从零开始设计一台计算机？公开课：从与非门到俄罗斯方块

Posted 2020-07-20 meelo

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MOOC: Build a Modern Computer from First Principles: From Nand to Tetris
用第一原理设计现代计算机：从与非门到俄罗斯方块
https://www.coursera.org/learn/build-a-computer/

 

从零开始设计一台计算机，这就是这门公开课在宣传片中许诺的。一开始是我是质疑的，作为一个电子信息工程专业毕业的学生，大学4年，学完《模拟电路》、《数字电路》、《计算机组成原理》、《硬件描述语言》、《汇编语言》、《C语言》，对于如何设计一台计算机可以说，我完全无从下手。

 这门课总共由12周，现在只放出来了前6周。每一周都建立在前一周的基础上，把前一周所搭建的模块当作基石，设计出更复杂的模块。这种不同层次的抽象就是构建如此复杂的计算机的一个核心原则。

第一周

介绍了布尔函数。计算机的核心部分CPU、内存都是数字电路，数字电路全部都是有逻辑门构成的。与门、或门、非门是三种常用的逻辑门，在真实的芯片中其实它们都是由一种门与非门NAND得到的，可见与非门是如此强大，造就了真实数字电路的“原子”是如此简洁。第一周的任务就是基于与非门，用一种专门为这门课程设计的硬件描述语言(Hardward Discription Language)，把与非门当作原子，设计出与门、非门、或门、异或门、多路的与门/或门/非门/异或门、多路选择器、多路分配器。下图是用硬件描述语言实现一个与门。

第二周

介绍了算数运算。CPU的核心功能就是进行运算，就是一个小学生都会的加减乘除或逻辑运算，然而计算机可以算得如此之快，1秒可以运算1000000000次。这一周首先介绍了数字在计算机中的表示——补码，补码能够把加法运算和减法运算统一起来，而无需独立地两套逻辑。基于与门和异或门就可以可以实现一位的加法运算，这称为半加器(Half Adder)。称为半加器的原因是两个半加器才成得到一个能用的加法器，半加器不能处理低位进位操作。有了加法器，进一步就可以得到算术逻辑单元(Arithmatic Logic Unit)，算数逻辑单元不同于加法器的原因是，它有一些控制电路，用于选择输入的数是进行何种操作？是加法、减法，还是与运算、或运算？和一些额外的输出，表示运算的结果是否为零，是否为正。别小看了这额外的输出，它可是程序中判断语句所不可或缺的硬件基础，仔细想想为什么吧。下图表示算数逻辑单元的控制与对应的操作。

第三周

介绍了时序逻辑电路。课程中并没有像传统的《数字电路》课程中讲授，与非门是如何得到触发器等时序逻辑电路的，而是把它作为了一个“原子”。配合多路选择器、多路分配器和触发器就可以制作内存(Random Access Unit)了。这一步得到的最大的内存是16K，也就是最终设计出的计算机的内存大小，以现在计算机内存的大小来看，简直小的不可思议是吧。这一周除了内存外，设计的另一个重要的电路就是程序计数器(Program Counter)，其实就是一个计数器，可以控制它做自加运算和载入一个数两种操作。这分别对应着程序一行一行的顺序执行和跳转操作。可见这些简单的电路都是真实计算机中不可或缺的一部分。

第四周

介绍了汇编语言。汇编语言能够直接转换成计算机能够执行的2进制指令。课程中使用的汇编语言也完全是为这门课程所设计的。汇编指令可以分为两种，一种描述运算，一种描述寻址。在汇编语言的程序中，你就可以看见高级语言循环、判断语句的影子了。这一周的任务就是编写一个简单的汇编程序，实现乘法运算。现在大多数CPU，在硬件层面就能够实现乘法运算，这门课程的一个宗旨是尽可能的“简洁”，乘法运算就交给软件实现了。

第五周

介绍了中央处理器(Center Process Unit)。这算是这门课程的一个小高潮了，前面几周所搭建的电路会通通用在CPU里，这一周的一个任务就是设计CPU，还好老师给出了CPU的框图，留给我们需要思考的是不同模块之间的控制逻辑。下面就是CPU的结构图。

有了CPU、内存，就可以搭建一个完成的计算机了，现代的计算机都是冯诺依曼结构，内存分为数据内存、和指令内存两个部分。

第六周

介绍了汇编器。汇编器就是把汇编语言转换成，CPU能够执行的二进制代码。从前面几周过来，你会清晰地认识到，每一条二进制代码会有操作的数据和控制指令两部分构成。你会惊讶的发现二进制代码的几位控制位如何精细地对应着算数逻辑单元控制进行何种运算，如何控制着从内存、还是CPU里的寄存器获取数据。这一周的任务是设计一个汇编器，对于没有任何编程基础的人，这一周也许有些困难。经过一些波折，我用Python200行完成了这个汇编器。

完成这门课，可以说是成就感满满，老师把计算机如此复杂的一个系统，一层一层拆分成了很多模块，同时保证每一周内容的难度都能够被一个完全没有计算机基础的人接受，着实是这门课无与伦比之处。开这门课程的教师Shimon Schocken是一个伟大的教育家，它把这个课程的设计过程还写成了：http://shimonschocken.com/wp-content/uploads/2011/09/Synthesis-course.pdf，还在TED作了一个演讲，其中讲述了他的教学理念：http://www.ted.com/talks /shimon_schocken_the_self_organizing_computer_course，或者https: //www.youtube.com/watch?v=iE7YRHxwoDs。在演讲中提到，在美国有人自发的组织起来教授课程的内容，一位中国的大学生用可编程逻辑器件实现了整个计算机的设计。

对于我来说，这门课是对极客精神最好的阐述，极客们喜欢把复杂的东西支离破碎，然后设计出新的发明，这正是这门课程所做的。愿极客精神永驻！