Nous commencerons par une brève introduction à l'algèbre de Boole et nous apprendrons comment les fonctions booléennes peuvent être physiquement mises en œuvre à l'aide de portes logiques. Nous apprendrons ensuite à spécifier des portes et des puces à l'aide d'un langage de description de matériel (HDL) et à simuler le comportement des spécifications de la puce résultante à l'aide d'un simulateur de matériel. Ce contexte préparera le terrain pour le projet 1, dans lequel vous construirez, simulerez et testerez 15 portes logiques élémentaires. Le jeu de puces que vous construirez dans ce module sera ensuite utilisé pour construire l'unité arithmétique et logique (UAL) et le système de mémoire de l'ordinateur. Cela se fera respectivement dans les modules 2 et 3.

Informations générales sur les cours

En utilisant le jeu de puces que nous avons construit dans le module précédent, nous allons maintenant construire une famille d'additionneurs -- des puces conçues pour additionner des nombres. Nous ferons ensuite un grand pas en avant et construirons une unité arithmétique et logique (ALU). L'UAL, qui est conçue pour effectuer toute une série d'opérations arithmétiques et logiques, est le cerveau de calcul de l'ordinateur. Plus tard dans le cours, nous utiliserons cette UAL comme pièce maîtresse à partir de laquelle nous construirons l'unité centrale de traitement de l'ordinateur, ou CPU. Comme toutes ces puces fonctionnent avec des nombres binaires (0 et 1), nous commencerons ce module par un aperçu général de l'arithmétique binaire, puis nous nous pencherons sur la construction de l'UAL.

Après avoir construit l'UAL de l'ordinateur, ce module porte sur la construction de l'unité de mémoire principale de l'ordinateur, également connue sous le nom de mémoire vive, ou RAM. Cela se fera progressivement, en allant de bas en haut, des portes de bascule élémentaires aux registres d'un bit, puis aux registres de n bits et enfin à une famille de puces RAM. Contrairement aux puces de traitement de l'ordinateur, qui sont basées sur la logique combinatoire, la logique de la mémoire de l'ordinateur nécessite une logique séquentielle basée sur l'horloge. Nous commencerons par un aperçu de ce contexte théorique, puis nous passerons à la construction de notre chipset de mémoire.

Un aspect essentiel de la construction d'un nouveau système informatique est la conception du langage machine de bas niveau, ou jeu d'instructions, avec lequel l'ordinateur peut être chargé d'effectuer diverses tâches. Il s'avère que cela peut être fait avant que l'ordinateur lui-même ne soit construit. Par exemple, nous pouvons écrire un programme Java qui émule l'ordinateur à construire, puis l'utiliser pour émuler l'exécution de programmes écrits dans le nouveau langage machine. De telles expériences peuvent nous donner une bonne appréciation de l'aspect et de la convivialité du nouvel ordinateur, et conduire à des décisions qui pourraient bien modifier et améliorer à la fois la conception du matériel et du langage. En adoptant une approche similaire, dans ce module, nous supposons que l'ordinateur Hack et le langage machine ont été construits, et nous écrivons quelques programmes de bas niveau en utilisant le langage machine Hack. Nous utiliserons ensuite un émulateur de CPU fourni (un programme informatique) pour tester et exécuter nos programmes. Cette expérience vous donnera un avant-goût de la programmation de bas niveau, ainsi qu'une solide vue d'ensemble pratique de la plate-forme informatique Hack.

Récapitulons les quatre derniers modules : nous avons construit des portes logiques élémentaires (module 1), puis nous les avons utilisées pour construire une UAL (module 2) et une RAM (module 3). Nous avons ensuite joué avec la programmation de bas niveau (module 4), en supposant que l'ordinateur dans son ensemble soit réellement disponible. Dans ce module, nous assemblons tous ces blocs de construction en un ordinateur 16 bits à usage général appelé Hack. Nous commencerons par construire l'unité centrale de traitement (UC) de Hack, puis nous intégrerons l'UC à la RAM, créant ainsi un système informatique complet capable d'exécuter des programmes écrits dans le langage machine de Hack.

Chaque ordinateur dispose d'un langage machine binaire, dans lequel les instructions sont écrites sous forme de séries de 0 et de 1, et d'un langage machine symbolique, également connu sous le nom de langage d'assemblage, dans lequel les instructions sont exprimées à l'aide de moyens mnémotechniques conviviaux. Les deux langages font exactement la même chose et sont totalement équivalents. Mais il est beaucoup plus facile et plus sûr d'écrire des programmes en langage assembleur qu'en langage binaire. Pour profiter de ce luxe, quelqu'un doit traduire nos programmes symboliques en code binaire qui peut s'exécuter tel quel sur l'ordinateur cible. Ce service de traduction est assuré par un agent appelé assembleur. L'assembleur peut être soit une personne qui effectue la traduction manuellement, soit un programme informatique qui automatise le processus. Dans ce module et dans le projet final du cours, nous apprenons à construire un assembleur. En particulier, nous développerons la capacité de traduire des programmes Hack symboliques en code binaire qui peut être exécuté tel quel sur la plateforme Hack. Chacun d'entre vous peut choisir d'accomplir cet exploit de deux manières différentes : vous pouvez soit implémenter un assembleur en utilisant un langage de haut niveau, soit simuler le fonctionnement de l'assembleur à l'aide d'un papier et d'un crayon. Dans les deux cas, nous vous donnons des indications détaillées sur la manière de réaliser votre travail.