コンピュータシステムの理論と実装 ―モダンなコンピュータの作り方

著者 : Noam Nisan Shimon Schocken 斎藤康毅

• オライリージャパン (2015年3月25日発売)

作品紹介・あらすじ

コンピュータを理解するための最善の方法はゼロからコンピュータを作ることで、その構成要素は、ハードウェア、ソフトウェア、コンパイラ、OSに大別できる。本書では、これらの構成要素をひとつずつ組み立てる。具体的には、NANDという電子素子からスタートし、論理ゲート、加算器、CPUを設計。オペレーティングシステム、コンパイラ、バーチャルマシンなどを実装しコンピュータを完成させて、最後にその上でアプリケーション(テトリスなど)を動作させる。実行環境はJava(Mac、Windows、Linuxで動作)。

感想・レビュー・書評

[別府さんの感想 · 2021年5月22日]

【書誌情報+内容紹介】
原題：The Elements of Computing Systems: Building a Modern Computer from First Principles(MIT Press, 2005)
著者：Noam Nisan
著者：Shimon Schocken　
訳者：斎藤 康毅　
2015年03月 発行
416ページ
ISBN：978-4-87311-712-6
NDC：007.6 情報科学
NDC：548.2 電子計算機：ディジタル計算機，アナログ計算機

　コンピュータを理解するための最善の方法はゼロからコンピュータを作ることです。コンピュータの構成要素は、ハードウェア、ソフトウェア、コンパイラ、OSに大別できます。本書では、これらコンピュータの構成要素をひとつずつ組み立てます。具体的には、NANDという電子素子からスタートし、論理ゲート、加算器、CPUを設計します。そして、オペレーティングシステム、コンパイラ、バーチャルマシンなどを実装しコンピュータを完成させて、最後にその上でアプリケーション（テトリスなど）を動作させます。実行環境はJava（Mac、Windows、Linuxで動作）。
〈https://www.oreilly.co.jp/books/9784873117126/〉

【目次】
賞賛の声
訳者まえがき：NANDからテトリスへ
まえがき

イントロダクション：こんにちは、世界の下側

1章　ブール論理
1.1　背景
1.1.1　ブール代数
1.1.2　論理ゲート
1.1.3　実際のハードウェア構築
1.1.4　ハードウェア記述言語（HDL）
1.1.5　ハードウェアシミュレーション
1.2　仕様
1.2.1　Nandゲート
1.2.2　基本論理ゲート
1.2.3　多ビットの基本ゲート
1.2.4　多入力の基本ゲート
1.3　実装
1.4　展望
1.5　プロジェクト

2章　ブール算術
2.1　背景
2.2　仕様
2.2.1　加算器（Adder）
2.2.2　ALU（算術論理演算器）
2.3　実装
2.4　展望
2.5　プロジェクト

3章　順序回路
3.1　背景
3.2　仕様
3.2.1　D型フリップフロップ
3.2.2　レジスタ
3.2.3　メモリ
3.2.4　カウンタ
3.3　実装
3.4　展望
3.5　プロジェクト

4章　機械語
4.1　背景
4.1.1　機械
4.1.2　言語
4.1.3　コマンド
4.2　Hack機械語の仕様
4.2.1　概要
4.2.2　A命令
4.2.3　C命令
4.2.4　シンボル
4.2.5　入出力操作
4.2.6　シンタックスとファイルフォーマット
4.3　展望
4.4　プロジェクト

5章　コンピュータアーキテクチャ
5.1　背景
5.1.1　プログラム内蔵方式
5.1.2　ノイマン型アーキテクチャ
5.1.3　メモリ
5.1.4　CPU
5.1.5　レジスタ
5.1.6　入出力
5.2　Hackハードウェアのプラットフォーム仕様
5.2.1　概観
5.2.2　CPU
5.2.3　命令メモリ
5.2.4　データメモリ
5.2.5　コンピュータ
5.3　実装
5.3.1　CPU
5.3.2　メモリ
5.3.3　コンピュータ
5.4　展望
5.5　プロジェクト

6章　アセンブラ
6.1　背景
6.2　Hackアセンブリからバイナリへの変換の仕様
6.2.1　構文規約とファイルフォーマット
6.2.2　命令
6.2.3　シンボル
6.2.4　例
6.3　実装
6.3.1　Parserモジュール
6.3.2　Codeモジュール
6.3.3　シンボルを含まないプログラムのためのアセンブラ
6.3.4　SymbolTableモジュール
6.3.5　シンボルを含むプログラムのためのアセンブラ
6.4　展望
6.5　プロジェクト

7章　バーチャルマシン#1：スタック操作
7.1　背景
7.1.1　バーチャルマシンの理論的枠組み
7.1.2　スタックマシン
7.2　VM仕様（第1部）
7.2.1　概要
7.2.2　算術と論理コマンド
7.2.3　メモリアクセスコマンド
7.2.4　プログラムフローと関数呼び出しコマンド

7.2.5　Jack-VM-Hackプラットフォームにおけるプログラム要素
7.2.6　VMプログラムの例
7.3　実装
7.3.1　Hackプラットフォームの標準VMマッピング（第1部）
7.3.2　VM実装の設計案
7.3.3　プログラムの構造
7.4　展望
7.5　プロジェクト
7.5.1　実装についての提案
7.5.2　テストプログラム
7.5.3　助言
7.5.4　ツール

8章　バーチャルマシン#2：プログラム制御
8.1　背景
8.1.1　プログラムフロー
8.1.2　サブルーチン呼び出し
8.2　VM仕様（第2部）
8.2.1　プログラムフローコマンド
8.2.2　関数呼び出しコマンド
8.2.3　関数呼び出しプロトコル
8.2.4　初期化
8.3　実装
8.3.1　Hackプラットフォームの標準VMマッピング（第2部）
8.3.2　例
8.3.3　VM実装の設計案
8.4　展望
8.5　プロジェクト
8.5.1　テストプログラム
8.5.2　助言

9章　高水準言語
9.1　背景
9.1.1　例1：Hello World
9.1.2　例2：手続きプログラムと配列処理
9.1.3　例3：抽象データ型
9.1.4　例4：リンクリストの実装
9.2　Jack言語仕様
9.2.1　シンタックス要素
9.2.2　プログラム構造
9.2.3　変数
9.2.4　文
9.2.5　式
9.2.6　サブルーチン呼び出し
9.2.7　Jack標準ライブラリ
9.3　Jackアプリケーションを書く
9.4　展望
9.5　プロジェクト
9.5.1　Jackプログラムのコンパイルと実行

10章　コンパイラ#1：構文解析
10.1　背景
10.1.1　字句解析
10.1.2　文法
10.1.3　構文解析
10.2　仕様
10.2.1　Jack言語の文法
10.2.2　Jack言語のための構文解析器
10.2.3　構文解析器への入力
10.2.4　構文解析器の出力
10.3　実装
10.3.1　JackAnalyzerモジュール
10.3.2　JackTokenizerモジュール
10.3.3　CompilationEngineモジュール
10.4　展望
10.5　プロジェクト
10.5.1　テストプログラム
10.5.2　第1段階：トークナイザ
10.5.3　第2段階：パーサ

11章　コンパイラ#2：コード生成
11.1　背景
11.1.1　データ変換
11.1.2　コマンド変換
11.2　仕様
11.2.1　バーチャルマシンへの標準マッピング
11.2.2　コンパイルの例
11.3　実装
11.3.1　JackCompilerモジュール
11.3.2　JackTokenizerモジュール
11.3.3　SymbolTableモジュール
11.3.4　VMWriterモジュール
11.3.5　CompilationEngineモジュール
11.4　展望
11.5　プロジェクト
11.5.1　第1段階：シンボルテーブル
11.5.2　第2段階：コード生成
11.5.3　テストプログラム

12章　オペレーティングシステム
12.1　背景
12.1.1　数学操作
12.1.2　数字の文字列表示
12.1.3　メモリ管理
12.1.4　可変長な配列と文字列
12.1.5　入出力管理
12.1.6　グラフィック出力
12.1.7　キーボード操作
12.2　Jack OSの仕様
12.2.1　Math
12.2.2　String
12.2.3　Array
12.2.4　Output
12.2.5　Screen
12.2.6　Keyboard
12.2.7　Memory
12.2.8　Sys
12.3　実装
12.3.1　Math
12.3.2　String
12.3.3　Array
12.3.4　Output
12.3.5　Screen
12.3.6　Keyboard
12.3.7　Memory
12.3.8　Sys
12.4　展望
12.5　プロジェクト
12.5.1　テスト方法
12.5.2　OSクラスとテストプログラム

13章　さらに先へ
13.1　ハードウェアの実現
13.2　ハードウェアの改良
13.3　高水準言語
13.4　最適化
13.5　通信

付録A　ハードウェア記述言語（HDL）
A.1　例題
A.2　規則
A.3　ハードウェアシミュレータへの回路の読み込み
A.4　回路ヘッダ（インターフェイス）
A.5　回路ボディ（実装）
A.5.1　パーツ
A.5.2　ピンと接続
A.5.3　バス
A.6　ビルトイン回路
A.7　順序回路
A.7.1　クロック
A.7.2　クロック回路とピン
A.7.3　フィードバックループ
A.8　回路操作の視覚化
A.9　新しいビルトイン回路

付録B　テストスクリプト言語
B.1　ファイルフォーマットと使用方法
B.2　ハードウェアシミュレータでの回路テスト
B.2.1　例
B.2.2　データ型と変数
B.2.3　スクリプトコマンド
B.2.4　ビルトイン回路の変数とメソッド
B.2.5　最後の例
B.2.6　デフォルトスクリプト
B.3　CPUエミュレータでの機械語プログラムのテスト
B.3.1　例
B.3.2　変数
B.3.3　コマンド
B.3.4　デフォルトスクリプト
B.4　VMエミュレータでのVMプログラムのテスト
B.4.1　例
B.4.2　変数
B.4.3　コマンド
B.4.4　デフォルトスクリプト

付録C　Nand2tetris Software Suiteの使い方
C.1　ソフトウェアについて
C.2　Nand2tetrisソフトウェアツール
C.3　ソフトウェアツールの実行方法
C.4　使用方法
C.5　ソースコード

索引


コラム目次
API表記についての注意点
回路の“クロック”属性
フィードバックループの有効/無効

[キョータ@Cash Numberさんの感想 · 2021年2月11日]

0からコンピュータを作るという事で、かつ実行環境がJavaという事もあり、購入しました。

[fraserlibさんの感想 · 2020年3月6日]

請求記号　007.6/N 76

[TAZさんの感想 · 2020年2月11日]

OS周り、CPUの機能など、一通り再学習するために購入
非常に細かい記述があるため、わかりやすい
CPUの創り方よりだいぶ細かい記述、内容なので、そういった意味では2冊目以降に読むほうが内容が入りやすいと思う

[Naruki Chigiraさんの感想 · 2023年2月12日]

本書は13章から構成されており、Nandゲートを回路の出発点として様々な仕組みを作り上げる前半、アセンブラやスタック操作、プログラム言語を考える後半、オペレーティングシステムについて考える終盤と構成されている。

各章の最後にはプロジェクトという形で演習問題が用意されていて、3章までは基本的な要素から RAM などの回路を構成する体験ができる。ウェブに公開されている回答を覗き見しながら手元のマシンで回答を記入していったが、いい経験になった。
本書の為に用意されているソフトウェア群（https://www.nand2tetris.org/software）もとても充実していて、M2 チップの MacBook でも動作に支障はなかった。演習問題のテストもできるようになっていて、学習の助けになる。

一方で、4章からのプロジェクトは付属のソフトウェアのドキュメントを読み込んで仕様を把握した上でないと進めるのが難しく感じ、これ以降はズルをしてプロジェクトに回答をせずに本文だけ読み進めた。

10章構文解析では「中身を理解する」ことを重視して LEX や YACC は使用しないと明言されていたりして、全体を通して現在使用されているツールに基づくというよりは、大まかな概念を理解することを目指している。回路の物理的な理解などもさらなる理解の為には必要だと感じた。

コンピュータサイエンスの知識がほぼ皆無の私のような人間には、概念としてのコンピュータに触れる機会になったし物理的な回路にもむしろ興味が湧いたので、コンピュータが作れるようになったかというとそうではないが、同じような境遇の方にはおすすめできる本だと思う。

[pnictideさんの感想 · 2022年11月5日]

コンピュータシステムを構成するハードウェア/アーキテクチャ/OS/プログラミング言語/コンパイラ/データ構造とアルゴリズム/ソフトウェアエンジニアリングについて、手を動かしながら学べる。自身の中で特に良く分かっていなかったコンパイラから機械語に至るまでの処理の過程について理解が進んだ。プロジェクトという、各章末に付されたコンピュータをゼロから作っていく実践的問題は、全部自力でできれば相当な力がつくと思うが、ガッツが足りず途中までしかできなかった。。本書の真髄は自分で考えながらプロジェクトをやり通すことにあると思うが、読み通すだけでも得られるものは大きいと思う。

[星薬科大学図書館さんの感想 · 2020年2月4日]

▼配架場所・貸出状況
http://opac.hoshi.ac.jp/opac/opac_details/?lang=0&amode=11&bibid=2000069032&srvce=1

[yoshio2018さんの感想 · 2018年10月11日]

NAND回路から順番に論理回路を作り出し、CPUからコンピュータまで作る。IF文を作り出すのがMultiplexer回路なんだと分かった。単純なNAND回路からコンピュータが生まれ出ることを自分の手で経験できる。すべてソフトウェア上の回路だけど、やっていることは物理回路と等しい。ソフトウェアでは、アセンブラーやバーチャルマシンをPythonで書いた。コンパイラー作成で挫折したけど、面白かったな。大学の情報工学の授業でやるような内容だ。

[iamaslibさんの感想 · 2016年2月23日]

貸し出し状況等、詳細情報の確認は下記URLへ
http://libsrv02.iamas.ac.jp/jhkweb_JPN/service/open_search_ex.asp?ISBN=9784873117126

[adolescentさんの感想 · 2016年1月11日]

手を動かして試すことができる、という点でCODEとは一線を画す。