01 / 導讀
導讀
引用
Nisan, N., & Schocken, S. (2021). The Elements of Computing Systems: Building a Modern Computer from First Principles (2nd ed.). MIT Press.
章節概要
第二版約344頁，透過12個各自搭配一個專題的章節，帶領讀者打造一套簡單而完整的電腦系統：先是硬體平台，再是建立在其上的軟體層級。這段被稱為「從Nand到俄羅斯方塊」（Nand to Tetris）的旅程，從最基本的邏輯閘Nand出發，終點是一台能夠執行俄羅斯方塊或任何其他程式的通用電腦。根據出版社的說明，這一版經過大幅修訂：全書分為第一部「硬體」和第二部「軟體」，各含六個專題；所有章節與專題都經過改寫，強調把抽象與實作分開；並新增內容充實的附錄，集中討論技術與理論主題。所有專題都使用作者的Nand to Tetris網站上的免費軟體工具完成，包括硬體模擬器、CPU模擬器和VM模擬器，因此不需要任何實體硬體。Google Books以簡短形式列出各章標題，網站上的專題頁面則指出哪兩章談虛擬機器、哪兩章談編譯器。
第1章：Boolean Logic（布林邏輯）
以Nand閘作為唯一的基本元件，讀者組出各種基本邏輯閘（Not、And、Or、Xor、多工器與解多工器）及其16位元與多路版本，它們是之後構造CPU和RAM的積木。
第2章：Boolean Arithmetic（布林算術）
實現二進位算術的邏輯閘電路：半加器與全加器、16位元加法器與遞增器，最後是Hack電腦的算術邏輯單元（ALU）——在這一系列晶片中，它是唯一專屬於此架構的晶片。
第3章：Memory（記憶體）
邏輯閘如何隨時間保存位元，以及如何對記憶體暫存器定址。以資料正反器為基本元件，讀者依序組出1位元暫存器、16位元暫存器、由8個到16K個暫存器構成的RAM，以及程式計數器。
第4章：Machine Language（機器語言）
從程式設計師的角度描述電腦：完成後的硬體將執行的Hack機器語言及其符號化的組合語言形式。在專題中，讀者撰寫兩個低階組合語言程式（其中一個做乘法），並在提供的CPU模擬器上測試。
第5章：Computer Architecture（電腦架構）
把前幾章的ALU和RAM組裝成Hack CPU、完整的記憶體位址空間和最上層的Computer晶片：一台能執行以第4章機器語言撰寫之程式的通用電腦。
第6章：Assembler（組譯器）
第一個軟體專題：把符號化的Hack組合語言翻譯成二進位機器碼的程式。本章結束第一部；第二部「軟體」從下一頁開始，並有自己的導言。
第7–8章：Processing（處理）；Control（控制）
談虛擬機器的兩章。本書仿照Java和.NET平台，定義一種以堆疊為基礎的VM語言，並讓讀者撰寫把VM程式碼翻譯成Hack組合語言的翻譯器。第7章（專題7「VM I：堆疊運算」）涵蓋VM規格、算術與邏輯指令、針對八個記憶體區段的記憶體存取指令，以及VM對Hack平台的對應；第8章（專題8「VM II：程式控制」）把翻譯器擴充到分支與函式呼叫。
第9章：High-Level Language（高階語言）
介紹Jack，一種簡單、類似Java、以物件為基礎的語言。在對應的專題中，讀者利用Jack作業系統提供的服務，以Jack撰寫一個小遊戲或互動程式，以便在編譯它之前先熟悉這門語言。
第10–11章：Syntax Analysis（語法分析）；Code Generation（程式碼產生）
談編譯器的兩章（專題10和11，「編譯器I」和「編譯器II」）。Jack編譯器分為兩層：第7–8章打造了它的後端，這兩章則打造前端。第10章開發詞彙分析器與遵循Jack文法的剖析器，並以產生XML輸出的方式測試；第11章篇幅超過三十頁，是全書最長的一章，它加入符號表，並把剖析器改造成輸出VM程式碼的程式碼產生器。
第12章：Operating System（作業系統）
把作業系統視為填補硬體與應用軟體之間落差的一組服務。讀者以Jack本身實作Jack作業系統的八個類別（Math、Memory、Array、String、Output、Screen、Keyboard和Sys）；專題頁面指出，這會接觸到一系列應用資訊科學中的經典演算法。
第13章：More Fun to Go（樂趣還在後頭）
四頁的收尾章節。
附錄
約四十頁的附錄集中說明支撐各專題的技術與理論主題。
核心概念
第一部：硬體（第1–6章）
- Nand作為通用閘：其他所有邏輯閘，進而整台電腦，都可以由Nand閘組成。
- 組合邏輯與循序邏輯：輸出只取決於當下輸入的晶片，以及能跨時脈週期保存狀態的晶片。
- 算術邏輯單元：對二進位數計算算術與邏輯函數的晶片。
- 機器語言與儲存程式電腦：存放在記憶體中、由CPU執行的指令。
- 組譯器：把符號化組合語言翻譯成二進位機器碼的翻譯程式。
第二部：軟體（第7–13章）
- 虛擬機器：介於高階語言與機器碼之間、以堆疊為基礎的中介抽象。
- 堆疊運算與記憶體區段：VM如何在堆疊上運算並為變數定址。
- 語法分析：依照文法剖析原始碼。
- 程式碼產生：把剖析後的程式翻譯成較低階的程式碼。
- 作業系統服務：讓高階語言能存取記憶體與輸入輸出的函式庫常式。
- 抽象與實作：本版所強調的原則，即把每一層的介面與其建構方式分開規定。
評析
優點
- 由讀者親手打造的一套連貫系統。 12章各有一個專題，其成果會在後續章節中使用，因此學生體會到的是邏輯閘、CPU、組譯器、VM、編譯器和作業系統如何組合在一起，而不是在不同課程中分別學習它們。出版社列舉可透過這種方式學到的領域，包括硬體、架構、作業系統、程式語言、編譯器、資料結構與演算法，以及軟體工程。
- 免費而完整的工具。 作者網站為每個專題提供模擬器、測試腳本與比對檔；正如專題7的頁面所示，每個專題都附有精確的規格與分階段的測試。在非營利用途下，這一切都免費且開放原始碼；網站表示，Nand to Tetris課程已在400多所大學、高中與程式訓練營開設。
- 抽象與實作分離。 出版社表示，第二版的每一章都為了把抽象與實作分開而改寫；專題頁面也反映了這一點：每個專題都規定了一份契約（晶片介面、VM規格與對應、API），學生的實作必須符合它並據以測試。
- 架構彈性。 由於全書分成各含六個專題的兩部，課程可以只上硬體部分或只上軟體部分。網站也提供一份典型課程的詳細課綱，並介紹提供結業證書的付費Coursera課程。
局限
- 刻意簡化的機器。 Hack電腦是為教學而設計；本書不涉及管線化、快取記憶體、效能量測或真實的指令集，這些是標準計算機結構教科書的內容。
- 軟體部分要求高。 第二部的專題（組譯器、VM翻譯器、編譯器和作業系統）要求讀者以自選語言具備相當的程式設計能力，並投入大量時間；談程式碼產生的第11章是全書最長的一章。
- 免費資料存在版本差異。 網站說明，部分專題頁面連結的書籍章節主要來自第一版，其章節架構與標題有所不同（例如第一版第3章題為「Sequential Logic」，第二版則為「Memory」）。把免費章節與第二版搭配使用的讀者，需要確認自己用的是哪個版本。
在課程中的定位
對初學者而言，本書是計算機結構課程中注重動手的核心。查爾斯·佩措爾德的 Code 涵蓋相近的內容——從開關和邏輯閘到一顆能運作的CPU——但以敘事方式展開、沒有習題；它可以作為第一部的平緩鋪墊，或在專題顯得抽象時作為參照。哈里斯夫婦的 Digital Design and Computer Architecture, RISC-V Edition 把硬體部分推得更遠，引入硬體描述語言、真實的指令集和管線化處理器，是讀完第1–5章後很自然的下一步。
布萊恩特和歐哈拉倫的 Computer Systems: A Programmer's Perspective 從程式設計師的角度檢視真實的機器（機器碼、記憶體、連結、行程），與第二部互為補充。亨尼西和派特森的 Computer Architecture: A Quantitative Approach，以及沈和利帕斯蒂的 Modern Processor Design，討論現代處理器的效能技術，需要先修計算機組織課程；應在讀完本書之後再讀，而不是用它們取代本書。
如何使用本書
本書適合修計算機系統或計算機組織課程的一二年級學生、想了解高階程式碼底下究竟是什麼的自學者，以及開設實作課程的教師。不需要電子學背景。第二部要求讀者以自選語言撰寫組譯器、VM翻譯器和編譯器，因此需要具備某種高階語言的程式設計經驗。
- 依序完成。 每個專題都依賴前一個專題。先讀章節，再以提供的工具實作專題，並在繼續之前執行提供的測試。
- 只學硬體： 第1–6章構成一門包含六個專題、涵蓋硬體與組譯器的完整課程。
- 只學軟體： 第二部可以單獨學習；提供的工具與書中的規格可以取代硬體。
- 為第10–11章預留時間。 編譯器是工作量最大的單項任務。
- 附錄： 依專題需要查閱。
從Nand to Tetris網站下載工具與專題檔案，並嚴格依照專題頁面的建議使用分階段測試：先對小元件做單元測試，再測試整體。若使用網站連結的免費第一版章節，動手實作之前要先與第二版的規格對照。保留每個專題中自己撰寫的程式碼，因為後面的專題要以它為基礎。