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。