27、P1 W4 U4.6 HACK编程1

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
P1W4U4.6 - Hack Programming part 1

到此,本周课程介绍完 Hack 的 最底层 语言(程序、指令)。

接下来三节课(U4.6、U4.7、U4.8),用Hack语言写点东西。

在开始前,回顾一下Hack电脑的 两种指令(A指令 、C指令)

A-指令:
@value
解释:把value存入A寄存器。(value可以是常数,也可以是指向常数的变量)

C-指令:
如下图,由三部分组成 dest 、 comp 、 jump,每部分可以使用的情况如下图蓝框內。(dest、jump是可选的功能,可以没有)。

三种部分组合,可以实现三种大体的功能:

comp计算功能
dest存储结果功能
jump判断跳转功能

详细使用请看上节课,此表写码时还是经常要看的

上节还提到我们编写的这种符号表示的汇编语言是需要一个 汇编器 (assembler)来翻译成0101xxx。

这个Hack 专用 的 汇编器,会在第六周的时候实现。

那么第六周之前,我们怎么办呢?

汇编器 Assembler

这里老师提供的另一个工具 CPU 仿真器( Emulator)

下图右侧,它可以加载 我们写的汇编语言(.asm),执行并调试。

CPU Emulator CPU 仿真器 。跟之前的硬件模拟器放在一个目录里nand2tetris/tools/CPUEmulator.xxx,Mac、Linux用户找到CPUEmulator.sh运行。Windows用户双击CPUEmulator.bin

回顾完之前的内容。
在正式开始这几课前,老师说了接下来三节课的规划。

像其它任何编程语言一样。都会涉及:

寄存器和存储操作(U4.6)
判断、变量、循环(U4.7)
指针、输入输出(I/O)(U4.8)

所以规划如下图


第四周内容有点多啊

如上图:
这节课就是操作 寄存器 和 存储器

如下图之前也见过(U4.3有详细说明),需要操作的三种寄存器就是:

D 寄存器(数据寄存器)
A 寄存器(地址寄存器。也能当D 寄存器用)
M 寄存器(操作M寄存器,就是操作 对应 存储器RAM[A])

D 、 A 、 M

如下图,自己对照问题练习下
// D = 10 ,把10存入A寄存器,再从A寄存器 存入 D寄存器

// D++,把D寄存器加1

// D=RAM[17],选中RAM里17号寄存器,把其内容 存入 D寄存器

// RAM[17]=0,选中RAM里17号寄存器,存入 0

// RAM[17]=10,先把10存入A寄存器,再从A寄存器 存入 D寄存器。再通过A寄存器 选中RAM[17]。再把D寄存器存入 M寄存器(M此时等于RAM[17])

// RAM[5] = RAM[3],通过A寄存器 选中RAM[5],再把M寄存器存入 D寄存器(M此时等于RAM[5])。再通过A寄存器 选中RAM[3],再把D寄存器存入 M寄存器(M此时等于RAM[3])

是不是都忘了,做几个练习回顾下。


难点备注:@value 设置 A寄存器,M寄存器 对应 RAM[A]

接下来,我们写一个程序,如下图左侧,然后演示一下CPU Emulator


打开一个编辑器或者txt,写好右边的代码。

课程视频里有一段 CPU Emulator 的 视频演示
从 10分30 到 15分30

自己写了一个demo.asm。用CPU Emulator 加载。
做RAM里两寄存器(RAM[0]、RAM[1]) 相加在存回RAM另一个寄存器(RAM[2])

RAM[0]、RAM[1] 初始值,我分别输入的 5 和 14。

点击一步步执行,分别查看各个硬件状态来观察运行机制。

M寄存器 对应 RAM 里 黄色选中的寄存器

当然如果点击“一直执行”,程序并不会停在第6行结束,而是不受控的一直往下执行。

这里老师讲了一些潜在的风险,以及黑客如何利用这个来进行攻击。

避免这种情况。只需添加一个简单的无限循环就可以了。如下图

//设置 A为6(上面程序总共有6行指令)
@6 

// 无条件跳转到ROM[A],也就是第六行,于是重复执行。
0;JMP 
最佳实践,避免崩溃

在之后的写代码中,会引入一些帮助写码的人方便记忆的方式。(我叫它“别名”)

Hack小电脑在老师设计的时候提供了 16个 “别名”。老师管这个16 个 R0~R15,叫虚拟寄存器

如果在汇编语言里写 R0,在经过汇编器 的时候就给还原成 0
(可预见在第六周的写汇编器时,一定会对此做一个处理。)

如下图:
仔细对比, 右边 的 可读性 更高,更好理解。

R0的 R 是大小写区分的,写r0是不对的

除了上面 16个 便于记忆的“别名”。实际上老师还为Hack设计了如下这些“别名”。

主要新增两个:

SCREEN => 16384

KBD => 24576

分别对应U4.5里讲到的 输入输出设备对应的存储区域的起始“门牌号”。

另外还有六个“别名”,在Part1硬件课程里不会用到,之后Part2软件课程里会用到,这里没有说明。
SP
LCL
ARG
THIS
THAT

R0~R15、SP、LCL、ARG、THIS、THAT、SCREEN、KBD

这节课讲了 对 寄存器 和 存储 如何编程。
下节课来讲 如何 写 判断、变量、循环。

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