01 / 导读
导读
引用
Nisan, N., & Schocken, S. (2021). The Elements of Computing Systems: Building a Modern Computer from First Principles (2nd ed.). MIT Press.
章节概要
第二版约344页，通过12个各自配有一个项目的章节，带领读者搭建一套简单而完整的计算机系统：先是硬件平台，再是建立在其上的软件层级。这段被称为“从Nand到俄罗斯方块”（Nand to Tetris）的旅程，从最基本的逻辑门Nand出发，终点是一台能够运行俄罗斯方块或任何其他程序的通用计算机。据出版社介绍，这一版做了大幅修订：全书分为第一部分“硬件”和第二部分“软件”，各含六个项目；所有章节和项目都经过重写，强调把抽象与实现分开；并新增了内容充实的附录，集中讨论技术和理论问题。所有项目都使用作者的Nand to Tetris网站上的免费软件工具完成，包括硬件模拟器、CPU仿真器和VM仿真器，因此不需要任何实体硬件。Google Books以简短形式列出各章标题，网站上的项目页面则指明了哪两章讲虚拟机、哪两章讲编译器。
第1章：Boolean Logic（布尔逻辑）
以Nand门作为唯一的基本元件，读者搭建出各种基本逻辑门（Not、And、Or、Xor、多路选择器和多路分配器）及其16位和多路版本，它们是后来构造CPU和RAM的积木。
第2章：Boolean Arithmetic（布尔算术）
实现二进制算术的门电路：半加器和全加器、16位加法器和增量器，最后是Hack计算机的算术逻辑单元（ALU）——在这一系列芯片中，它是唯一为该体系结构所特有的。
第3章：Memory（存储器）
门电路如何随时间保存比特，以及如何对存储寄存器寻址。以数据触发器为基本元件，读者依次搭建1位寄存器、16位寄存器、由8个到16K个寄存器组成的RAM，以及程序计数器。
第4章：Machine Language（机器语言）
从程序员的角度描述计算机：建成后的硬件将要执行的Hack机器语言及其符号化的汇编形式。在项目中，读者编写并在提供的CPU仿真器上测试两个底层汇编程序（其中一个做乘法）。
第5章：Computer Architecture（计算机体系结构）
把前几章的ALU和RAM组装成Hack CPU、完整的存储地址空间和顶层的Computer芯片：一台能运行用第4章机器语言编写的程序的通用计算机。
第6章：Assembler（汇编器）
第一个软件项目：把符号化的Hack汇编翻译成二进制机器码的程序。本章结束第一部分；第二部分“软件”从下一页开始，并有自己的引言。
第7–8章：Processing（处理）；Control（控制）
讲虚拟机的两章。本书仿照Java和.NET平台，定义一种基于栈的VM语言，并让读者编写把VM代码翻译成Hack汇编的翻译器。第7章（项目7“VM I：栈运算”）涵盖VM规范、算术和逻辑命令、针对八个内存段的内存访问命令，以及VM到Hack平台的映射；第8章（项目8“VM II：程序控制”）把翻译器扩展到分支和函数调用。
第9章：High-Level Language（高级语言）
介绍Jack，一种简单的、类似Java的基于对象的语言。在配套项目中，读者利用Jack操作系统提供的服务，用Jack编写一个小游戏或交互程序，以便在编译它之前先熟悉这门语言。
第10–11章：Syntax Analysis（语法分析）；Code Generation（代码生成）
讲编译器的两章（项目10和11，“编译器I”和“编译器II”）。Jack编译器分为两层：第7–8章构建了它的后端，这两章构建前端。第10章开发词法分析器和遵循Jack文法的语法分析器，通过生成XML输出来测试；第11章篇幅超过三十页，是全书最长的一章，它加入符号表，并把语法分析器改造为输出VM代码的代码生成器。
第12章：Operating System（操作系统）
把操作系统看作弥合硬件与应用软件之间鸿沟的一组服务。读者用Jack本身实现Jack操作系统的八个类（Math、Memory、Array、String、Output、Screen、Keyboard和Sys）；项目页面指出，这会涉及一系列应用计算机科学中的经典算法。
第13章：More Fun to Go（乐趣还在后头）
四页的收尾章节。
附录
约四十页的附录集中介绍支撑各项目的技术和理论问题。
核心概念
第一部分：硬件（第1–6章）
- Nand作为通用门：其他所有逻辑门，进而整台计算机，都可以由Nand门构建。
- 组合逻辑与时序逻辑：输出只取决于当前输入的芯片，以及能跨时钟周期保持状态的芯片。
- 算术逻辑单元：对二进制数计算算术和逻辑函数的芯片。
- 机器语言与存储程序计算机：保存在存储器中、由CPU执行的指令。
- 汇编器：把符号化汇编语言翻译成二进制机器码的翻译程序。
第二部分：软件（第7–13章）
- 虚拟机：介于高级语言和机器码之间、基于栈的中间抽象。
- 栈运算与内存段：VM如何在栈上计算并为变量寻址。
- 语法分析：按照文法解析源代码。
- 代码生成：把解析后的程序翻译成更低层的代码。
- 操作系统服务：让高级语言能够访问存储器和输入输出的库例程。
- 抽象与实现：本版所强调的原则，即把每一层的接口与其构建方式分开来规定。
评析
优点
- 由读者亲手搭建的一套连贯系统。 12章各有一个项目，其成果供后续章节使用，因此学生体会到的是门电路、CPU、汇编器、VM、编译器和操作系统如何组合在一起，而不是在不同课程中分别学习它们。出版社列举的、可以通过这种方式学到的领域包括硬件、体系结构、操作系统、程序设计语言、编译器、数据结构与算法以及软件工程。
- 免费而完整的工具。 作者网站为每个项目提供模拟器、仿真器、测试脚本和比对文件；正如项目7的页面所示，每个项目都附有精确的规范和分阶段的测试。在非营利场合，这一切都是免费且开源的；网站称，Nand to Tetris课程已在400多所大学、中学和编程训练营中开设。
- 抽象与实现分离。 出版社表示，第二版的每一章都为把抽象与实现分开而重写；项目页面也体现了这一点：每个项目都规定了一份契约（芯片接口、VM规范与映射、API），学生的实现必须满足它并据此测试。
- 结构灵活。 由于全书分成各含六个项目的两部分，课程可以只讲硬件部分或只讲软件部分。网站还提供一份典型课程的详细教学大纲，并介绍了提供结业证书的付费Coursera课程。
局限
- 刻意简化的机器。 Hack计算机是为教学而设计的；本书不涉及流水线、高速缓存、性能测量或真实的指令集，这些是标准体系结构教材的内容。
- 软件部分要求高。 第二部分的项目（汇编器、VM翻译器、编译器和操作系统）要求读者用自选语言具备相当的编程能力，并投入大量时间；讲代码生成的第11章是全书最长的一章。
- 免费资料存在版本差异。 网站说明，部分项目页面链接的书籍章节主要来自第一版，其章节结构和标题有所不同（例如第一版第3章题为“Sequential Logic”，第二版则为“Memory”）。把免费章节与第二版结合使用的读者，需要确认自己用的是哪个版本。
在课程中的定位
对于初学者而言，本书是计算机体系结构课程中注重动手的核心。查尔斯·佩措尔德的 Code 覆盖相近的内容——从开关和门电路到一台能运行的CPU——但以叙事方式展开、没有习题；它可以作为第一部分的平缓铺垫，或在项目显得抽象时作为参照。哈里斯夫妇的 Digital Design and Computer Architecture, RISC-V Edition 把硬件部分推进得更远，引入硬件描述语言、真实的指令集和流水线处理器，是读完第1–5章后很自然的下一步。
布莱恩特和奥哈拉伦的 Computer Systems: A Programmer's Perspective 从程序员的角度审视真实机器（机器代码、存储器、链接、进程），与第二部分互为补充。亨尼西和帕特森的 Computer Architecture: A Quantitative Approach 以及沈和利帕斯蒂的 Modern Processor Design 讨论现代处理器的性能技术，需要先修计算机组成课程；应在读完本书之后再读，而不是用它们代替本书。
如何使用本书
本书适合修读计算机系统或计算机组成课程的一二年级学生、想了解高级代码之下究竟是什么的自学者，以及开设实验课程的教师。不需要电子学背景。第二部分要求读者用自选的语言编写汇编器、VM翻译器和编译器，因此需要具备某种高级语言的编程经验。
- 按顺序完成。 每个项目都依赖前一个项目。先读章节，再用提供的工具实现项目，在继续之前运行提供的测试。
- 只学硬件： 第1–6章构成一门包含六个项目、涵盖硬件和汇编器的完整课程。
- 只学软件： 第二部分可以单独学习；提供的工具和书中的规范可以代替硬件。
- 为第10–11章留足时间。 编译器是工作量最大的单项任务。
- 附录： 根据项目需要查阅。
从Nand to Tetris网站下载工具和项目文件，并严格按照项目页面的建议使用分阶段测试：先对小部件做单元测试，再测试整体。如果使用网站链接的免费第一版章节，在动手实现之前要先与第二版的规范进行对照。保留每个项目中自己编写的代码，因为后面的项目要以它为基础。