コンピュータシステムの理論と実装

ハードウェア記述言語でCPUを作って、機械語を作って、その上でうごくOSを作って、テトリスを作るところまでやる

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目次

1章　ブール論理

1.1　背景

1.1.1　ブール代数

1.1.2　論理ゲート

1.1.3　実際のハードウェア構築

1.1.4　ハードウェア記述言語（HDL）

1.1.5　ハードウェアシミュレーション

1.2　仕様

1.2.1　Nandゲート

1.2.2　基本論理ゲート

1.2.3　多ビットの基本ゲート

1.2.4　多入力の基本ゲート

1.3　実装

1.4　展望

1.5　プロジェクト

2章　ブール算術

2.1　背景

2.2　仕様

2.2.1　加算器（Adder）

2.2.2　ALU（算術論理演算器）

2.3　実装

2.4　展望

2.5　プロジェクト

3章　順序回路

3.1　背景

3.2　仕様

3.2.1　D型フリップフロップ

3.2.2　レジスタ

3.2.3　メモリ

3.2.4　カウンタ

3.3　実装

3.4　展望

3.5　プロジェクト

4章　機械語

4.1　背景

4.1.1　機械

4.1.2　言語

4.1.3　コマンド

4.2　Hack機械語の仕様

4.2.1　概要

4.2.2　A命令

4.2.3　C命令

4.2.4　シンボル

4.2.5　入出力操作

4.2.6　シンタックスとファイルフォーマット

4.3　展望

4.4　プロジェクト

5章　コンピュータアーキテクチャ

5.1　背景

5.1.1　プログラム内蔵方式

5.1.2　ノイマン型アーキテクチャ

5.1.3　メモリ

5.1.4　CPU

5.1.5　レジスタ

5.1.6　入出力

5.2　Hackハードウェアのプラットフォーム仕様

5.2.1　概観

5.2.2　CPU

5.2.3　命令メモリ

5.2.4　データメモリ

5.2.5　コンピュータ

5.3　実装

5.3.1　CPU

5.3.2　メモリ

5.3.3　コンピュータ

5.4　展望

5.5　プロジェクト

6章　アセンブラ

6.1　背景

6.2　Hackアセンブリからバイナリへの変換の仕様

6.2.1　構文規約とファイルフォーマット

6.2.2　命令

6.2.3　シンボル

6.2.4　例

6.3　実装

6.3.1　Parserモジュール

6.3.2　Codeモジュール

6.3.3　シンボルを含まないプログラムのためのアセンブラ

6.3.4　SymbolTableモジュール

6.3.5　シンボルを含むプログラムのためのアセンブラ

6.4　展望

6.5　プロジェクト

7章　バーチャルマシン#1：スタック操作

7.1　背景

7.1.1　バーチャルマシンの理論的枠組み

7.1.2　スタックマシン

7.2　VM仕様（第1部）

7.2.1　概要

7.2.2　算術と論理コマンド

7.2.3　メモリアクセスコマンド

7.2.4　プログラムフローと関数呼び出しコマンド

7.2.5　Jack-VM-Hackプラットフォームにおけるプログラム要素

7.2.6　VMプログラムの例

7.3　実装

7.3.1　Hackプラットフォームの標準VMマッピング（第1部）

7.3.2　VM実装の設計案

7.3.3　プログラムの構造

7.4　展望

7.5　プロジェクト

7.5.1　実装についての提案

7.5.2　テストプログラム

7.5.3　助言

7.5.4　ツール

8章　バーチャルマシン#2：プログラム制御

8.1　背景

8.1.1　プログラムフロー

8.1.2　サブルーチン呼び出し

8.2　VM仕様（第2部）

8.2.1　プログラムフローコマンド

8.2.2　関数呼び出しコマンド

8.2.3　関数呼び出しプロトコル

8.2.4　初期化

8.3　実装

8.3.1　Hackプラットフォームの標準VMマッピング（第2部）

8.3.2　例

8.3.3　VM実装の設計案

8.4　展望

8.5　プロジェクト

8.5.1　テストプログラム

8.5.2　助言

9章　高水準言語

9.1　背景

9.1.1　例1：Hello World

9.1.2　例2：手続きプログラムと配列処理

9.1.3　例3：抽象データ型

9.1.4　例4：リンクリストの実装

9.2　Jack言語仕様

9.2.1　シンタックス要素

9.2.2　プログラム構造

9.2.3　変数

9.2.4　文

9.2.5　式

9.2.6　サブルーチン呼び出し

9.2.7　Jack標準ライブラリ

9.3　Jackアプリケーションを書く

9.4　展望

9.5　プロジェクト

9.5.1　Jackプログラムのコンパイルと実行

10章　コンパイラ#1：構文解析

10.1　背景

10.1.1　字句解析

10.1.2　文法

10.1.3　構文解析

10.2　仕様

10.2.1　Jack言語の文法

10.2.2　Jack言語のための構文解析器

10.2.3　構文解析器への入力

10.2.4　構文解析器の出力

10.3　実装

10.3.1　JackAnalyzerモジュール

10.3.2　JackTokenizerモジュール

10.3.3　CompilationEngineモジュール

10.4　展望

10.5　プロジェクト

10.5.1　テストプログラム

10.5.2　第1段階：トークナイザ

10.5.3　第2段階：パーサ

11章　コンパイラ#2：コード生成

11.1　背景

11.1.1　データ変換

11.1.2　コマンド変換

11.2　仕様

11.2.1　バーチャルマシンへの標準マッピング

11.2.2　コンパイルの例

11.3　実装

11.3.1　JackCompilerモジュール

11.3.2　JackTokenizerモジュール

11.3.3　SymbolTableモジュール

11.3.4　VMWriterモジュール

11.3.5　CompilationEngineモジュール

11.4　展望

11.5　プロジェクト

11.5.1　第1段階：シンボルテーブル

11.5.2　第2段階：コード生成

11.5.3　テストプログラム

12章　オペレーティングシステム

12.1　背景

12.1.1　数学操作

12.1.2　数字の文字列表示

12.1.3　メモリ管理

12.1.4　可変長な配列と文字列

12.1.5　入出力管理

12.1.6　グラフィック出力

12.1.7　キーボード操作

12.2　Jack OSの仕様

12.2.1　Math

12.2.2　String

12.2.3　Array

12.2.4　Output

12.2.5　Screen

12.2.6　Keyboard

12.2.7　Memory

12.2.8　Sys

12.3　実装

12.3.1　Math

12.3.2　String

12.3.3　Array

12.3.4　Output

12.3.5　Screen

12.3.6　Keyboard

12.3.7　Memory

12.3.8　Sys

12.4　展望

12.5　プロジェクト

12.5.1　テスト方法

12.5.2　OSクラスとテストプログラム

13章　さらに先へ

13.1　ハードウェアの実現

13.2　ハードウェアの改良

13.3　高水準言語

13.4　最適化

13.5　通信

付録A　ハードウェア記述言語（HDL）

A.1　例題

A.2　規則

A.3　ハードウェアシミュレータへの回路の読み込み

A.4　回路ヘッダ（インターフェイス）

A.5　回路ボディ（実装）

A.5.1　パーツ

A.5.2　ピンと接続

A.5.3　バス

A.6　ビルトイン回路

A.7　順序回路

A.7.1　クロック

A.7.2　クロック回路とピン

A.7.3　フィードバックループ

A.8　回路操作の視覚化

A.9　新しいビルトイン回路

付録B　テストスクリプト言語

B.1　ファイルフォーマットと使用方法

B.2　ハードウェアシミュレータでの回路テスト

B.2.1　例

B.2.2　データ型と変数

B.2.3　スクリプトコマンド

B.2.4　ビルトイン回路の変数とメソッド

B.2.5　最後の例

B.2.6　デフォルトスクリプト

B.3　CPUエミュレータでの機械語プログラムのテスト

B.3.1　例

B.3.2　変数

B.3.3　コマンド

B.3.4　デフォルトスクリプト

B.4　VMエミュレータでのVMプログラムのテスト

B.4.1　例

B.4.2　変数

B.4.3　コマンド

B.4.4　デフォルトスクリプト

付録C　Nand2tetris Software Suiteの使い方

C.1　ソフトウェアについて

C.2　Nand2tetrisソフトウェアツール

C.3　ソフトウェアツールの実行方法

C.4　使用方法

C.5　ソースコード

索引

コラム目次

API表記についての注意点

回路の“クロック”属性

フィードバックループの有効/無効