全体像

コンピュータシステムの理論と実装 – むくゆうより引用

ブール論理

ブール式の基本

NOT / OR / AND が基本になります。
また上記3つの関数を NAND関数で表現することができます。

Nand関数(Not And関数)

名称から見てもわかる通り、Andの反対の性質を持ちます。

a	b	Nand(a, b)
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

一つ目の課題は、NAND だけ与えられた状態から、NOT / OR / AND / XOR などを実装することになります。

AND

NANDの真反対の結果になります。

a	b	And(a, b)
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

ANDを作成するための実装は下記のようになります。

# ゲート名
CHIP And {
    IN a, b;
    OUT out;

    PARTS:
        Nand (a=a, b=b, out=not);
        Nand (a=not, b=not, out=out);
}

上記実装のイメージは下記のようになります。

OR

a	b	OR(a, b)
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

NOT

0 を 1 に、1 を 0 にします。

XOR

a	b	XOR(a, b)
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

MUX(マルチプレクサ)

3入力のゲートで、一つのアウトプットを返します。
マルチプレクサ (MUX)とは｜「分かりそう」で「分からない」でも「分かった」気になれるIT用語辞典

下記の実装だと、selの部分が条件文になるイメージです。
この後のALUの実装で活躍してくれます。

CHIP Mux {
    IN a, b, sel;
    OUT out;

    PARTS:
        Not(in=sel, out=notsel);

        And(a=a, b=notsel, out=and1);
        And(a=sel, b=b, out=and2);

        Or(a=and1, b=and2, out=out);
}

DMUX(デマルチプレクサ)

マルチプレクサとは反対のことを行います。
一つの入力に対して、複数の出力を返します。
デマルチプレクサ (DEMUX)とは｜「分かりそう」で「分からない」でも「分かった」気になれるIT用語辞典

下記実装の場合だと、 selの条件文によって、出力を4パターン作成する実装になっています。

DMux4Way.hdl

CHIP DMux4Way {
    IN in, sel[2];
    OUT a, b, c, d;

    PARTS:
        Not(in=sel[0], out=notsel0);
        Not(in=sel[1], out=notsel1);

        And(a=notsel0, b=notsel1, out=asel);
        And(a=in, b=asel, out=a);

        And(a=notsel1, b=sel[0], out=bsel);
        And(a=in, b=bsel, out=b);

        And(a=notsel0, b=sel[1], out=csel);
        And(a=in, b=csel, out=c);

        And(a=sel[0], b=sel[1], out=dsel);
        And(a=in, b=dsel, out=d);
}

準備

諸々インストール

MacにNand2Tetrisのハードウェアシミュレータをインストールする - Qiita
Software | nand2tetris
Java SE Development Kit 14 - Downloads

ハードウェアシミュレータ立ち上げ

sh tools/HardwareSimulator.sh

O'REILLY コンピューターシステムの理論と実装【第1章②】 - sota0113

テストファイルの実行方法

hdlファイルを読み込む
Scriptを読み込んで、実行する

各ファイルの役割

hdl
実装が必要なファイル

tst
テスト用のファイル

cmp
正しい抽出結果か確認できるテスト用のファイル
And.cmpに書かれている条件のようにアウトプットできればOK

VSCode拡張

VSCodeをVerilogHDLのすごいエディタにする - たいちょーの雑記