nand2tetris_hack汇编语言

计算机

我接触的第一台电脑是winXP系统，我拥有的第一台电脑是win7，也就说一开始我理解的计算机就有着好看的界面，灵活的操作性方式，拥有许多软件，可以做很多事情。
我们可曾想过，大部分机器都有其专属用途，比如榨汁机只能用来榨汁、削皮刀只能用来削皮，而计算机，他可以播放视频、浏览网页等等，这是一件多么神奇的事情！那这是如何做到的
开始的理论模型图灵机，至后来真正实现了的计算机基础架构冯洛伊曼体系。详细的先不讨论，我们看一下，这门课程将要实现的计算机基本架构图

图中省略了总线和控制单元，大体思路是程序和数据放在内存中的两块，ALU通过从内存和寄存器中取值完成运算，输出至外部设备或内存和寄存器中。架构图已经有了，那第一步怎么做

指令集

可以发现，此刻我们对组装的计算机并没有一个具象化的概念。他需要实现哪些功能，他的内部数据如何传输等等，我们一无所知。课程老师在这一节，先假定我们已拥有了这样一个hack计算机，我们学习hack-CPU提供的指令集，进行简单程序开发。这样在实现CPU之前，我们大概知道了我们想做的是什么
计算机中，用户输入的指令，将会被编译器翻译为二进制编码(后面需要实现的)，继而交给CPU执行。指令需要实现的功能有三

1. 指令需要计算机要做什么，比如取数还是运算
2. 指令需要能够控制硬件的执行，比如正常指令都是逐行执行的，有时需要跳转
3. 指令需要告诉硬件如何做，比如去哪里取值，输出放在哪里

实现指令集的过程中，存在硬件和软件之间的权衡。这门课里就没有在指令集层次支持乘法，但是我们通过软件算法实现。所以，硬件设计和机器语言往往是同步进行的

hack汇编

介绍课程hack汇编语法之前，先引入几段大众认知的标准汇编语言

我的前几篇博客里，简单的介绍了如何编写8086汇编代码。相比于高级语言里复杂的语法，汇编语言更接近编程的实质，只提供基础的算数运算和逻辑运算。写汇编代码其实很受限，脑子里只能有加加减减、选址赋值这些操作，不过课程老师也说了，“simple people are impressed by sophisticated thing, sophisticated people are impressed by simple thing”

hack计算机内存和寄存器架构

在通用计算机中，代码其实也是数据，只是我们将他放在了代码段内，这里hack计算机为了简便处理，不在一整块内存上划分代码与数据，而是设计了两块内存，分别存放代码和数据
hack计算机有两个寄存器，存放地址的A寄存器和存放数据的D寄存器。我们可以设置A寄存器的值，去内存中取值，然后将值保存在D寄存器中，同时提供了一个变量M，M代表此刻数据区选中的值，可以对他进行赋值和运算

hack计算机指令集

有了内存和寄存器存放数据/代码之后，此时需要一套指令来读取/写入数据，并交给CPU运算。hack计算机提供了两种指令集，依据指令集编写而成的代码被加载入ROM中，而后逐行执行；至于指令怎么被加载，ROM又是如何执行的，暂且先不讨论。现在可以理解就是有了这样一个hack计算机，提供了这样的指令集，请为他编写代码。其实这和我们学一门新的语言一样，学语法，写功能，再去了解其本质

A指令集

这个比较简单A-address取址，并自动赋值A寄存器；至于图中提示的如何确认，随后而来的取值是到数据区还是代码区，这是后面实现CPU时考虑的事情

C指令集

这个略复杂些，分为了以下几种情况

1. A/D/M可以赋值立即数(常数)，不过可选值只有0，-1，1三种
2. A/D/M可以互相赋值，支持相反数
3. A/D/M支持+-算数运算，也支持&|逻辑运算，特别的支持立即数1，可以理解为第二种情况的扩展
4. 跳转指令，课程选择了在下文介绍，用于控制程序执行流程
   
   如果现在和你说hack计算机就是由这两种指令集做为基石搭建而成，你肯定不相信。其实两种指令集配合起来使用，可以实现对任何一个内存单元的取值和赋值，看例子会很容易理解了
   这里直接将A寄存器当作立即数来使用了
   
   这里是通过M这个变量，方便的实现内存地址赋值操作，并总结了一种基础范式，A指令取值，C指令赋值
   
   来一个稍难一点的例子，这里可以实际去CPU模拟器中执行，看一看内存和寄存器在执行过程中，值的变化
   

hack计算机 Symbolic programming

标题我不知道怎么翻译，实际这里是介绍了使用一些人类可读的方式来影响程序执行

分支

高级语言里的if else以及for循环，需要通过这种方式实现，不知道为什么，习惯了前几节使用选择器来判断，感觉这种jump方式，也不是那么难受了。跳转指令实际上是包含在C指令集内的，下文会再对C指令集综述

再贴一个稍微复杂一点的，一般是这样配合使用的

变量

之前在介绍A指令集的时候，@x 这里x可以用来表示立即数，也可以用来表示实际内存地址，当混在一起的时候，就看不懂这里x是代表什么的了；所以我们需要一种区分，约定，如果这里是表示实际内存地址的，我们可以使用一个小写英文来代替，相当于高级语言里申请了一个变量，内存地址自动从16号开始，前面被内置变量名R0..R15占据了

这有一个立即数和实际内存地址混合使用的例子，很容易区分这两者

标签

这个主要是为了配合跳转指令来使用的，毕竟跳转的时候还要数在第几行，修改代码之后都要调整一下受影响的跳转代码，这也太痛苦了

实战

这里主要介绍了一种思路，编写汇编代码时，先尝试思考伪代码，再将伪代码翻译为汇编语言。执行时汇编器再翻译为机器指令，可以发现变量和标签这些语法糖都被抹去了

这里提到了一个问题，因为计算机通电之后是不会停止的(这里我不明白CPU占有率是怎么一回事)，程序会一直往下执行的。就像C语言里的数组越界，我们需要这个程序执行结束之后，“停”在最后位置

顺便说一句，上面的代码可以这样优化。我在平时写代码，也会尽量写if 不写else

hack计算机低级编程

迭代

指针

实战

其实学到这里，基本已经把计算机程序里的三种结构理解了，大部分的功能都可以参考于此

hack计算机指令集-补充

标题有点奇怪，主要开始的时候如果介绍完整，很难解释，现在学习了这么多例子，已经对hack汇编语言有了完整的认识，再来谈一谈指令集

A指令集的两种用法

C指令集的完整概述

这里贴两张图感受一些，C指令集的组成规则

稍复杂些的跳转指令，也被容纳在内了，是不是有种统一美

注意事项

这里的意思是，不要混用jump指令和M赋值，因为二者都依赖A指令

输入与输出

这里hack计算机内置了显示器和键盘芯片，并将他们映射到内存的某一块区域；可以通过读取/写入这一块区域内的值，来显示内容或读取当前正在操作的键值

显示器

@SCREEN为内置变量

可以将一个16位数设置为-1，快速设置一大块像素点为黑色

键盘

键盘简单一点，这里的值来自于被按下键的Unicode编码值，没有键被按下时，0

使用时，也内置了一个变量@KBD

课程作业

这节课程的基础知识到这里就结束了，留下了两个作业，贴一下代码加深理解

实现乘法

这里实现的很简单，简单的++，而且没有判断R0和R1谁大谁小寻找更少的迭代次数

// This file is part of www.nand2tetris.org
// and the book "The Elements of Computing Systems"
// by Nisan and Schocken, MIT Press.
// File name: projects/4/Mult.asm

// Multiplies R0 and R1 and stores the result in R2.
// (R0, R1, R2 refer to RAM[0], RAM[1], and RAM[2], respectively.)
// The algorithm is based on repetitive addition.

@R2
M=0

@R0
D=M
@END
D;JEQ
@R1
D=M
@END
D;JEQ

@i
M=0
(LOOP)
    @i
    D=M
    @R1
    D=D-M
    @END
    D;JEQ

    @R0
    D=M
    @R2
    M=M+D
    @i
    M=M+1
    @LOOP
    0;JMP

(END)
    @END
    0;JMP

白屏/黑屏

这个程序里就能看出hack计算机的局限性了，因为只有两个寄存器，想把黑屏和白屏代码封装起来，就很有难度了。最后是黑屏写了一套代码，白屏写了一套代码，二者就在大循环里跑，也没有设置子循环，让程序完成渲染后处于监听键盘的状态。不过，至多就是按键的时间长一点就好了..

// Runs an infinite loop that listens to the keyboard input. 
// When a key is pressed (any key), the program blackens the screen,
// i.e. writes "black" in every pixel. When no key is pressed, 
// the screen should be cleared.

(MAIN)
    @KBD
    D=M
    @BLACK
    D;JNE

    @WHITE
    0;JMP

    @MAIN
    0;JMP

(BLACK)
    @i
    M=0
    @j
    M=0
    @head
    M=0


    (BLACK-LOOP1)
        @i
        D=M
        @255
        D=D-A
        @MAIN
        D;JGT
    
        @j
        M=0
        (BLACK-LOOP2)
            @j
            D=M
            @31
            D=D-A
            @BLACK-LOOP1-END
            D;JGT

            @head
            D=M
            @j
            D=D+M
            @SCREEN
            A=A+D
            M=-1

            @j
            M=M+1
            @BLACK-LOOP2
            0;JMP

        (BLACK-LOOP1-END)
        @32
        D=A
        @head
        M=M+D
        @i
        M=M+1
        @BLACK-LOOP1
        0;JMP

(WHITE)
    ...
    M=0
    ...

(END)
    @END
    0;JMP

总结

这一节贴了好多图，不过想想还是很有成就感的，我在学会一门语言之后，还可以把他表述出来。这节看懂了课程上的例子之后，难度就不大了，最后的白屏/黑屏作业也只是复杂，而不是困难。期待下节课的CPU实现！！