1、探索计算机系统构建：从基础到应用

探索计算机系统构建：从基础到应用

1. 计算机系统学习的重要性与挑战

在 21 世纪，人们普遍认为应当熟悉 BANG（Bits、Atoms、Neurons、Genes）背后的关键理念。尽管科学在揭示原子、神经元和基因的基本操作系统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运行机制。但随着数字技术日益复杂，计算机科学中最基本的理念和技术被隐藏在众多晦涩的接口和专有实现之下。这导致计算机科学的学习变得专业化，学生往往在一系列编程、理论和工程课程中迷失方向，难以形成对计算机系统的整体认识。许多学习者和专业人士因此对计算机内部的工作原理感到困惑，而计算机在 21 世纪又是至关重要的工具，这种情况显然不尽如人意。

2. 构建计算机系统的解决方案

为了帮助人们更好地理解计算机系统，提出了一种实践导向的学习方法：从最基本的逻辑门（Nand 门）开始，逐步构建一个通用计算机系统，这一过程被称为 Nand to Tetris。该方法通过一系列硬件和软件构建任务，让学习者亲身体验计算机系统的构建过程，从而深入理解计算机科学的核心知识。

以下是学习过程中涉及的主要主题：
| 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、RAM 单元、计数器、硬件描述语言（HDL）、芯片模拟、验证和测试 |
| 架构 | ALU/CPU 设计与实现、时