29、P1 W4 U4.8 HACK编程3（待深入）

2019-08-10 本文已影响0人 shazizm

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
P1W4U4.8 - Hack Programming part 3

上节课，我们学会了判断语句，变量使用，循环判断。
这节课，讲指针和输入输出

一、指针 Pointer

如下图：

注：for 循环：是编程里最常用的一种类似上节课最后的循环判断。
意思就是，设 i = 0，当i < n 时，执行{}里语句（此时i=0），最后 i + 1。然后在去判断 i + 1 后，是否 < n , 如果依然小于n，再去执行{}里语句（此时 i=i+1）。直到大于等于n时，循环退出。

这个循环判断不是重点（我假设你学过计算机简单的编程，如果不明白，搜索学习一下for循环吧），根据上节课学习的，琢磨一下可以写出来。

重点是 arr[i]，编过程序的知道这是一个数组，也听说过数组的变量名（arr）代表的就是指针。

那么从最底层的语言，来看看这个指针（下图的arr）是什么工作的。

用指针实现一个任务

如下图：老师设计了一个任务来讲解指针的使用。
任务是将RAM[100]开始往后10个寄存器，都设置成-1。当然我们是通过用指针的方式实现。

首先

1.初始化Pointer指针

初始化分别实现3步：

// 伪代码 
arr = 100 
n = 10 
i = 0
// 为什么是这三个，去看for循环的完整语句，这3个是for循环里重要的三个变量

也就是如上图里
RAM[16] 写入 100，RAM[17] 写入 10，RAM[18] 写入 0。
（为什么是16、17、18，第六周做汇编器的时候就知道了，总之就是汇编器这么设计的，当然我们写代码时不用关心，这是汇编器自动分配的。）

对应HACK的汇编语言如下：

// 初始化Pointer指针

// 第1步：arr = 100
@100 //将A寄存器 放入100
D=A 
@arr //声明一个arr 变量，并将M寄存器对应此变量。
M=D //将D里的100 赋值给arr对应的M寄存器

// 第2步：n = 10
@10
D=A
@n
M=D

// 第3步：i = 0
@i
M=0

解释：把100存入RAM[arr]。中间用D寄存器传递了一下数值100，另外@arr是汇编器从RAM第16个开始找到的空闲寄存器的“门牌号”，图里就是16，也就是给 RAM[16] 写入100。

初始化变量

2.写循环代码

这里老师也让停下来。最好自己把最终代码想出来，在和下图左边对比一下。

这里唯一值得注意的是。在之前我们只用 @value 对 A寄存器操作过。从没有直接像下图里红色 A = D + M 这样操作过。

(LOOP)
  // 判断 i 是否已循环 n 次
  @i
  D=M
  @n
  D=D-M
  @END
  D;JEQ //如果判读i-n=0，那么就跳转到END结束for循环。

  // 执行循环操作（ 赋值 -1）
  @arr
  D=M
  @i
  A=D+M  //如果你看A寄存器被放左边这么使用，那通常就是在做指针操作。
  //上面4行就是在用指针操作来确定要被赋值的M
  M=-1 //执行赋值-1

  // 记录循环次数 （ i 加 1）  
  @i
  M=M+1

  @LOOP
  0;JMP //无条件跳转

(END) //程序结束
  @END
  0;JMP

注：在接下来访问输入输出设备时，就会经常用到指针。

最终代码

二、输入输出 Input/Output

之前讲过 I/O设备的存储映射，如果忘了，回顾U4.6

下图给出了 Hack小电脑实际的映射图，当然由老师提前架构设计好的。

图中可以看出，HACK的RAM里一开始是 16k个寄存器，应该是数据存储区。
然后紧跟着 8k个寄存器的屏幕映射区，然后是1个寄存器的键盘映射。

之前U4.6也提到了，有两个“别名”，方便使用：

SCREEN = 16384
KBD = 24576

在汇编器预处理时，会把“别名”分别转换成这两个数。

HACK小电脑RAM 的功能区域划分

1.屏幕 Screen

1.1 屏幕定义：
256 行，每行由 32个寄存器代表。
512 列，
左上角为 0行0列。

1.2 设置一个任务：
写一个程序，加载到CPU Emulator，程序操作屏幕映射存取区，使对应屏幕里显示一个矩形（矩形长边 50像素，短边16像素）。

1.3 任务提示：
画这个矩形就是把，前50行的第一个寄存器全部设为 -1（-1的二进制等于16个1）

U4.5 对屏幕操作有详细说明

1.4 任务演示：

课程视频里有一段写好的代码，演示如何画出矩形，之后在详细说明代码。
从12分10 到 18分55

代码，加载后会在ROM窗口显示，代码不会完全一样，因为已经被预处理了。也就是那些帮助我们写代码的“别名”都变成数字了。这一步CPUEmulator，提前帮我们预处理了，另外也可以切换显示二进制的机器码。

如下图红色箭头标注

之后在做汇编器Assembler时，都会一步一步实现现在CPUEmulator帮我们先做好的这些预处理和编译的工作

然后点击一步步执行，大概到 20行的时候，就会发现屏幕区域在第一行最左侧画出一个 16 像素的横线。

一步步执行

点击下图两个红圈处，自动快速动画执行全部代码，直到画完全部矩形。

自动快速执行

还有一种更快的办法，瞬间完成。如下图设置

无动画瞬间完成

那么看过演示实际的运行规律，分析一下代码如何写。

在写汇编程序时，老师建议的最佳实践，是先写出伪代码。如图下图左侧是伪代码。

1.5 代码分析：

（指针）初始化设置：
addr ：SCREEN在RAM里的启示“门牌号”
n：要画的长方形多高（多少行），需要在CPUEmulator执行前，自行在RAM区域设置。

循环执行：
然后每行都把第一个寄存器设置成 -1 也就是二级制的16个1。
然后 addr 加 32，找到第二行第一个寄存器，同样设置成 -1。
直到循环 n 次，最红画完长方形。

上图是伪代码。是为了自己在脑子里验证逻辑是否正确。然后人脑翻译成可运行的程序写出来。一种辅助思考的手段，伪代码可读性更高。但实际上并不能在任何地方执行。就跟写文章，先打个草稿一个意思

最终把伪代码用人工脑力转成汇编语言，如下图：

红色高亮处体现了指针的作用。具体代码就不分析了。文章开始指针处已经讲过了

画长方形的汇编程序（左侧是指针初始化部分）（右侧是循环部分）

2.键盘 Keyboard

接下来看一下输入设备键盘，键盘映射的就是一个单个寄存器。

RAM中 “门牌号”为 24576 的寄存器，有个“别名” KBD方便我们使用这个数。

当键盘没有按下时，这个键盘映射的寄存器，就是0

如果当按住一个键比如 k，那么对应键盘映射的寄存器就会显示一个对应这个键的值，图中是75。

这个键和值的对应表在U4.5里也有给出。

那么某时刻要想知道键盘的输入，就是对这个KBD寄存器进行读操作。

键盘讲的不多，下节课作业有一个相关的，再去实践代码吧。

这里我有两个疑问，一个是物理上，键盘和映射的寄存器如何实现联动？一个是键和值的对应表，在哪里物理实现的？也许后面两周会说明。

最后题外话：

三、编译 compilation

HACK的汇编程序，是一种低级语言，对应有高级语言，比如java。

高级语言就像上面的伪代码，可读性更高。

如果发明出一个高级语言，再做出对应的编译器（compiler）。

这样理论上，我们就只用写可读性更高的高级语言（就像我们写伪代码那么容易），然后由对应的编译器，来帮助我们翻译成低级语言，例如汇编语言，当然，再然后才是汇编器（assembler），翻译成机器语言（0101xxx）

关于编译器和对应Hack汇编语言的 Hack高级语言，是在nand2tetris的Part2 软件部分讲授

高级语言 => 编译器 => 汇编语言

最后老师赞扬了一下机器语言。

虽然低级。但却由很简单的东西组成。例如只有A和C两种指令。

（待深入）

这两种指令我随便想了想，很大部分由ALU决定。而ALU又是只用一个加法操作和与非门自带的逻辑运算组成（好像还有时序 => 时间），加法器也是一个逻辑单元，所有的又都可以用一种“与非门”组成，与非门再抽象是什么？逻辑？，目前抽象总结是时间和逻辑，想想真奇妙。

the simple-minded people are impressed by sophisticated things. the sophisticated people are impressed by simple things.