Nand2Tetris|Hack Computer

现代计算机的体系结构

主要特征：

• 包括处理器，寄存器，内存
• 将运行程序存储起来的概念
• 通用抽象

计算机的本质：使用指令来操纵数据的机器

而从硬件技术角度来看，计算机也可以看作是一组通过总线连接的芯片

从上图我们可以看出，针对上面的 CPU 架构：

• 内存存储了只读程序本身和运行时操作的数据
• CPU包括多个数据寄存器，地址寄存器，PC指针以及 ALU

我们上一节实际上是在没有实际硬件的情况下，用 hack 汇编来模拟 Hack 计算机中 内存和 CPU 的行为

取址-执行的循环

• CPU的PC总是指向下一条需要执行的指令的地址，CPU通过地址总线，根据PC地址获取到内存中（只读内存部分）的指令数据
• 取出只读内存中的指令，通过控制总线传向CPU的ALU
• 这条指令中指定段的指定几个bit会被ALU解析，解析后CPU知道是进行何种的操作，操作的是CPU寄存器还是内存的寄存器（解析的语义由指令集和硬件设计特性共同决定）
• CPU根据指令解析的结果，执行指令
• 更新PC（JMP或者是正常执行都会更新PC中的地址）
• 。。。（回到第一步）

在上述过程中存在一个值得讨论的地方：

对内存输入一个地址，在CPU侧，输出的数据可以是指令本身（获取指令阶段），也可以是指令所需要的数据（执行指令阶段），CPU应该如何区分？

根据计算机硬件设计架构的不同，有两种：

• 指令和数据分开存放的，我们称之为 two memory machine（哈佛）
• 指令和数据一起存放的，我们称之为 one memory machine（冯诺依曼）

one memory machine:

我们通过 MUX 和 DMUX 来进行多路选择，在内存输入侧，通过 MUX 来选择地址是数据地址还是指令地址；在内存输出侧，通过 DMUX 来将输出传输到 控制总线/数据总线，如果是获取指令阶段，就通过 DMUX 将指令输出到控制总线上。如果是指令执行阶段，就通过 DMUX 将数据输出到数据总线上；

two memory machine:

由于指令和数据在物理层面是分开存放，因此不存在上述需要通过多路复用和解复用器来进行区分的情况。在获取指令时CPU只会把指令地址传输到ROM侧，在指令执行时CPU只会把数据地址传输到RAM侧

这种架构意味着处理器在同一时钟周期内可以同时访问两个存储器，也就是同时取指和取操作数，运算能力更强。也叫做哈佛架构

ARM 处理器可以实现某些哈佛架构特性，尽管它们通常属于更灵活的“哈佛式”架构（分开指令和数据总线，但内存还是共享的

现代CPU引入了指令缓存和数据缓存，能够高效地访问指令和数据，同时又能将程序和数据存储在同一块内存中。

Hack CPU

Hack 指令

A指令：第一位是0

C指令：前三位是1，后面分为三个部分：计算、目的地、跳转

其中计算的部分又分为7bit：

• 第一个bit a:决定CPU将解析A寄存器里的数据是字面地址还是要访存寻址找数据
• 后面6bit c:操作ALU作为输入

目的地包含3bit:八种不同的结果存储位置排列组合

跳转包含3bit:也是根据计算结果控制八种不同排列组合跳转

CPU抽象

我们都知道，CPU在运行期间的工作，通俗的来概括其实就是两步：

• 执行当前指令
• 找出下一条要执行的指令准备执行

下面我们将详细展开描述这个过程

执行指令

首先会去解析是 A 指令还是 C 指令

(1) 如果是 A 指令则直接设置 A寄存器的 value

(2) 如果是 C 指令，则基于 A 寄存器， D寄存器以及来自内存数据输入 inM 的数据，根据指令执行指定的 ALU 操作

• 之后将 ALU 的输出，传输到指令指定的 A, D 或者是内存 outM
• 如果计算结果需要写回内存，CPU会有一个输出位 1bit 的 writeM 表示是否需要写回内存，写回的是这个位为1，然后 addressM 为具体地址（其实就是指令包含的）需要赋给A寄存器

硬件实现

区分A指令和C指令

实现的方式是将指令的 MSB 最高位传入 MUX 的控制位

实现C指令

C指令的每一个组成部分都有专门的硬件来分别处理，整坨的bit作为一个整体经过硬件设计后指示CPU应该如何行动

computation bits

我们之前说过C指令中的操作部分(comp)还可以分为a和c，a指示CPU将解析A寄存器中数据究竟是字面地址还是需要访存，而c才是 真正的ALU输入

得出计算结果后ALU会同时将结果传输到A、D以及outM里（关闭开始通过控制位）

destination bits

根据dest的一坨bit，我们按顺序设置A、D的控制位以及writeM的值，如图，可以发现这里其实就是CPU的解释逻辑和指令集设计是绑定在一起的，010排列组合的dest bits就是指向D结果，不会存到A或者是内存里

实现跳转

TODO

Mem

Hack机器由于采取的是分开存储程序和指令，因此指令内存是一个插拔式的ROM

物理层面来说我们可以直接拔插ROM芯片

软件模拟层面来说就是读取不同的包含指令的文件来实现指令ROM的模拟