26、P1 W4 U4.5 HACK的输入输出设备

视频:
如果本次课程对应的 Coursera 的视频打不开,可以点击下面链接
P1W4U4.5 - Input/Output

软件:
全课程所需软件项目包官方下载:
https://www.nand2tetris.org/software
备了一份软件项目包放在CSDN了,版本2.6支持Mac、Linux、Windows:
https://download.csdn.net/download/shazizm/11268147

回顾:之前的课程详细说明了下图绿色部分。

外设:Hack小电脑还有两个外部设备。
一个显示器 (Output 输出设备,显示数据给用户)
一个键盘(Input 输入设备,获取用户数据)

外设还可以有很多,不过本课程的Hack就用这两个。


回顾 与 外设

如果写过高级语言,例如 java 或者 python,它们都会提供很多库,来供用户操作控制各种外设。(这一部分,事实是我们要在 Part2 的课程里讲解)

但是我们现在基本就是在计算机的最底层,我们只有“位”来用。。。
(这一部分,就是Part1 现在要讲解的。)

高级库 与 位操作

那么如何来操作呢,先说显示器吧。

显示器

其实就是有 一行行和一列列的像素组成的。

于是可以在RAM里面,指定一个区域的存储(例如 下图中 Screen Memory map 黄色部分),让每一个此区域的一个位,都对应一个显示器的像素。

然后在每秒內,显示器都会去读取好几次这一区域的每“位”的值(例如1 是黑,0是白)

然后让显示器的像素对应显示。

Screen Memory map 屏幕像素 与 存储 映射

那么是如何具体映射的呢。

假设 Hack小电脑 有一个 256 行,512列 的黑白显示器。如下图右上角。

那么就用RAM里一段8K的存储区域来映射。

为什么是 8K呢? 8k = 8192 个寄存器
8192 x 16 位 = 131072个“位”。
显示器是 256行 x 512列 = 131072个像素。
完美对应。

另外可以看出每32 个寄存器(32x16=512个“位”),就对应 显示器的一行(512个像素)

那么我们如何选取指定位置的像素用来读或写呢?

注意:因为寄存器是16位的,每次读或写,都是16位一起操作的。所以第一步是找到需要修改的 像素 对应 8k(8192)中的 第几个寄存器。

例如要修改 第row行,的第col列的像素。

第一步: 对应8k里的第几个寄存器 = 32xrow + col/16
注:col/16 是取结果 的整数部分,假如col等于9,col/16 为 0。
注:col%16 是取结果 的余数部分,假如col等于9,col%16 为 9。

这里如图有一个概念,需要说明,因为显示器的存储映射也是在RAM里的。
所以还要加上显示映射区域的起始地址,例如图中显示是 16384。

所以我们要找的 row行 ,col列的像素。在RAM里就是

RAM的第几个寄存器 = 16384 + 32xrow + col/16

第二步: 取出这RAM的寄存器后,修改对应“位”(col%16)
第三步:把修改后的16位值,在写回找出的寄存器。

第一步 和 第三步 的操作 就是之前课程讲过的 存储器访问操作

课程视频里有一段视频演示
从 13分20 到 18分02

加载 tools/builtInChips/Screen.hdl

下图演示了,修改屏幕第3行 前16位 全为1(-1的二进制就是 1111 1111 1111 1111)

于是黄箭头指的就是 第三行前16位像素全置1的样子。

96 = 3(第3行)乘 32(32位/行),load = 1 是寄存器 写操作。

键盘

键盘原理就和屏幕其实是一样的了。

区别是,键盘只需要 一个寄存器就可以满足映射需求了。如下图

键盘存储映射 (keyboard memory map)

工作原理大概如下图:

当点击K建时,有一个提前规定好的Code,比如75,就会通过键盘的数据线传入 计算机映射到那个键盘寄存器。

当没有按下的任何建的时候,就是 0000xxx。


这个Code其实是方便人类看的,电脑看到的是对应的二进制数,便知道我们按下了哪个对应的键

那么在Hack小电脑里,老师替我们提前规定好的对照表如下:

键盘上每一个键对应一个Code。

这个Code的二进制形式,就是键盘存储映射寄存器里的内容。

没有键盘按下的时候,Code就是0

这样电脑只要探知某时刻键盘映射寄存器的值。就知道我们按下了什么键。

和屏幕映射存储区一样,当然都是老师提前设计好的,键盘映射寄存器,在整个RAM里也有一个门牌号。

键盘映射寄存器 老师设计在 RAM[24576]。

屏幕映射存储区的起始在 RAM[16384] ,往后的 8K个寄存器都是屏幕映射存储区。

课程视频里有一段视频演示
从 23分10 到 26分15

加载 tools/builtInChips/Keyboard.hdl

注意:要点一下右侧 的 键盘图表,使之激活(按钮外围有蓝框显示)。

然后按住例如"g",这时 out 就显示了 71

松手就恢复了 0

键盘 keyboard

这节课 讲了 屏幕 和 键盘 两个外设,如何通过 映射存储区域的方法 与 Hack小电脑交互。

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