陳鍾誠的課程

1. 系統程式
( 習題： Nand2tetris 軟體部分 )
陳鍾誠
2018 年 3 月 27 日
本文衍生自 nand2tetris 課程
– http://www.nand2tetris.org/

2. Nand2tetris
● 是一門超棒的神級課程 ...

3. 最棒的一點
● 不是老師教得多好
● 而是習題的安排非常巧妙！

4. 讓學習者
● 可以從硬體到軟體 …
● 按步就班設計出
– ALU 、 Register 、 CPU
– Assembler 、 VM 、 Compiler 、 OS

5. 硬體部分的習題
● 請看前情提要！
https://www.slideshare.net/ccckmit/20-nand2tetris
https://www.slideshare.net/ccckmit/nand2tetris-79925285

6. 現在是系統程式課程
● 我們要學習的是軟體部分 ...

7. 軟體部分的核心
● 是一個稱為 Jack 語言的編譯器

8. 我們需要撰寫下列程式
● 編譯器 : Jack 轉 VM
● 虛擬機 : VM 轉 ASM
● 組譯器 : ASM 轉 Binary

9. 然後
● 用高階語言 Jack 寫一個作業系統
● 接著放一個 tetris 遊戲在上面跑

10. 整體架構

11. 硬體部分 - 計算機結構

12. 軟體部分 - 系統程式

13. 高階語言

14. 剖析 Parse

15. 遞迴下降剖析法

16. 高階語言 Jack

17. Jack 是類似 Java 的物件導向語言

18. 只是語法設計更精簡

19. 更容易實作與理解而已！

20. 以下是 Jack 所支援的基礎資料型態

21. Jack 的變數種類

22. Jack 的程式結構

23. JackOS 所支援的函式庫

24. Jack 的語法 (1)

25. Jack 的語法 (2)

26. 您必須寫出 Jack Compiler

27. 在這之前
● 您必須先學習一下 Jack 語言

28. 先看看老師給的範例
https://github.com/cccnqu/sp106b/blob/master/exercise/09/HelloWorld/Main.jack

29. 像是輸入一堆數字後計算總和
https://github.com/cccnqu/sp106b/blob/master/exercise/09/Average/Main.jack

30. 定義有理數 x/y 物件
https://github.com/cccnqu/sp106b/blob/master/exercise/09/Fraction/Fraction.jack

31. 定義鏈結串列

32. 甚至寫一個方塊移動程式等等

33. 您可以隨便寫幾個習題
● 先學會如何用 Jack 語言寫程式
● 還有開發工具如何使用等等 ...

34. 接著、就輪到你了
● 你必須寫出自己的 Jack 編譯器

35. 或許在寫編譯器之前
● 你可以先學學如何寫
–《組譯器》還有《虛擬機》
因為這兩個比較簡單一點

36. 寫完組譯器
● 還有虛擬機之後
● 再回到編譯器來

37. 寫編譯器的時候
● 第一步是寫 Tokenizer
● 也就是《詞彙掃描器》
( 又稱 Lexer 或 Scanner)

38. Tokenizer 的功能如下

39. 寫完後請檢驗一下
● 輸出的 xml 檔
是否正確

40. 然後用遞迴下降法寫 parser

41. 像是這樣

42. 寫完 parser 之後
● 加上目的碼 (.vm) 產生的部分，
就完成了一個編譯器！

43. 目的碼產生的動作
● 可以直接嵌入在 parse 的過程當中
https://github.com/cccnqu/sp106b/blob/master/more/nand2tetris/11/compiler.js

44. 你的 Jack 編譯器
● 應該產生副檔名為 .vm
的虛擬機組合語言

45. 像是這樣

46. Nand2tetris 裡的虛擬機
● 是一種《堆疊機》
● 類似 Java 的 JVM 與微軟 .NET 的 CLR 的架構

47. 以下是虛擬堆疊機的組合語言

48. 還有更完整的範例

49. 該堆疊機的指令集相當精簡

50. 而且老師提供了模擬器
可以讓您試玩看看

51. 和一般 CPU 不同的部分
● 除了堆疊架構之外，就是分了很多段落，各有不同用途

52. 學會堆疊機程式寫法後
● 您必須寫程式把堆疊機的指令
轉換成 HackCPU 的組合語言
● 這樣才能銜接上硬體部分
設計的處理器

53. 以下是簡單的範例
虛擬機組合語言
真實機 HackCPU 組合語言
https://github.com/cccnqu/sp106b/blob/master/more/nand2tetris/07/SimpleAdd.vm

54. 更複雜的範例，翻譯起來會很長

55. 您必須處理
● 函數、分支、算術、布林等結構

56. 其中函數呼叫時的堆疊處理比較複雜

57. 必須在堆疊中放置以下資訊
● 返回點 returnAddress
● 參數 ARG
● 區域變數 LCL
● 指標 THIS,THAT

58. call 呼叫的前置處理

59. function 定義的區域變數分配

60. return 返回前的堆疊還原

61. 有了以上堆疊結構
● 才能正確地進行函數呼叫並返回
● 還有正確地進行《遞迴型的函數呼叫》

62. 然後在整個系統的進入點
● 會有堆疊初始化後呼叫主程式的動作

63. 您可以參考我的實作解答
https://github.com/cccnqu/sp106b/tree/master/more/nand2tetris/07
https://github.com/cccnqu/sp106b/tree/master/more/nand2tetris/08

64. 有了這樣的虛擬機器
● 就可以把任何高階語言轉換成虛擬機中間碼
● 也可以把中間碼轉換成各個真實機器的組合語言

65. 這種中介特性
● 就是虛擬機主要扮演的角色

66. 然後
● 當您將高階語言 *.jack 翻譯為 *.vm
● 再將 *.vm 翻譯為 *.asm 組合語言之後
● 還需要翻譯 *.asm 為二進位的機器碼
這樣才能在硬體部分設計的 HackCPU 上
執行。

67. 所以我們還需要撰寫組譯器
● 將組合語言翻譯成機器碼
組合語言 機器碼

68. 組譯器的動作比較簡單
● 主要是把指令翻譯成二進位

69. 翻譯時必須分別處理各種指令格式

70. A 型指令的處理比較簡單

71. C 型指令的處理比較複雜

72. 但是記得要正確處理符號的位址

73. 這樣一步一步做下來
● 就會寫出整套編譯器工具鏈了
也就是《編譯器 + 虛擬機 + 組譯器》了

74. 最後
● 銜接上第 12 章用 Jack 語言寫的作業系
統 JackOS 之後
● 我們就完成 nand2tetris 的所有習題了

75. 但是
● 作業系統又是另一個大傢伙
● 想要完成還得經過一翻艱苦的奮戰

76. 而且
● 金大資工系有另一門課
● 專門教作業系統 ...

77. 所以我就不要求各位
● 要去寫第 12 章的習題了！

78. 但是雖然不用寫

79. 看得懂程式碼
● 並理解背後的原理
還是很重要的！

80. 所以請各位同學
● 去看看 12 章的解答 ...

81. 像是 Havivha 的版本

82. 就是很好的參考範例
● 我們可以看看其運作原理

83. 像是鍵盤 keyboard

84. 螢幕 Screen

85. 字元輸出 Output

86. 陣列 Array

87. 記憶體 Memory

88. 字串 String

89. 數學 Math

90. 作業系統 Sys

91. 這樣
● 我們就把所有習題都寫完
● 沒自己寫的也看完了 ...

92. 於是
● 你可以拿老師已經寫好的《打磚塊遊戲》
在自己設計的電腦上打電動了 …

93. 必須注意的是
● 這門課的精華在習題 ...
● 只有透過實作，才能深入的理解
《系統軟體》的各項細節 ...

94. 也才不會
● 空有理論、而沒有實務了 ...

95. It's your turn
● Do it yourself
● You can make it !