Nand to Tetris - 3

背景

在第一章中，构建了逻辑门，第二章中构建了芯片，也就是ALU这个可以计算的单元。在第三章，将会构建电脑的存储系统。

为什么需要时间的概念

之前构建所运用的逻辑是，芯片的输入是固定不变的，芯片的输出是基于当前输入的函数，也就是不随时间变化的。而最终软件上想要实现的功能，一个是记住某个变量以便将来使用，另一个是能够序列地执行任务。

而在硬件中，不管是传播数据还是计算，都消耗时间。在一个时间周期内，刚开始输入的电信号都在波动中，没有稳定下来，而我们需要等待信号稳定再做下一步操作。

时间的概念可以保证数据以一个可控/有序/按步骤的方式被处理。

记忆功能

记忆就是把信息存储起来将来使用的功能。“记住”的意思是，先将17放到x变量中储存，之后每次取值都是17。也就是所设计的芯片，要实现能保持状态和改变状态的功能。

时间的表示

时间周期，设置成比传输/计算所需要的时间延误略大，这样就可以保证最后的结果是最终的稳定数据，而不是在传输/计算没有完成时期的不准确的数据。我们想要达到的效果就是每个时间间隔，状态可以从0马上变成1。

时钟，利用石英晶体稳定的震荡性来控制频率。给电脑提供一个时钟信号，可以控制计算和传输数据的时间，速度，顺序。

寄存器

寄存器是如何实现读写功能的？

• 当load=1，寄存器执行加载的动作，意思是要加载当前的输入作为新数据，作为下一个时间段的输出。
• 写入新的值之后，将load设置为0，这时候输出保持不变，寄存器只是存储数据。
  

1位寄存器和16位寄存器

• 1位寄存器储存1或者0作为1 bit，多位寄存器可以同时加载存储多位数据（16/32）。寄存器的输出位数和能存储的数据规格一致，1位寄存器输出就是1位。

为什么时钟概念重要

• 定义另什么时候加载数据，什么时候保持不变
• 将现在的输入与将来的输出区分开

RAM

最简单的电脑hack中，RAM是由n个16位寄存器组成，每个寄存器都有地址。

如何获取数据？

• 因为用多个寄存器来存储读取数据，所以使用地址输入来挑出想要使用哪一个寄存器。例如address = i
• load = 1，输入的数据存储到选择的寄存器RAM[i]中
• load = 0，RAM[i]保持现在的值

为什么叫做Random Access Memory

• 无论RAM有多少个寄存器，如果指定了一个地址，都可以立即访问到指定地址的寄存器，不需要从头到尾顺序查找。

计数器

计数器，CPU里面一个专门的寄存器，Program Counter。

计算机需要知道取出哪个指令，接下来执行哪个指令。PC用来存储下一条指令的地址。在之前的寄存器基础上，计数器就是多了一个reset和increment的功能。也就是可以直接输出0，也可以每次渐增读取下一个地址。

DFF

DFF是一个最基础的sequential gate，输出上一个时间段段输入。

通过DFF如何实现寄存器的加载/存储功能？

• MUX可以从两种输入中选一个输出
• load = 0，将DFF的输出作为MUX的输入，out不变，就可以实现上一个时间段的输出作为下一个时间段输出的存储功能
• load = 1， DFF输出in的值
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这样得到寄存器之后，我们通过地址输入将多个多位寄存器结合起来，就是RAM。

如何实现RAM的读写功能？

• 多个寄存器的输出可以通过MUX进行一个1 to n的转换
• 多个寄存器的输入可以通过DMUX进行n to 1的转换

为什么可以实现直接访问？

• 存储的行为是基于时序性逻辑
• 寻址的行为是通过MUX/DMUX实现，是基于组合逻辑

如果想得到一个RAM16k（16384），地址输入需要几位？

• $\log_{2}16384 = 14$

如何从DFF得到RAM

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如何从RAM得到RAM8，RAM16…？

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