 hack 计算机所需要的基础的芯片。后三个 lab 则是教我们如何使用这些芯片去搭建一个 hack 计算机并且使用汇编语言。
Week04 & Week05
把这两个 lab 放在一起是因为他们给我的感觉更像是知识的互补。 lab05 教会你汇编语言的规范是什么， lab06 则是如何搭建 CPU, 最后变成一个 hack 计算机，在这其中你会知道为什么汇编语言的规范是这样子的。
关于汇编语言

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寄存器
要知道汇编语言的逻辑，首先应该从 CPU 本身来看（当然，你现在不需要钻研，因为是下一讲的内容）。容易发现，我们现在有 A register ，D register , 还有一个 inM（M register）。他们的作用分别是：

• A register : 储存地址，使用 @address 召唤
• D register: 作为一个 temp 使用
• M register: 存放的是 A register 这个地址对应的 RAM 值
  注意，在 hack 计算机架构中，RAM 用来存放值， ROM 用来存放指令（你可以在他给的 CPUEmulator 里面看见）
  有了这三个寄存器，我们可以实现几乎所有功能。
  首先回忆你构建的一个不起眼的芯片 PC。就是那个实现了自增/换值的寄存器。他在我们 CPU 架构的最低下。他实现了一个有趣的功能：掌控当前用到第几个 ROM 里面的指令了。也就是说，我们既可以逐步 +1 的读指令，也可以跳转。这就是 jump 的实现（也就是你诸如 循环等东西实现的法则）。
  指令
  在 hack 架构中，我们仅仅只有两种指令：
• A instruction: 使用 @address 使用，作用就是把 A reg 的值变成你刚刚 @ 了的地址。
• C instruction: 使用 dest=comp;jump 来实现。 其中，dest 是你的要赋值的对象，comp 是你的ALU 计算式子，jump 是你的跳转规则。这三个的详细要求可以看下面的图或者自行查阅。
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值得一提的是你的 aa 那里是有顺序要求的（当你写到 lab06 就知道这个要求的好了）
这些就是组成汇编的核心部分，除此之外，我们还有变量（小写）和标签（大写）的说法
标签：
想象一下你想在你的汇编程序中频繁的使用各种 jump(这很常见)，但你的指令读进 ROM 的时候并不是从 0 开始的，这时候，你的跳转（如果直接写地址的话），就很小丑了。所以我们引入了标签这个概念，让代码同时具有通用性和可读性。
使用方法很简单，通过 (LABEL) 来声明，以后直接 @LABEL 就可以正常使用了。（本质上就是一个 map）
变量:
同样的，我们也给 RAM 提供一些辅助，也就是变量。使用的时候直接 @variable 就可以了，如果这个变量还没用过，就会自己去 RAM 里面声明一个空间(通常是按照顺序的)。
顺便一提的是，为了方便使用，这里已经有被定义的值了：
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我们可以看几个简单的例子
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同样要注意的是，汇编程序没有一般意义上的终止，他只会遵循 PC 的值一直走下去，所以你如果不在末尾做出一些处理的话，容易刹不住车跑到其他 ROM 区域去。解决方法也很简单，你可以在末尾加个死循环：
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这样它就会一直停在这里了。
IO
最后是键盘和显示的事情。
关于键盘，在 hack 架构中，RAM 23576（已经有一个变量叫做 KBD 指向它了），改变它的值就意味着模拟输入。
关于显示器，我们的模拟器是一个 256*512 的黑白屏幕（注意你的值的位数），它内存的起始点是 16384（又叫 SCREEN），单个位的值为1是黑色，为0是白色。

Lab04
这里一共有两个任务
Mult.asm: RAM[2] = RAM[0]*RAM[1]
Fill.asm: 当键盘有输入的时候，把整个屏幕变为黑色，否则白色。
详细的请自行阅读程序中的要求。

当你成功写好上面两个程序以后，你应该对 hack 下的汇编有一定的了解，所以接下来让我们看看它的原理。
首先，下面是我们整个计算机的构造：
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里面很多东西你应该都是知道的，其中，ROM 是我们给你的（它就像 RAM 一样，只不过是 ReadOnly ），它为 CPU 提供 指令。CPU 接受 指令， reset 信号 和 inM(也就是 M register)，然后输出图上结果给 RAM，其中， writeM 用来判断是否需要更改 M ,(毕竟 A,D Register 都在CPU里面)。
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首先，我们要了解输入的 instruction 是什么。按照你写汇编的经验，这里肯定也是 A/C 两种指令。
A 指令：0xxxxxxxxxxxxxxx 也就是0开头，后边跟一个地址，简单好懂。
C 指令：111accccccdddjjj a 代表用 A 还是 M 寄存器，cccccc 代表了 ALU 计算，ddd 代表你赋值给谁，jjj 就是你的 jump 操作。
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CPU 的架构如上图我们已经给你了，你需要做的就是选出架构中的每一个 c，让 CPU 符合我们的逻辑。注意，当你构建 C 指令的时候，永远不要忘记还有 A 指令。
（其他有关的请自行查看代码注释和图表）
在写好 CPU 后，其他事情就简单了。首先是一个 RAM 构建：
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其实挺好看的，就是当你的值是 RAM 16K 里面，改 RAM16K，在 Screen 区间就是改 Screen , 在 Keyboard 就是改Keyboard。你可以自行观察下数据选择如何正确的知道该选择哪里。（RAM16K 是你以前写过的，Screen 和 Keyboard 是我们给你的，你可以使用 vscode 的自动补充查看抽象后的芯片需要和输出什么）
最后就是计算机的构建了，其实照着上面把 3 部分拼一下就可以了，这里不打算赘述。

Lab05
完成你的 CPU,Memory,Computer 芯片。

Week06
这一讲比较简单，本质上是让你写一个 汇编器 (Assembler)，实现从 汇编语言 转换为 机器语言（16位）。其实具体的转法当你完成了 lab04 和 lab05 后应该已经心中有数了。这里简单叙述下要求：// 为注释，你需要忽略 // 后面的内容，同时，你需要忽略掉所有的空格。注意，实现的是 .asm -> .hack ，我们建议加入文件操作，就像 tools 里面给你的一样。

Lab06
写一个汇编器。

Tips
假如你遇见了困难，可以试着使用下面的项目结构：

• 主体解决部分：实现两次 Pass，一次处理标签和变量，第二次实现转换。
• SymbolTable：符号表，以 hash 的方式存下标签和变量。
• IO：输入输出部分
• Main：主函数
  当然，具体结构应该由你选择的语言规范和个人习惯来走。由于里面有一堆乱七八糟的转换，我们推荐你使用比较简单的语言快速实现（当然，c语言高手随意）。
  最后，如果你还没有编程基础，我们推荐你简单写（画）出思路就可以了。或者你可以尝试速通一门语言（这个项目很简单，1-2天的速通绰绰有余了应该，然后就是 GPT 大法，面向项目学习）。