การเดินทางจากวงจรลอจิกพื้นฐานไปสู่คอมพิวเตอร์ที่สามารถเล่นเกม Tetris ได้ ได้จุดประกายความสนใจให้กับนักพัฒนาและผู้ที่หลงใหลในคอมพิวเตอร์ โครงการ NandToTetris ที่แสดงวิธีการสร้างระบบคอมพิวเตอร์ตั้งแต่เริ่มต้น กำลังสร้างการถกเถียงที่สำคัญในชุมชนนักพัฒนาเกี่ยวกับคุณค่าทางการศึกษาและแนวทางปฏิบัติในการทำความเข้าใจสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์
ลำดับชั้นขององค์ประกอบโครงการ:
- วงจรลอจิก ( NAND, NOT, OR, AND )
- ชิป
- หน่วยความจำ ( RAM )
- หน่วยประมวลผลกลาง ( CPU )
- คอมพิวเตอร์
- ตัวแปลภาษาแอสเซมบลี ( Assembler )
- ตัวแปลภาษาคอมไพเลอร์ ( Compiler )
- ระบบปฏิบัติการ
- แอปพลิเคชัน (เช่น เกม Tetris )
จาก NAND สู่การประมวลผลที่ซับซ้อน
โครงการนี้เริ่มต้นด้วยวงจร NAND เพียงตัวเดียวที่พัฒนาด้วยภาษา C และค่อยๆ พัฒนาสู่ส่วนประกอบที่ซับซ้อนมากขึ้น สิ่งที่ทำให้แนวทางนี้มีเอกลักษณ์คือวิธีการสร้างจากล่างขึ้นบนอย่างบริสุทธิ์ ไม่ต้องพึ่งพาส่วนประกอบภายนอก และช่วยให้นักพัฒนาเข้าใจแต่ละชั้นของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์อย่างลึกซึ้ง สมาชิกในชุมชนได้นำโครงการนี้ไปพัฒนาในภาษาโปรแกรมต่างๆ โดยนักพัฒนาคนหนึ่งถึงกับขยายผลไปถึงการสร้าง Lisp machine ในระดับวงจรลอจิก
การใช้งานเกตพื้นฐาน:
- เกต NAND : เป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่สำคัญ
- เกต NOT : สร้างจากเกต NAND
- เกต OR : สร้างจากเกตพื้นฐาน
- เกต AND : สร้างจากเกตพื้นฐาน
- องค์ประกอบที่ซับซ้อน: DMUX แบบ 8 ทาง, MUX แบบ 8 ทางขนาด 16 บิต
ผลกระทบทางการศึกษา
คุณค่าทางการศึกษาของ NandToTetris นั้นโดดเด่นมาก โดยนักพัฒนาหลายคนรายงานผลลัพธ์การเรียนรู้ที่สำคัญในระยะเวลาอันสั้น ดังที่สมาชิกในชุมชนคนหนึ่งแบ่งปันว่า:
ผมได้เรียนรู้เกี่ยวกับคอมพิวเตอร์มากกว่าการพัฒนาซอฟต์แวร์หลายปีภายในเวลาแค่ 2 สัปดาห์ของคอร์สนี้
ความรู้สึกนี้สะท้อนทั่วทั้งชุมชน โดยเฉพาะในกลุ่มนักพัฒนาเว็บที่ได้รับการสนับสนุนให้สำรวจแนวคิดการเขียนโปรแกรมระดับล่างเพื่อเพิ่มความเข้าใจในระบบคอมพิวเตอร์
ก้าวไกลกว่าการพัฒนาพื้นฐาน
การสนทนาในชุมชนได้พัฒนาไปไกลกว่าการพัฒนาพื้นฐาน โดยครอบคลุมถึงแนวคิดขั้นสูง เช่น การจำลองความล่าช้าในการส่งสัญญาณระดับเกตและการจำลองการใช้พลังงาน การเพิ่มเติมเหล่านี้จะทำให้การจำลองใกล้เคียงกับพฤติกรรมของฮาร์ดแวร์จริงมากขึ้น แม้ว่าจะมีความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญ นักพัฒนาบางคนกำลังสำรวจความเป็นไปได้ในการพัฒนาโครงการโดยใช้ภาษาอธิบายฮาร์ดแวร์อย่าง Verilog หรือ VHDL ซึ่งอาจเชื่อมช่องว่างระหว่างการจำลองซอฟต์แวร์และการใช้งานจริงบน FPGA
การเข้าถึงและการมีส่วนร่วมของชุมชน
แม้จะเป็นเรื่องที่ซับซ้อน แต่โครงการนี้ยังคงรักษาความง่ายในการเริ่มต้น สามารถพัฒนาได้ในภาษาโปรแกรมใดก็ได้ และชุมชนสนับสนุนการมีส่วนร่วมอย่างแข็งขัน โดยเฉพาะในด้านการพัฒนาการทดสอบสำหรับวงจรลอจิก การเข้าถึงได้ง่ายนี้ได้สร้างสภาพแวดล้อมที่น่าสนใจทั้งสำหรับการเรียนรู้และการทำงานร่วมกัน
โครงการนี้ยังคงพัฒนาต่อไป โดยสมาชิกในชุมชนเสนอการปรับปรุงต่างๆ รวมถึงความสามารถด้านเครือข่ายที่อาจเป็นไปได้และการจำลองฮาร์ดแวร์ที่ซับซ้อนมากขึ้น แสดงให้เห็นคุณค่าทั้งในฐานะเครื่องมือการศึกษาและแพลตฟอร์มสำหรับการสำรวจหลักการพื้นฐานของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์
อ้างอิง: NandToTetris: Building a Full Computer from Scratch