nand2tetris课程中的hack汇编语言详解

nand2tetris课程中的hack汇编语言详解

本文是关于nand2tetris课程中hack汇编语言的详细讲解，内容包括计算机基础架构、指令集、汇编语言、内存和寄存器架构、指令集实现、符号编程、低级编程、输入输出等。文章结构清晰，内容详实，包含了大量示例代码和图示，适合对计算机体系结构和汇编语言感兴趣的读者。

计算机基础架构

计算机的基础架构可以追溯到图灵机的理论模型，后来发展成为冯·诺伊曼体系。在nand2tetris课程中，我们将实现一个简化的计算机架构，如下图所示：

这个架构图省略了总线和控制单元，主要展示了程序和数据如何在内存中存储，以及算术逻辑单元（ALU）如何从内存和寄存器中取值进行运算，并将结果输出到外部设备或内存和寄存器中。

指令集

在开始实现计算机之前，我们需要定义一个指令集，这个指令集需要能够完成以下功能：

1. 指定计算机要执行的操作，比如取数或运算
2. 控制硬件的执行流程，比如条件跳转
3. 指定操作数的来源和结果的存储位置

在设计指令集时，需要在硬件实现和软件功能之间进行权衡。例如，这门课程没有在指令集层次支持乘法操作，而是通过软件算法来实现。

hack汇编语言

在介绍hack汇编语言之前，先来看一段标准的汇编语言代码：

相比于高级语言，汇编语言更接近计算机底层的执行机制，只提供基本的算术运算和逻辑运算。编写汇编代码时，思维模式会更加聚焦于数据的搬运和基本运算。

hack计算机的内存和寄存器架构

在通用计算机中，代码和数据通常存储在同一块内存中，但在hack计算机中为了简化处理，将代码和数据分别存储在两块独立的内存中。

hack计算机有两个主要寄存器：

• A寄存器：用于存放地址
• D寄存器：用于存放数据

此外，还有一个特殊的变量M，用于表示当前数据区选中的值，可以对其进行赋值和运算。

hack计算机指令集

hack计算机提供了两种基本指令集：A指令集和C指令集。

A指令集

A指令集用于取址操作，格式为@address，其中address可以是立即数或符号地址。执行时，地址值会被自动赋值给A寄存器。

C指令集

C指令集功能更为丰富，支持以下操作：

1. A/D/M寄存器可以赋值立即数（常数），但可选值只有0、-1、1三种
2. A/D/M寄存器之间可以互相赋值，支持取反操作
3. 支持算术运算（+、-）和逻辑运算（&、|），并支持立即数1的操作
4. 跳转指令，用于控制程序执行流程

hack计算机的Symbolic programming

为了提高代码的可读性和可维护性，hack汇编语言引入了以下符号编程特性：

分支

通过跳转指令实现条件分支和循环控制。例如：

变量

使用小写字母表示内存地址，从16号地址开始，前16个地址被保留给内置变量R0-R15。

标签

使用标签来简化跳转指令的编写，避免直接使用行号。

实战

编写汇编代码时，建议先用伪代码规划逻辑，再将其翻译成汇编语言。例如：

hack计算机低级编程

在这一部分，主要介绍了迭代和指针等低级编程概念，并通过具体示例展示了如何在hack汇编中实现这些功能。

hack计算机指令集补充

A指令集的两种用法

A指令集有两种主要用法：直接寻址和间接寻址。

C指令集的完整概述

C指令集的完整指令格式和编码规则如下：

输入与输出

hack计算机内置了显示器和键盘芯片，并将它们映射到内存的特定区域。

显示器

显示器的内存区域从@SCREEN开始，可以通过写入16位的-1来快速设置一大块像素点为黑色。

键盘

键盘的输入值存储在@KBD对应的内存位置，当没有键被按下时，该位置的值为0。

课程作业

课程提供了两个实践项目：

实现乘法

通过重复加法实现乘法运算：

// 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

这个程序展示了如何通过循环操作实现屏幕的清屏和填充：

// 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

通过这门课程的学习，读者可以深入了解计算机体系结构和汇编语言的基础知识。虽然hack计算机的架构相对简单，但通过这个过程，可以建立起对计算机底层运行机制的深刻理解。