ミジンコによるNandGame攻略

2023年12月16日2023年12月31日

NandGameとは

NandGameはCPUアーキテクチャーを学べるゲームです。自作CPUに興味を持っている方に向いています。

最初はリレーでNANDゲートを構築し、それをベースとして徐々に複雑なデジタル回路を構成していきます。マシン語やアセンブリ言語の実装を経て、最終的にプロセッサーまで構築します。

インストール不要で、ブラウザーでアクセスするだけ遊べます。アカウントの作成も不要です。組んだ回路のセーブデータはブラウザーが保持していますので、再度アクセスした際には途中から再開できます。

「From NAND to Tetris – Building a Modern Computer From First Principles」プロジェクトにインスパイアされて開発されたとのことです。

NandGameの特徴

• 完全無料。
  • これが強い。
• ブラウザーでアクセスするだけ。
  • アカウントの作成、ソフトウェアのインストールなし。
• オートセーブ。
  • 明示的にセーブして、別の回路を組んでから、先の回路をロードするということがやりにくい（実質的にできない）。
  • 別マシン（あるいは別ブラウザー）とセーブデータを共有しにくい。
• 英語。
• 実装したマシン語やアセンブリー言語を用いたプログラミングに関するステージはほとんどない。
• 仕様の説明がたまに雑、不親切。特に後半の課題に、この問題が当てはまる。

Turing Completeとの比較

似たゲームとしてTuring Completeがありますが、比較すると次のような違いがあります。

	NandGame	Turing Complete
価格	無料	有料
環境	OSに依存しない	Windows、MacOS
ゲーム性	中	高
セーブ機能	オートセーブ	Steamクラウドにセーブされ、OS別で共有可 1つの課題に複数の回路のセーブできる。
カスタムコンポーネント機能	あり	あり ※Labステージ以降で使える。
サンドボックス機能	なし	あり ※独自の回路を組んで楽しんだり、シミュレーターとして活用したりできる。
ボリューム	中	大
デジタル回路のステージ	リレーを用いてNANDゲートを構成するステージからスタート。 最終的にマルチタスクをサポートするプロセッサーを作る。	NANDゲートからスタート。 最終的に2つのCPUを作る。
アセンブリー言語のステージ	マシン語やアセンブリー言語の実装ステージはあるが、プログラミングステージはあまりない。	プログラミングステージも豊富。

各レベルの攻略記事

NandGameではステージをレベル（Level）と表現しています。それに習って、当サイトでも「レベル」という呼称を使うことにします。

NandGameで用意されているレベルは、Hardware、Software、Optional Levelsの3部構成になっています。

カテゴリー内のステージを全クリアした時点で次のカテゴリーにアクセスできます。

例えば、最初のHardwareをクリアするとSoftwareが表示され、SoftwareをクリアするとOptinal Levelsが表示されます。

Hardwareカテゴリー

No.	グループ	レベル名
1.1.1	Logic Gates	Nand
1.1.2	Logic Gates	Invert
1.1.3	Logic Gates	And
1.1.4	Logic Gates	Or
1.1.5	Logic Gates	Xor
1.2.1	Arithmetics	Half Adder
1.2.2	Arithmetics	Full Adder
1.2.3	Arithmetics	Multi-bit Adder
1.2.4	Arithmetics	Increment
1.2.5	Arithmetics	Subtraction
1.2.6	Arithmetics	Equal to Zero
1.2.7	Arithmetics	Less than Zero
1.3.1	Switching	Selector
1.3.2	Switching	Switch
1.4.1	Arithmetic Logic Unit	Logic Unit
1.4.2	Arithmetic Logic Unit	Arithmetic Unit
1.4.3	Arithmetic Logic Unit	ALU
1.4.4	Arithmetic Logic Unit	Condition
1.5.1	Memory	Latch
1.5.2	Memory	Data Flip-Flop
1.5.3	Memory	Register
1.5.4	Memory	Counter
1.5.5	Memory	RAM
1.6.1	Processor	Combined Memory
1.6.2	Processor	Instruction
1.6.3	Processor	Control Unit
1.6.4	Processor	Computer
1.6.5	Processor	Input and Output

Softwareカテゴリー

No.	グループ	レベル名
2.1.1	Low level	Machine code
2.1.2	Low level	Assembler Language
2.1.3	Low level	Assembler program
2.1.4	Low level	Escape Labyrinth
2.1.5	Low level	Display
2.1.6	Low level	Network
2.2.1	Stack machine	Init stack
2.2.2	Stack machine	Push D
2.2.3	Stack machine	Pop D
2.2.4	Stack machine	Pop A
2.2.5	Stack machine	Push Value
2.2.6	Stack machine	Add
2.2.7	Stack machine	Sub
2.2.8	Stack machine	Neg
2.2.9	Stack machine	And
2.2.10	Stack machine	Or
2.3.1	High-level language	Tokenize
2.3.2	High-level language	Grammar
2.3.3	High-level language	Code generation
2.4.1	Conditionals	Eq
2.4.2	Conditionals	Gt
2.4.3	Conditionals	Lt
2.4.4	Conditionals	Not
2.4.5	Conditionals	Goto
2.4.6	Conditionals	If-goto
2.5.1	Memory	Push Memory
2.5.2	Memory	Pop Memory
2.5.3	Memory	Push Static
2.5.4	Memory	Pop Static
2.6.1	Functions	Call
2.6.2	Functions	Function
2.6.3	Functions	Return
2.6.4	Functions	Push argument
2.6.5	Functions	Pop argument
2.6.6	Functions	Push local
2.6.7	Functions	Pop local

Optional Levelsカテゴリー

No.	グループ	レベル名
3.1.1	Transistor level	Nand (CMOS)
3.1.2	Transistor level	Invert (CMOS)
3.1.3	Transistor level	Nor (CMOS)
3.2.1	Logic	Xnor
3.2.2	Logic	Left Shift
3.2.3	Logic	Logical Right Shift
3.2.4	Logic	Artithmetic Right Shift ※"Arithmetic"のスペルミス？
	Logic	Barrel Shift Left
3.3.1	Arithmetics	Max
3.3.2	Arithmetics	Multiplication
3.4.1	Floating point	Unpack floating-point value
3.4.2	Floating point	Floating-point multiplication ※3.4.9と同一名なので注意。
3.4.3	Floating point	Normalize overflow
3.4.4	Floating point	Verity exponent
3.4.5	Floating point	Align significands
3.4.6	Floating point	Add signed magnitude
3.4.7	Floating point	Normalize underflow
3.4.8	Floating point	Pack floating-point value
3.4.9	Floating point	Floating-point multiplication ※なぜか3.4.2と同一レベル名。
3.4.10	Floating point	Floating-point addition
3.5.1	Multitasking	Timer Trigger
3.5.2	Multitasking	Mode controller
3.5.3	Multitasking	Register with backup
3.5.4	Multitasking	Program Counter
3.5.5	Multitasking	Register bank
3.5.6	Multitasking	General-purpose Memory
3.5.7	Multitasking	Virtual Memory
3.5.8	Multitasking	Control Unit
3.5.9	Multitasking	Processor

その他の情報

異なるPC（あるいはブラウザー）間でセーブデータを共有する