Le MOOC

MOOC de l'université de Jerusalem From Nand to Tetris Explique comment fonctionne un ordinateur Part au niveau micro-electronique et finissant à l'OS

Aucun prérequis, à part logique de base (AND/OR/NOT) Part de la porte NAND -> systèmes plus complexe jusqu'à CPU et mémoire

Portes logiques basiques

• NOT
• AND
• OR
• XOR

Multiplexer (MUX): a AND NOT sel OR b AND sel Demultiplexer (DMux)

Portes logiques multi-bits

• Not 8bits: 8 inputs, 8 out
• Or 8bits: 16 inputs(8*a, 8*b), 8 out: out[N] = a[N] OR b[N]
• And 8bits: 16 inputs(8*a, 8*b), 8 out
• Mux 8 bits: 16 inputs(8*a, 8*b) + 1 selector, 8 out

Portes logiques multi-ways

• Or 8way: 8 inputs, 1 out. Out=1 si au moins 1 input == 1
• And 8way: 8 inputs, 1 out. Out=1 si tout input == 1
• 4Way Mux: 4*16 inputs + 2 selector, 16 out

sel[1]  sel[0]  ||  out
-----------------------
0         0     ||  a
0         1     ||  b
1         0     ||  c
1         1     ||  d

• 4Way DMux: 16 inputs + 2 selector, 16*4 out

sel[1]  sel[0]  ||  a  b  c  d
-----------------------
0         0     ||  in 0  0  0
0         1     ||  0  in 0  0
1         0     ||  0  0  in 0
1         1     ||  0  0  0  in

Puces plus complexes

Adder: puce additionnant n bits (problème du overflow)

ALU (Arithmetic Logical Unit): pouvoir faire addition, multiplication, ...

• 2 n-bits inputs
• 1 n-bits output
• quelques bits pour controller la fonction à utiliser sur les 2 inputs
  • zx/zy: force x/y à 0
  • nx/ny: force x/y à not x/not y
  • f: choisi si out = x+y / x&y
  • no: force out = not out
• quelques bits de contrôle sur le résultat (résultat 0, résultat négatif)

Mémoire

Data Flip-Flop, 2e (et dernière) brique de base: out(t) = in(t-1) Basé sur une clock unique (CPU à 3GHz)

Binary cell (Bit): avec un Mux on dit: quand sel=1 -> on enregistre data, sinon on continue à donner la même data Registre: n-bits Bit

RAM

/*

• 16bits input
• load bit flag
• adress (log2(n) bits)
• 16bits output

=> out(t) = RAMadress(t) => if load(t-1): RAMaddress(t-1) = in(t-1) */

Résultat mémoire

On se retrouve avec 2 principales mémoires:

• les registres: peu nombreux (~15aine), mémoire de travail du processeur, facilement accessible
• la RAM: large mémoire (ici ~16k), mais plus complexe d'accès, et en vrai plus lente
  • data: une partie réserver pour stocker des données arbitraire
  • program: une partie pour stocker les instructions du programme à exec

Assembler

Un programme est une liste d'instruction bas-niveau:

• arithmetique/logique: ADD R2, R1, R3 (enregistre en R2 R1+R3), AND, ...
• Accès mémoire
  • LOAD R1, 67 (registre R1 = contenu de la mémoire à l'adresse 67)
  • LOADI R1, 67 (registre R1 = 67)
  • accès indirect (pointeur)
• Contrôle: jump conditionnel ou non

Instructions

Langage binaire du CPU. 16bits

• 1: instruction sinon valeure
• 2-3: non utilisé
• 4-10: code de l'instruction
• 11-13: registre de destination
• 14-16: jump

I/O

Pour gérer les accès aux I/O (écran, clavier, ...), on définit certaines parti de la mémoire comme étant des représentations de ce périphérique (exemple pixel écran, ou code touche clavier)

CPU

Il ne reste plus qu'à assembler tout ça pour avoir un ordinateur très basique. On précharge la partie program de la RAM avec ce qu'on veut exécuter et on peut démarrer l'execution

Pour plus d'info

• TED Talk
• Nand2Tetris website