مقدمه

در دنیای پیچیده و پویای فناوری امروز، درک عمیق از چگونگی عملکرد رایانه‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. دوره “ساخت رایانه نوین از اصول پایه: از نند تا تتریس (بخش دوم)” یک سفر آموزشی بی‌نظیر است که شما را از مفاهیم انتزاعی تا ساختار عملی سیستم‌های رایانه‌ای هدایت می‌کند. این دوره، ادامه منطقی “بخش اول” است و در آن، تمرکز از سخت‌افزار به لایه‌های نرم‌افزاری بالاتر منتقل می‌شود. هدف اصلی، ارائه درکی جامع و عملی از کل پشته رایانشی، از منطق گیت‌های ساده گرفته تا اجرای برنامه‌های پیچیده، است. اگر به دنبال فهم واقعی چگونگی حیات بخشیدن به یک رایانه از پایه هستید، این دوره نقطه‌ی شروعی عالی برای تعمیق دانش شما خواهد بود.

مروری بر دوره

فلسفه “از نند تا تتریس” بر این پایه استوار است که می‌توان یک رایانه کامل، شامل سخت‌افزار و نرم‌افزار، را تنها با شروع از یک گیت منطقی “نند” ساخت. در بخش اول این مسیر، شما به طراحی و پیاده‌سازی سخت‌افزار یک رایانه، از گیت‌های منطقی، واحدهای ALU، حافظه، تا CPU و ساختار کلی آن پرداختید. اکنون، در “بخش دوم”، این سفر به سمت قلمرو نرم‌افزار گسترش می‌یابد. شما با استفاده از سخت‌افزاری که در بخش اول ساخته‌اید (یا مدل‌سازی آن)، لایه‌های نرم‌افزاری را یکی پس از دیگری توسعه خواهید داد: از یک زبان برنامه‌نویسی سطح بالا (زبان Jack)، تا ساخت یک کامپایلر، یک ماشین مجازی، یک اسمبلر، و در نهایت، اجزای کلیدی یک سیستم‌عامل. این دوره نه تنها مفاهیم تئوری را آموزش می‌دهد، بلکه شما را درگیر پروژه‌های عملی متعددی می‌کند که در نهایت به ساخت یک سیستم کامل نرم‌افزاری بر روی سخت‌افزار طراحی شده می‌انجامد. این تجربه عملی بی‌بدیل، درک شما را از تعامل پیچیده بین سخت‌افزار و نرم‌افزار به سطحی کاملاً جدید ارتقا خواهد داد.

آنچه در این دوره خواهید آموخت

در این دوره، دانش‌پژوهان با مجموعه‌ای از مهارت‌ها و دانش‌های حیاتی در زمینه علوم رایانه و مهندسی نرم‌افزار آشنا خواهند شد:

• ساخت یک کامپایلر کامل: شما مراحل پیچیده طراحی و پیاده‌سازی یک کامپایلر را فرا خواهید گرفت. این شامل تجزیه و تحلیل نحوی (parsing)، تجزیه و تحلیل لغوی (lexical analysis)، تولید کد ماشین مجازی (VM code generation) و بهینه‌سازی‌های اولیه می‌شود. شما یاد می‌گیرید چگونه کد نوشته شده به زبان Jack را به دستورالعمل‌های قابل فهم برای ماشین مجازی تبدیل کنید.
• آشنایی با طراحی ماشین مجازی (VM): درک خواهید کرد که چگونه یک لایه انتزاعی بین سخت‌افزار و زبان سطح بالا ایجاد می‌شود. شما با ساخت یک ماشین مجازی، مفهوم استک و مدیریت حافظه را از دیدگاه نرم‌افزاری عمیقاً درک خواهید کرد.
• طراحی و پیاده‌سازی یک اسمبلر: اگرچه در بخش اول نیز با اسمبلر کار کرده‌اید، اما در این بخش، نگاهی عمیق‌تر به چگونگی تبدیل کدهای اسمبلی به کدهای باینری قابل اجرا بر روی سخت‌افزار خواهید داشت.
• مبانی سیستم‌عامل: شما با پیاده‌سازی اجزای کلیدی یک سیستم‌عامل ساده (مانند کتابخانه‌های ورودی/خروجی، مدیریت حافظه، و گرافیک پایه)، درکی عملی از نقش سیستم‌عامل در تعامل با سخت‌افزار و مدیریت منابع پیدا خواهید کرد. این شامل نوشتن کدهای سطح پایین برای تعامل مستقیم با صفحه نمایش، صفحه کلید و حافظه است.
• برنامه‌نویسی با زبان سطح بالای Jack: با یک زبان برنامه‌نویسی شیءگرا به نام Jack آشنا می‌شوید که به طور خاص برای این دوره طراحی شده است و به شما امکان می‌دهد سیستم‌عامل و برنامه‌های کاربردی را روی سخت‌افزار مجازی خود بنویسید.
• اتصال پشته کامل رایانشی: مهم‌تر از همه، شما خواهید دید که چگونه تمام این اجزا – از زبان سطح بالا، کامپایلر، ماشین مجازی، اسمبلر، تا سیستم‌عامل – به طور یکپارچه با سخت‌افزاری که در بخش اول ساخته‌اید، کار می‌کنند تا یک رایانه کاملاً کاربردی را تشکیل دهند. این تجربه یکپارچه، دیدگاه شما را به علوم رایانه متحول خواهد کرد.

مزایای شرکت در این دوره

شرکت در دوره “ساخت رایانه نوین از اصول پایه: از نند تا تتریس (بخش دوم)” مزایای چشمگیری برای دانش‌پژوهان به همراه دارد:

• درک عمیق و جامع: این دوره به شما امکان می‌دهد تا فراتر از استفاده از ابزارها و زبان‌های برنامه‌نویسی متداول بروید و به درکی بنیادین از چگونگی عملکرد رایانه‌ها از هسته اصلی آن دست یابید. این دانش، شما را از بسیاری از همکارانتان متمایز می‌کند.
• تجربه عملی بی‌نظیر: برخلاف بسیاری از دوره‌های نظری، این دوره کاملاً مبتنی بر پروژه‌محور است. شما با دست خودتان هر لایه از پشته نرم‌افزاری را می‌سازید و این تجربه عملی، یادگیری را عمیق‌تر و ماندگارتر می‌کند.
• تقویت مهارت‌های حل مسئله: چالش‌های طراحی و پیاده‌سازی یک کامپایلر یا سیستم‌عامل، مهارت‌های تفکر منطقی، رفع اشکال (debugging) و حل مسائل پیچیده شما را به شدت تقویت می‌کند.
• آمادگی برای مباحث پیشرفته: درک جامعی که از معماری رایانه و لایه‌های نرم‌افزاری به دست می‌آورید، شما را برای ورود به حوزه‌های پیشرفته‌تر مانند برنامه‌نویسی سیستم، امنیت سایبری، طراحی سیستم‌های جاسازی شده (embedded systems) و حتی توسعه زبان‌های برنامه‌نویسی جدید آماده می‌سازد.
• افزایش اعتماد به نفس: موفقیت در ساخت یک رایانه کامل از پایه، اعتماد به نفس شما را در مواجهه با سیستم‌های پیچیده افزایش می‌دهد و شما را قادر می‌سازد تا هر سیستمی را تجزیه و تحلیل و بهبود بخشید.
• مزیت رقابتی در بازار کار: کارفرمایان به دنبال مهندسانی هستند که نه تنها می‌توانند کد بنویسند، بلکه درک عمیقی از زیرساخت‌های فناوری دارند. این دوره شما را به یک کاندیدای برجسته تبدیل می‌کند.

پیش‌نیازها

برای بهره‌مندی حداکثری از دوره “ساخت رایانه نوین از اصول پایه: از نند تا تتریس (بخش دوم)”، داشتن پیش‌زمینه‌ای مناسب ضروری است:

• تکمیل “بخش اول: از نند تا تتریس” (یا دانش معادل): این مهم‌ترین پیش‌نیاز است. در بخش اول، شما با مفاهیم بنیادی طراحی سخت‌افزار دیجیتال، منطق گیت‌ها، معماری CPU، طراحی زبان اسمبلی و ساخت یک سخت‌افزار کامل رایانه آشنا می‌شوید. دانش شما از ساختار سخت‌افزاری و زبان اسمبلی کامپیوتر Hack که در بخش اول معرفی شده، برای بخش دوم حیاتی است.
• آشنایی پایه با برنامه‌نویسی: انتظار می‌رود که دانش‌پژوهان با مفاهیم عمومی برنامه‌نویسی مانند متغیرها، حلقه‌ها، شرط‌ها، توابع و ساختارهای داده ساده آشنا باشند. زبان برنامه‌نویسی خاصی مورد نیاز نیست، اما توانایی تفکر الگوریتمی مهم است.
• تفکر منطقی و تحلیلی: این دوره نیازمند توانایی تفکر منطقی و حل مسائل به روش گام به گام است. شما با چالش‌هایی روبرو خواهید شد که نیازمند تجزیه و تحلیل دقیق و رویکرد ساختاریافته برای حل آن‌ها هستند.
• صبر و پشتکار: این یک دوره جامع و عمیق است که نیازمند زمان و تلاش است. پروژه‌های عملی ممکن است چالش‌برانگیز باشند، اما پاداش یادگیری عمیق، ارزش این تلاش را دارد.

سرفصل‌های دوره

دوره “ساخت رایانه نوین از اصول پایه: از نند تا تتریس (بخش دوم)” به چند فصل کلیدی تقسیم می‌شود که هر یک لایه‌ای جدید از پشته نرم‌افزاری را پوشش می‌دهد:

• فصل ۱۰: کامپایلر ۱: تجزیه و تحلیل نحوی (Syntax Analysis):
  در این فصل، شما اولین قدم‌ها را در ساخت یک کامپایلر برمی‌دارید. با مفاهیم تجزیه و تحلیل لغوی (tokenizing) و تجزیه و تحلیل نحوی (parsing) آشنا می‌شوید. هدف اصلی، ساختاردهی کد منبع زبان Jack به یک نمایش قابل فهم برای مراحل بعدی کامپایل است.
• فصل ۱۱: کامپایلر ۲: تولید کد (Code Generation):
  پس از تجزیه و تحلیل نحوی، زمان تولید کد فرا می‌رسد. در این فصل، یاد می‌گیرید که چگونه درخت تجزیه (parse tree) را به کد ماشین مجازی (VM code) تبدیل کنید. این کد VM، یک زبان میانی قابل اجرا بر روی ماشین مجازی است که در فصل‌های بعدی با آن کار خواهید کرد.
• فصل ۱۲: سیستم‌عامل (Operating System):
  این فصل به قلب نرم‌افزار سیستم می‌پردازد. شما با طراحی و پیاده‌سازی بخش‌های حیاتی یک سیستم‌عامل کوچک برای کامپیوتر Hack آشنا می‌شوید. این شامل مدیریت حافظه، توابع ورودی/خروجی (مانند دسترسی به صفحه کلید و صفحه نمایش)، عملیات ریاضی پایه و سایر خدمات اساسی است که یک برنامه کاربردی برای اجرا به آن‌ها نیاز دارد.
• فصل ۱۳: پروژه نهایی: زبان سطح بالا و سیستم‌عامل:
  در این فصل، تمام قطعات پازل کنار هم چیده می‌شوند. شما با استفاده از کامپایلر و سیستم‌عاملی که ساخته‌اید، برنامه‌های کاربردی پیچیده‌تری را به زبان Jack می‌نویسید و آن‌ها را بر روی سخت‌افزار خود اجرا می‌کنید. این فصل، نقطه اوج دوره است که درک کاملی از کل سیستم را به شما می‌دهد.

نکات کلیدی و مثال‌های عملی

این دوره بر جنبه‌های عملی و ساختن تکیه دارد. شما صرفاً مفاهیم را یاد نمی‌گیرید، بلکه آن‌ها را پیاده‌سازی می‌کنید.

• ساخت از صفر: مهمترین نکته، تجربه ساخت یک کامپایلر و اجزای یک سیستم‌عامل از صفر است. این شامل نوشتن هزاران خط کد است که هر یک لایه‌ای از انتزاع را به سیستم اضافه می‌کند.
• زبان برنامه‌نویسی Jack: شما با یک زبان برنامه‌نویسی شیءگرا به نام Jack کار خواهید کرد که بسیار شبیه به جاوا یا C# است اما پیچیدگی کمتری دارد و برای هدف این دوره عالی است. با استفاده از این زبان، برنامه‌هایی مانند بازی تتریس، ماشین حساب یا سایر ابزارهای کاربردی را برای رایانه‌ای که خودتان ساخته‌اید، می‌نویسید.
• کامپایلر: فرض کنید تابعی در Jack به نام `drawCircle(x, y, r)` می‌نویسید. در این دوره، شما یاد می‌گیرید که چگونه کامپایلر شما این خط کد سطح بالا را به دنباله‌ای از دستورالعمل‌های ماشین مجازی (VM commands) تبدیل کند. سپس ماشین مجازی چگونه این دستورات را به کدهای اسمبلی تبدیل کرده و در نهایت سخت‌افزار چگونه این کدهای اسمبلی را اجرا می‌کند تا دایره‌ای روی صفحه رسم شود.
• سیستم‌عامل: شما خودتان توابعی مانند `Memory.alloc()` یا `Screen.drawPixel()` را پیاده‌سازی خواهید کرد. این یعنی به جای استفاده از توابع آماده در سیستم‌عامل‌های موجود، خودتان مدیریت حافظه یا رسم پیکسل را در سطح پایین کنترل می‌کنید. این تجربه بسیار روشنگرانه است و نشان می‌دهد که چگونه نرم‌افزار به طور مستقیم با سخت‌افزار ارتباط برقرار می‌کند.
• پروژه تتریس: اوج این سفر، نوشتن بازی معروف تتریس به زبان Jack و اجرای آن بر روی رایانه‌ای است که تمام اجزای آن را خودتان از پایه ساخته‌اید – از گیت‌های سخت‌افزاری تا کامپایلر و سیستم‌عامل. این یک دستاورد واقعاً چشمگیر و ماندگار خواهد بود.

نتیجه‌گیری

دوره “ساخت رایانه نوین از اصول پایه: از نند تا تتریس (بخش دوم)” بیش از یک دوره آموزشی ساده است؛ یک تجربه تحول‌آفرین است. این دوره برای هر کسی که به دنبال درک واقعی از فناوری‌های زیربنایی رایانه‌هاست، ضروری است. با غوطه‌ور شدن در ساخت یک کامپایلر، ماشین مجازی و بخش‌های کلیدی یک سیستم‌عامل، شما نه تنها مهارت‌های فنی خود را به شدت ارتقا می‌دهید، بلکه دیدگاه کاملی نسبت به نحوه تعامل لایه‌های مختلف یک سیستم رایانشی پیدا می‌کنید. این دانش عمیق، پایه و اساس محکمی برای مسیر شغلی شما در هر حوزه‌ای از علوم رایانه خواهد بود. این سفر، به شما قدرت درک و ساخت سیستم‌های پیچیده را می‌دهد و شما را به یک مهندس با دیدگاه کامل تبدیل می‌کند.