1、从零开始构建现代计算机系统

从零开始构建现代计算机系统

1. 引言

在 21 世纪，人们普遍认为应当熟悉 BANG（比特、原子、神经元和基因）背后的关键思想。尽管科学在揭示原子、神经元和基因的基本运行机制方面取得了显著成功，但我们可能永远无法完全理解它们的实际运作方式。然而，比特和计算机系统却是一个令人欣慰的例外。尽管它们极其复杂，但人们可以完全理解现代计算机的工作原理和构建方式。

早期计算机的硬件和软件交互简单透明，人们可以直观地了解计算机的工作原理。但随着数字技术的日益复杂，计算机科学中最基本的思想和技术被隐藏在众多晦涩的接口和专有实现之下。这导致了专业化的发展，应用计算机科学的学习变成了众多细分课程的追求，学习者往往只见树木不见森林，难以形成对计算机系统的整体认识。

为了帮助学习者全面理解计算机系统，我们提出了一个独特的学习方法——从最基本的逻辑门（与非门）开始，逐步构建一个通用计算机系统，即所谓的“从与非门到俄罗斯方块”（Nand to Tetris）项目。这个项目不仅能让学习者亲身体验计算机系统的构建过程，还能让他们学习如何有效地规划和管理大规模的硬件和软件开发项目。

2. 项目概述

2.1 学习内容

通过一系列硬件和软件构建任务，学习者将接触到大量计算机科学知识，具体包括以下方面：
| 类别 | 具体内容 |
| — | — |
| 硬件 | 布尔算术、组合逻辑、时序逻辑、逻辑门设计与实现、多路复用器、触发器、寄存器、随机存取存储器（RAM）单元、计数器、硬件描述语言（HDL）、芯片仿真、验证和测试 |
| 架构 | 算术逻辑单元（ALU）/中央处理器（CPU）设计与实现、时钟和周期、寻址