背景

2020 年是個混亂的一年，同時也是讓我重新思考電腦本質的一年。在這一年我做了很多非自己擅長領域的嘗試，基本上都圍繞著一個主題：重新認識底層。

我在高中（正確來說是高職）是念電子科的，在升學為主流的時代，雖然有實習課，但更多的感覺是按表操課，然後大部分的時間都在唸書解題。唯一慶幸的是課業並不像一般高中繁重，不然我可能也考不上台科。

在高職有一點蠻可惜的是我對動手做的東西沒有太大興趣，而且有一大部分的時間是在教焊接、接麵包板、線不准重疊、不能跳線，對我這種手藝不巧的人來說其實很苦手。

其實在念電子科的時候本身也對電子沒有太大興趣，甚至也沒預料到後來會以寫程式維生。不過也因為如此，最近我開始對這些比較底層的東西開始感興趣。

回到這個問題本身，答案取決於你對電腦的掌握有多深。二極體與電晶體、暫存器、CPU 運作、作業系統，每一個領域的知識都是窮盡一生都不一定能夠探究完成。真的好深奧。

對我來說，今年就是好好理解電腦是什麼的一年，雖然自己並非專業，但是我在其中理解許多樂趣，同時也在公司找到對底層同樣有興趣的同事。

與電子科的重疊

在高職學電子科的相關知識時，我其實沒有預料到原來這些知識在後來派上那麼大用場。像是橋式整流、二極體、濾波、穩壓這些東西，就是在充電器時常用到的電路。這個東西考試不只算了好幾百遍，甚至實習課叫你接一個橋式整流電路實驗。

CPU 加法時需要實作一個加法器，其中又分為半加器、全加器，這些也是在課堂上一步步學真值表，用邏輯閘一步步在麵包板上實作出來的（當然也可以直接用 IC）。

CPU 工作需要時脈，一般會用石英震盪器，或者是另外接一個時脈產生器。哇，原來當初學得要死要活的 NE555 電路可以產生時脈讓 CPU 運作！（當然現在都是內建了）

當初覺得莫名其妙的正反器，原來就是實作暫存器的基礎。當我理解到越來越多基礎，我才發現原來這些東西我在高職時已經走過一回了，只是當時並沒有把這些知識串連在一起而已。

這些涉及底層的知識有種神秘感，一方面是進入門檻相對高，畢竟不會有人天天買 chip 差麵包板，而且需要對每個知識點都有一些了解；另一方面就是網路上實在太少資訊，關鍵字搜尋可能要找很久才發現答案在某個論壇底下的第 x 個留言，很多時候遇到問題要想辦法靠自己解決。

重新回歸基礎

有鑑於此，在 2020 年一個課題是我希望盡可能地接近底層，可以是硬體、可以是作業系統運作、可以是認識程式語言運作。總之可以讓我了解底層的東西都可以。

於是在今年年初我買了 Arduino。有些人可能覺得 Arduino 不就只是一個別人兜好的東西嗎？沒錯，但我想我可以先從這一步開始。某個 sensor 先不要用別人寫好的 Library，自己翻 datasheet 看看要怎麼用，如果真的不行再看看函式庫的實作。

在今年七月份，我用 Arduino 與 ESP32 實作了一個空氣品質監測應用，裡頭用到了 MQTT、DHT11 與 MH-Z14A，資料通訊的部分則是使用的 UART。比起套套函式庫，在 MH-Z14A 的部分還是扎實地看完了 datasheet 並且實作出來。雖然 wifi 跟 MQTT 的部分還是直接使用 library，不過對我來說還是學到很多東西。

這樣子還不夠，我不想要有一個 Arduino 的殼阻撓我。於是我在 Amazon 上找了傳說中的 MOS 6502。

MOS 6502 之所以經典是因為他足夠便宜而且效能方面又相對優秀，所以像是 Fami con、Apple II 都是採用這顆 8bit 的 CPU。再來就是比起現代的 CPU，他的指令集跟設計也相對簡單許多，所以可以更好理解 CPU 的運作。

起初我很興奮地下單並且等待它到來，後來才想到 MOS 6502 並沒有內建 EEPROM，你必須要將程式寫到 EEPROM 然後送給 MOS 6502 讀取才行。但是目前我在日本沒有一個比較好的管道買到我想要的 EEPROM，因此這條路暫時作罷。

取而代之的是 AVR，在目前住的地方附近剛好有電子零件行，裡頭有賣各種 atmega 系列的 micro controller。於是我隨便挑了幾個（ATMEGA328，剛好就是 Arduino UNO 使用的 MCU）。

用 ATMEGA328 的好處是第一他的體積剛好可以放到麵包板上，再來是他的指令集也相對簡單，另外就是一些 AVR 特有的優點，像是：

• 32 個暫存器，比起其他架構多很多（x86: 8 個、ARM: 16 個）
• 大部分的 instruction 都只要一個 clock
• 大部分的 AVR chip 內建 flash 跟 EEPROM，不需要再準備 EEPROM，讀取上也會更有效率

認識組合語言、硬體邏輯

在硬體的世界裡頭一切變得很單純，也很不方便。假設你想讓某某 pin 腳輸出高電位，用純組合語言（AVR）可能要這樣寫：

ldi r16, 0x01
out DDRB, r16
out PORTB, r16

首先將 0x01 放到 r16 這個暫存器中，然後將 DDRB 暫存器（data direction）設為 0x01 ，然後將 PORTB 設為 0x01 其實在做的事情跟 digitalWrite 很像。

但意外的是組合語言並沒有想像中的那麼困難，不過我想要寫出業界等級的組合語言應該很難就是了。

更深層理解中斷（Interrupt）

我還沒有完全通透中斷機制是怎麼運作的（包含硬體電路等），但對於中斷（Interrupts）有更深層了解。

一般 CPU 當中會定義 Interrupt Vector，來描述當中斷發生時 CPU 應該要做什麼事，而中斷與否通常是靠 SREG 的 Global Interrupt Enable bit 來判斷。由於這需要對暫存器操作跟 bit shift 有足夠了解，在 AVR 當中通常有幾個函數對應（avr/interrupt.h）。

這部分很有趣，但也蠻容易出事情的，如果是玩具專案還好，但不知道大家在 production 上都是怎麼管理、debug 中斷機制的。

認識作業系統

在今年 3 ~ 4 月左右斷斷續續看的 Coursera 上的作業系統課程，從 PC（program counter）、IR（Instruction Counter）、kernel mode、user mode、atmoic、thread 一路理解到信號量（semaphore），對於實作什麼的還是完全霧煞煞。但至少有一個「比較」好的理解。最近剛好看到一本 30 天自製 OS，雖然說看起來很陽春，而且一定省略很多細節，不過我覺得感覺蠻有趣的，或許哪天有空會嘗試做做看。比起跑模擬器，我還是更喜歡直接在實機上測試啊！

程式語言

在今年年初我意外看到松本行弘寫的「まつもとゆきひろ　言語のしくみ」，在裡頭他從頭（yacc/lex）實作了一個程式語言，並且一一講解裡頭的原理跟實作方式。我還蠻驚訝他的完成度的，不是只有計算機加減乘除那麼簡單而已，而是包含字串、時間處理、數字、隨機、陣列、atmoic 等，一個程式語言該有的基本都算是實作好了。 雖然我也想做類似的事情，但是真的看不太懂 yacc/lex 的文件，等自己對 C 語言有更深一層掌握時再來挑戰。

另外一個是我在參加 IT 鐵人賽的時候有試著從頭實作一個簡易的 Svelte（沒有 reactive 功能），寫了一個簡單的 parser。算是稍微碰到程式語言的邊 XD

未來還有很多要學習的地方！大家一起努力走過這混亂的一年吧！