《计算机系统要素》 Nand2tetris 第一章的部分项目实现

Such simple things, And we make of them something so complex it defeats us, Almost.

《计算机系统要素》中，每一章都安排了需要动手实践的项目，在这里，我会给出一些项目的实现过程和方法。

在进行第一章的项目实现前，我们需要下载本书配套的工具包：

Nand2tetris Software Suite

工具包内含多个工具，今天我们只需要其中的 Hardware Simulator 硬件模拟器（Emulator）。

官方的工具包都是基于 Java 开发的，因此，不论是 windows、Linux 或是 Mac ，只要配置好 Jre ，工具包都可以执行。

Jre 在这里下载：http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/jre8-downloads-2133155.html

Jre 安装完后，解压之前下载的安装包，进入 tools 文件夹，直接执行 HardwareSimulator.bat 即可

在本章，我们需要做的是完善 project/01 中的 hdl 文件，各个逻辑门的输入输出接口（Interface）已经给出，直接补全 PARTS 部分即可。

非门 Not gate 实现

注意，我们现在只能使用 Nand 门，其他的逻辑门基于 Nand 门

1与任何逻辑变量与非实现非门

CHIP Not {
    IN in;
    OUT out;

    PARTS:
    Nand(a=in, b=true, out=out);
}

与门 AND gate 实现

实现思路： Nand（Nand（a，b），1）

*

或门 Or gate 实现

或门即 A+B ，两重长非号即可实现

CHIP Or {
    IN a, b;
    OUT out;

    PARTS:
    Not(in=a, out=na);
    Not(in=b, out=nb);
    Nand(a=na, b=nb, out=out);
}

异或 Xor 实现

a,b 相异 输出1

思路：相异的话，对其中之一取反即相同，总有一种取反取与输出为1

CHIP Xor {
    IN a, b;
    OUT out;

    PARTS:
    Not(in=a, out=na);
    And(a=na, b=b, out=o1);
    Not(in=b, out=nb);
    And(a=a, b=nb, out=o2);
    Or(a=o1, b=o2, out=out);
}

选择器 Mux 实现

/** 
 * Multiplexor:
 * out = a if sel == 0
 *       b otherwise
 */

二选一数据选择器，当sel为0时，输出a，1时输出b。

思路：输出 And(a,not(sel))+And(b,sel) 貌似即可

逻辑化简一下，应该有更高效的方法

CHIP Mux {
    IN a, b, sel;
    OUT out;

    PARTS:
    Not(in=sel, out=nsel);
    And(a=a, b=nsel, out=oa);
    And(a=b, b=sel, out=ob);
    Or(a=oa, b=ob, out=out);
}

数据分配器 DMux 实现

sel==0时，in分配到a上，反之，in分配到b上

思路：a=Not(sel) and a; b=Not(sel) and b

CHIP DMux {
    IN in, sel;
    OUT a, b;

    PARTS:
    Not(in=sel, out=nsel);
    And(a=in, b= nsel, out=a);
    And(a=in, b=sel, out=b);
}

16位按位与门 16-bit bitwise And 实现

看起来好像很可怕，实际上巨简单

但是，好像得一个一个针脚连？复制粘贴16行？

CHIP And16 {
    IN a[16], b[16];
    OUT out[16];

    PARTS:
    And(a=a[0], b=b[0], out=out[0]);
    And(a=a[1], b=b[1], out=out[1]);
    And(a=a[2], b=b[2], out=out[2]);
    And(a=a[3], b=b[3], out=out[3]);
    And(a=a[4], b=b[4], out=out[4]);
    And(a=a[5], b=b[5], out=out[5]);
    And(a=a[6], b=b[6], out=out[6]);
    And(a=a[7], b=b[7], out=out[7]);
    And(a=a[8], b=b[8], out=out[8]);
    And(a=a[9], b=b[9], out=out[9]);
    And(a=a[10], b=b[10], out=out[10]);
    And(a=a[11], b=b[11], out=out[11]);
    And(a=a[12], b=b[12], out=out[12]);
    And(a=a[13], b=b[13], out=out[13]);
    And(a=a[14], b=b[14], out=out[14]);
    And(a=a[15], b=b[15], out=out[15]);
}