“Make everything as simple as possible, but no simpler.” – Albert Einstein

文中提到的所有实现都可以参考：nand2tetris_sol，但是最好还是自己学习课程实现一遍，理解更深刻。

之前的文章里我们介绍了 Register、PC、RAM 和 ALU，这节课我们来介绍如何把这些芯片组合起来成一个 CPU 和一个能运行上篇文章介绍的汇编语言的电脑 —— Hacker。

我们来看一看 Hacker 的架构。

总线

上图里的各个模块通过总线连接起来，什么是总线呢，看下图：

总线就是把数据、地址、程序在各个模块之间传递的“公交车”（buses）总线的英文太形象了，01010101 就是车上的“人”。

Fetch-Excute Cycle

那么 CPU 干了什么事呢，就是不断执行 fetch-excute cycle 的循环，fetch 阶段去获取指令，excute 阶段去执行指令。比如现代电脑的开机，打开开机键后执行 fetch 阶段，获取操作系统程序的地址，然后 excute 第一行指令后，再去 fetch 第二行指令，如此往复，直到开机成功。

上篇文章我们知道 A 指令可以同时访问 RAM[A] 和 ROM[A]，把指令和数据放在不同的 Memory 里，那么我们可不可以把他们放在同一个 Memory 里，然后根据需要把 RAM[A] 解释成数据或者指令。当然可以，第一种是空间换时间的方法（Harvard architecture），第二种是时间换空间的方法，所以这两种方法的优缺点很明显。我们来看看这两种不同的 Fetch-Excute Cycle：

课程里选择了 single cycle，two-memory machine 这种实现，接下来我们继续来看 Hacker 里各个模块的实现。

CPU

CPU 的作用是读取指令，执行指令，读取数据，写入数据。我们可以对应着看上面两张图，「inM、outM、writeM（bool）、addressM」对应着「write、read、address(data memory)」，「instruction、pc」对应着「insturction、address(instruction memory)」， reset 的作用就是相当于重启按钮。接下来我们来看看具体实现。

这里出现的都是之前文章里提到过的元器件，接下来我们逐一解释这些元器件是如何实现上述的 CPU 的。图中，“c”表示“控制位”，控制位来自指令；他们告诉各种芯片部件该做什么。

A 指令的实现很简单，看下图：

我们来看 C 指令的实现：

和 A 指令一样，C 指令的最高位决定第一个 Mux16 的输入：

acccccc 用来决定的 cccccc ALU 的 zx nx zy ny f no 的引脚。a 来决定输入 ALU 的是 A 还是 M。

ddd 用来决定 ALU 的输出是否保存到相应的位置：

jjj 用来决定执行哪一条指令：

这里 jjj 可以通过 f(zr, ng) 来获得。PC 的输出就是下一条要执行指令的地址。这里一个可以执行汇编程序的 CPU 就实现了，我只想说，太优雅了！！！

接下来我们把剩余的模块和 CPU 连接起来组成 Hacker。

Data Memory

这里用到了我们之前实现的 RAM16K，屏幕是 RAM8K 连接着显示屏。（为了简便，Keyboard 和 Screen 都是内置的模块，直接调用即可）。

Instruction Memory

/** Read-Only memory (ROM),
acts as the Hack computer instruction memory. */
CHIP ROM32K {
  IN address[15];
  OUT out[16];
  BUILTIN ROM32K;
}

Instruction Memory 也是内置的模块，和 RAM32K 的唯一区别就是 ROM32K 是只读的，所以每次载入新程序，相当于把之前的程序删除掉，再载入新程序。就和单片机下载程序一样。

Hacker

到这里 Hacker 就实现完成了，下篇文章会介绍如何实现汇编器。

缓存

最后解释下 Hacker 没有外接存储设备，也没有多级缓存的原因。