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今天的分享可以（粗浅）解答以下几个问题： - 如何制作一台计算机 - 苹果的 Rosetta 是怎么把 x86 的程序运行在 arm 上的 - Steam Deck 是怎么把 Windows 的游戏运行在 Linux 上的    ## 如何制作一台计算机 - [制作教程1](https://www.bilibili.com/video/BV1j7411g7GE/) - [制作教程2](https://www.bilibili.com/video/BV11h411w7bc/) - [正经的制作教程](https://www.nand2tetris.org/) [逻辑门](https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E9%82%8F%E8%BC%AF%E9%96%98)是什么？ 是数字逻辑电路中的基本单元，可以用真值表定义一个逻辑门，以 [NAND](https://en.wikipedia.org/wiki/NAND_logic)(Not AND)逻辑门为例： | Input A | Input B | Output | |-------|---|--------| | 0 | 0 | 1 | | 0 | 1 | 1 | | 1 | 0 | 1 | | 1 | 1 | 0 | Q：它有什么用？ A：我们只用它就可以制作出计算机 开工：[https://nandgame.com](https://nandgame.com) 先来制作 NAND 本身，下面是用于制作 NAND 的原材料：  三个圆是元器件的引脚，上面的引脚是输出，下面是控制（c）和输入（in）。 控制端的原理很简单，就是电磁铁，c 通电，则 relay 的舌片被磁铁吸住，控制 relay 开或关。 in 是电源，始终有电，我们把有电的状态叫做 1，没电叫做 0 relay(default on): - c 没电，则电路接通，输出 1 - c 有电，则电路断开，输出 0 relay(default off): - c 没电，则电路断开，输出 0 - c 有电，则电路接通，输出 1 实践时间，不提供解法。跟着 nandgame 一路把第一部份所有逻辑门写完。 到这里对数字电路应该有了初步的认识，但这个课程后面还有很多东西，有条件的话我们后面再分享： - [ALU（算术逻辑单元）](https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E7%AE%97%E8%A1%93%E9%82%8F%E8%BC%AF%E5%96%AE%E5%85%83)  - 如何实现存储（bit, byte, 寄存器，内存） - 机器语言与汇编语言，汇编器 - 高级编程语言，编译器 - 操作系统 - 应用程序 ## 苹果的 Rosetta 是怎么把 x86 的程序运行在 arm 上的 https://support.apple.com/zh-tw/HT211861 > Rosetta 2 可讓配備 Apple 晶片的 Mac 使用專為配備 Intel 處理器的 Mac 所開發的 App。 比如我们制作了一个 CPU，它支持一系列指令（只是举例哈）： - 写入寄存器a - 读取寄存器a - 写入寄存器b - 读取寄存器b - 将第一个、第二个数相加，结果写入寄存器a 指令集就是规定了这样一系列指令，如果某个 CPU 实现了这些指令，就可以说它支持某个指令集。 然后我们写了一段代码`1x3+2=?`，并以这个 CPU 为目标，编译出来的二进制形如： - 将 1 写入寄存器a - 将 1 写入寄存器b - 相加 - 将 1 写入寄存器b - 相加 - 将 2 写入寄存器b - 相加 - 读取寄存器a 这个二进制在我们的 CPU 上执行完，寄存器a中的数字就是代码的执行结果。但是如果我们拿为另一个 CPU 编译的二进制，在我们的 CPU 上执行： - 将 1 写入寄存器a - 将 3 写入寄存器b - **相乘** <<<< - 将 3 写入寄存器b - 相加 - 读取寄存器a 执行就会失败，原因是我们的 CPU 并不支持 **相乘** 这个指令。简单来说，X86 和 ARM 就是这样两个互不相容的指令集，所以为 X86 编译的二进制不能运行在 ARM 上。 那 Rosseta 是怎么做到的呢？还是以上面的相乘操作举例，我们可以把 `1x3` 改成 `1+1+1`，将不支持的 `x` 改成 `+` 来实现，这样就能在我们的 CPU 中运行为其他 CPU 编译的二进制了。 ## Steam Deck 是怎么把 Windows 的游戏运行在 Linux 上的 Steam Deck 的 CPU 是 X86 的，Windows 上的游戏（大多）也是为 X86 编译的。既然它们的 CPU 都是相同的指令集，为什么二进制不能共用呢？ 因为 Steam Deck 运行的 Steam OS 是 Linux 的，所以问题其实是，应用程序为什么不能跑在不同的操作系统上。 这里牵扯到两个概念： - 可执行文件格式，比如 - Linux 中的 [ELF](https://en.wikipedia.org/wiki/Executable_and_Linkable_Format) - Windows 中的 [PE](https://en.wikipedia.org/wiki/Portable_Executable) - [操作系统 API](https://en.wikipedia.org/wiki/Category:Operating_system_APIs)，比如 - [POSIX](https://en.wikipedia.org/wiki/Category:POSIX) - [Windows APIs](https://en.wikipedia.org/wiki/Category:Windows_APIs) - Java 虚拟机提供给字节码的 API 也算是一种 System API 首先可执行文件格式是啥？exe？但 exe 在 linux 中是运行不了的。 举个可能不太恰当的例子，我们编写了一个图片查看器，支持 jpg 格式。这时如果要求它打开一个 png 图片，它就会说“未知文件格式，无法打开”。 是我们的屏幕无法显示 png 中保存的图片么？不是的，是我们的图片查看器不知道如何提取出 png 中的图片信息，它不认识 png 这种图片格式。 在这个例子中： - 图片查看器 -> Window - jpg -> exe(PE) - png -> ELF Window 认识 exe（PE） 这种可执行文件格式，可以解读并且让 CPU 执行其中的指令。 但不认识 ELF 这种可执行文件格式，所以无法解读出其中的指令。所以不是 CPU 不能执行指令，而是操作系统不知道怎么提取出指令，进而交给 CPU 执行。 PE 可执行文件格式：  所以 wine 是怎么在 linux 中执行 exe 的呢？既然操作系统不认识 exe，wine 自己去解析就行了嘛。然后把解析出的结果交给 linux 去执行就可以了。 但实际上还是不行，原因是不同的操作系统提供的“操作系统 API”不一样。比如 [Windows API](https://en.wikipedia.org/wiki/Windows_API) 中包含 GUI 相关的 API，创建窗口之类的，但 POSIX 中没有。 假设有这样一个 OS A，他的窗口必须“有，且只有一个标题”，当二进制想要创建一个自己的窗口，可以调用这个 OS 提供的一个 API： ``` // 创建一个标题为 Hello world 的窗口 create_window("Hello world") ``` 但还有另一个 OS B，它规定窗口必须有主标题和副标题，它提供的创建窗口 API 可能就是这样： ``` // 创建一个标题为 Hello World，副标题为 subtitle 的窗口 create_window("Hello world", "subtitle") ``` 如果我们尝试在 OS B 上执行为 OS A 编写的应用程序，当调用到 `create_window` 这个操作系统 API 时，就会出错，因为少传了副标题。 所以 wine 还得为 window 的应用程序提供兼容的操作系统 API，当应用程序调用到某个 Windows API 的时候，转为帮它调用对应的 linux 下的 API。 这样一来，对应用程序来说就像是在 Windows 中运行一样。 注意：文中的例子都是超级简化版本，只为了方便理解不保证正确全面，不要当真