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| 編輯推薦： |
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本书是一本经典的计算机系统入门教程，全球已有400多所高校将本书纳入教学体系，在线课程的注册学员超过20万人。作者秉承“理解计算机系统的最佳方法是从零开始构建一台计算机”的理念，以“从与非门到俄罗斯方块”为学习目标，将软件和硬件的核心主题巧妙地组织起来，使初学者能够在很短的时间内全面理解计算机专业的核心概念，从而为后续的专业课程学习奠定坚实的基础。
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| 內容簡介： |
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本书涵盖数电、体系结构、汇编语言、编译器、操作系统等计算机核心课程的基础内容，结合项目实践能够对整个计算机学科建立宏观的理解，并能完成制作一个基本计算机系统的任务。
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| 關於作者： |
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诺阿姆·尼桑（Noam Nisan）在加州大学伯克利分校获得计算机科学博士学位，目前为希伯来大学计算机科学与工程学院教授，以色列科学院及人文学院院士。研究方向为计算机科学、博弈论和经济学的交叉领域，如算法博弈论、经济与计算等。西蒙·朔肯（Shimon Schocken）莱希曼大学教授， Efi Arazi计算机科学学院创院院长，谷歌 - 莱希曼技术学院联合创始人及院长。曾在纽约大学担任终身教授，在哈佛大学、斯坦福大学、普林斯顿大学担任客座教授。
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| 目錄：
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目 录译者序前言第一部分 硬件I.1 Hello，World之下 2I.2 从与非门到俄罗斯方块 3I.3 抽象与实现 4I.4 设计方法 5I.5 前方之路 6第1章 布尔逻辑 71.1 布尔代数 71.1.1 布尔函数 81.1.2 真值表和布尔表达式 81.2 门 91.3 硬件构造 101.3.1 硬件描述语言 111.3.2 硬件模拟 131.4 规范 141.4.1 与非门 141.4.2 基本逻辑门 141.4.3 基本门的多位版本 151.4.4 基本门的多路版本 161.5 实现 171.5.1 行为模拟 171.5.2 硬件实现 181.5.3 内置芯片 191.6 实验 191.7 总结与讨论 20第2章 布尔运算 212.1 算术运算 212.2 二进制数 212.3 二进制加法 222.4 有符号二进制数 232.5 规范 242.5.1 加法器 242.5.2 算术逻辑单元 252.6 实现 282.7 实验 292.8 总结与讨论 29第3章 存储 313.1 存储设备 313.2 时序逻辑 323.2.1 时间很重要 323.2.2 触发器 343.2.3 组合与时序逻辑 343.3 规范 353.3.1 数据触发器 363.3.2 寄存器 363.3.3 RAM 373.3.4 计数器 383.4 实现 383.4.1 数据触发器 383.4.2 寄存器 383.4.3 RAM 393.4.4 计数器 403.5 实验 403.6 总结与讨论 41第4章 机器语言 424.1 机器语言概述 424.1.1 硬件单元 424.1.2 语言 434.1.3 指令 444.2 Hack的机器语言 454.2.1 背景 454.2.2 程序示例 484.2.3 Hack语言规范 494.2.4 符号 504.2.5 输入/输出处理 524.2.6 语法约定和文件格式 524.3 Hack编程 534.4 实验 554.5 总结与讨论 57第5章 计算机体系结构 585.1 计算机体系结构基础 585.1.1 存储程序的概念 585.1.2 冯·诺依曼体系结构 595.1.3 存储器 595.1.4 中央处理单元 605.1.5 输入和输出 615.2 Hack硬件平台规范 625.2.1 概述 625.2.2 中央处理单元 625.2.3 指令存储器 635.2.4 输入/输出 635.2.5 数据存储器 655.2.6 计算机 665.3 实现 665.3.1 中央处理单元 665.3.2 内存 685.3.3 计算机 685.4 实验 695.5 总结与讨论 70第6章 汇编器 726.1 背景 726.2 Hack机器语言规范 736.2.1 程序 746.2.2 符号 746.2.3 语法约定 756.3 汇编到二进制的翻译 766.3.1 处理指令 766.3.2 处理符号 766.4 实现 776.4.1 实现一个基本的汇编器 776.4.2 完成汇编器 796.5 实验 796.6 总结与讨论 81第二部分 软件II.1 Jack编程初探 85II.2 程序的编译 87第7章 虚拟机Ⅰ：处理 897.1 虚拟机范式 907.2 栈机器 917.2.1 入栈和出栈 917.2.2 栈上的算术运算 927.2.3 虚拟内存段 947.3 虚拟机规范：第一部分 947.4 实现 957.4.1 Hack平台上的标准虚拟机映射：第一部分 967.4.2 虚拟机模拟器 987.4.3 有关虚拟机实现的设计建议 997.5 实验 1017.6 总结与讨论 102第8章 虚拟机Ⅱ：控制 1058.1 高级魔法 1058.2 分支 1068.3 函数 1088.4 虚拟机规范：第二部分 1138.4.1 分支命令 1138.4.2 函数命令 1138.4.3 虚拟机程序 1138.5 实现 1148.5.1 函数调用和返回 1148.5.2 Hack平台上的标准虚拟机映射：第二部分 1158.5.3 有关虚拟机实现的设计建议 1178.6 实验 1188.7 总结与讨论 120第9章 高级语言 1229.1 例子 1229.2 Jack语言规范 1269.2.1 语法元素 1269.2.2 程序结构 1279.2.3 数据类型 1289.2.4 变量 1309.2.5 语句 1309.2.6 表达式 1309.2.7 子例程调用 1319.2.8 对象的创建与清除 1329.3 编写Jack应用程序 1329.4 实验 1339.5 总结与讨论 134第10章 编译器Ⅰ：语法分析 13610.1 背景 13710.1.1 词法分析 13710.1.2 语法规则 13810.1.3 语法解析 13910.1.4 解析器 14110.2 规范 14210.2.1 Jack语言的语法 14310.2.2 Jack语言的语法分析器 14410.3 实现 14410.3.1 Jack分词器 14510.3.2 编译引擎 14510.3.3 Jack分析器 14710.4 实验 14710.4.1 分词器 14810.4.2 编译引擎 14910.5 总结与讨论 150第11章 编译器Ⅱ：代码生成 15111.1 代码生成 15211.1.1 变量的编译 15211.1.2 表达式的编译 15511.1.3 字符串的编译 15711.1.4 语句的编译 15711.1.5 对象的编译 15911.1.6 数组的编译 16511.2 规范 16611.3 实现 16611.3.1 虚拟机上的标准映射 16711.3.2 实现指南 16711.3.3 软件架构 17011.4 实验 17211.4.1 实施阶段 17211.4.2 测试程序集 17311.5 总结与讨论 174第12章 操作系统 17612.1 背景 17712.1.1 数学运算 17712.1.2 字符串 18012.1.3 内存管理 18112.1.4 图形化输出 18312.1.5 字符的输出 18512.1.6 键盘输入 18612.2 Jack操作系统规范 18712.3 实现 18712.4 实验 19212.4.1 测试计划 19212.4.2 完整测试 19412.5 总结与讨论 195第三部分 进一步讨论第13章 探索更多乐趣 19813.1 硬件的实现 19813.2 硬件的改进 19913.3 高级语言 19913.4 优化 19913.5 通信 199附录附录A 布尔函数综合 202附录B 硬件描述语言 206附录C 测试描述语言 217附录D Hack芯片集合 227附录E Hack中的字符集 228附录F Jack操作系统的API 229○原书并未将第13章单独列为一部分，为确保本书体系更完整、合理，将第13章列为第3部分。—编辑注
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前 言不闻不若闻之，闻之不若见之，见之不若知之，知之不若行之。学至于行之而止矣。—荀子（公元前313—公元前238）人们普遍认为，21世纪的聪明人应该熟悉BANG背后的基本思想，BANG是比特（Bit）、原子（Atom）、神经元（Neuron）和基因（Gene）的缩写。尽管在利用科学手段揭示BANG的基本运行系统方面，已经取得了显著成功，但我们很可能永远不能完全理解原子、神经元和基因实际上是如何工作的。然而，比特以及计算系统整体构成了一个令人欣慰的例外：尽管它们的复杂性令人惊叹，但人们完全可以理解现代计算机系统的工作原理以及构建方式。因此，当我们心怀敬畏地凝视着周围的BANG时，令人愉悦的是，至少在这个“四重奏”中，有一个领域可以被人类完全理解。事实上，在计算机发展的早期，任何好奇的探索者都可以对机器如何工作有整体的理解。硬件和软件之间的交互简单、透明，人们很容易对计算机的运行形成一幅连贯图景。然而，随着数字技术变得越来越复杂，这种清晰度几乎消失了：计算机科学领域中最基本的思想和技术（这个领域的本质）现在隐藏在层层叠叠的晦涩界面和封闭实现之下。这种复杂性的必然结果是专业化：对专门的应用计算机科学的研究成为许多专业化课程的追求，每个课程都只涵盖该领域的一个方面。我们之所以写这本书，是因为我们发现许多计算机科学专业的学生“只见树木不见森林”。通常，计算机专业的学习者被要求学习编程、理论和工程等一系列课程，而没有机会停下来欣赏这门学科优美的整体图景。而在这门学科的整体图景中，硬件、软件和应用系统通过一系列抽象、界面和基于约定的实现紧密关联。如果不能看清这一错综复杂的图景，许多学习者和专业人士会感到不安—他们并没有完全理解计算机内部发生了什么。这是令人遗憾的，因为计算机是21世纪最重要的机器。我们认为，理解计算机的最佳方法是从零开始构建一台计算机。基于这个理念，我们提出了以下的想法：先描述一个简单但功能足够强大的计算机系统，并请学习者从头开始为其构建硬件平台和软件层次结构。并且，在构建过程中，我们要采取正确而有效的方法，因为从零构建一台通用计算机是一项巨大的工程。因此，我们找到了一个独特的教育的契机，不仅要构建这台计算机，还要以动手实践的方式展示如何有效地规划和管理大规模的硬件和软件开发项目。此外，我们希望通过严谨的逻辑和模块化规划，帮助读者体验从零构建一个复杂而有用的系统这一令人激动与兴奋的过程。这项努力的结果就是现在这门称为“从与非门到俄罗斯方块”的课程。这是一个动手实践的旅程，学生从最基本的逻辑门（与非门）开始，经历十二个实验之后，最终得到一个能够运行俄罗斯方块游戏以及任何能想到的其他程序的通用计算机系统。在经历过多次设计、构建、重新设计和重新构建该计算机系统后，我们撰写了这本书，并希望让任何学习者都可以做同样的事情。我们还建设了 www.nand2tetris.org 网站，向任何想学习或教授“从与非门到俄罗斯方块”课程的人免费提供所有实验材料和软件工具。我们很高兴地看到，这些工作的反响非常强烈。如今，“从与非门到俄罗斯方块”这门课程在世界各地的许多大学、高中、编程训练营、在线平台和黑客俱乐部中开设。这本书和我们的在线课程非常受欢迎，成千上万的学习者（从高中生到谷歌工程师）经常发布评论，称“从与非门到俄罗斯方块”课程是他们迄今为止获得的最佳教育经历。正如理查德·费曼曾经说过的：“我不能理解一个我不能创造的东西。”这门课程就是让学习者通过创造来理解。显然，人们对这种创造者的心态充满激情。自本书第1版出版以来，我们收到了许多问题、评论和建议。由于我们主要通过更新在线资料来解决这些问题，因此网站版本和书籍之间出现了差距。此外，我们觉得，书籍的多个章节由于在组织结构和表达清晰上的优势，对读者有更大帮助。因此，在多次拖延书籍的修订之后，我们终于决定动手编写第2版，就是现在的这本书。前言的其余部分会描述这个新版本的内容，并且将其与上一版进行对比。范围本书通过一系列硬件和软件的构建任务向学习者介绍了大量的计算机科学领域的知识。特别地，在动手实验中讨论了以下主题：●硬件：布尔运算，组合逻辑，时序逻辑，逻辑门、多路选择器、触发器、寄存器、RAM 单元、计数器的设计与实现，硬件描述语言（Hardware Description Language， HDL），芯片模拟、验证和测试。●架构：ALU/CPU 的设计和实现、时钟和周期、寻址模式、取指和执行逻辑、指令集、基于内存映射的输入/输出。●低级语言：一个简单的机器语言（包括二进制版和符号版）的设计与实现、指令集、汇编编程、汇编器。●虚拟机：基于栈的自动机、基于栈的算术运算、函数调用和返回、递归的处理、一个简单的虚拟机语言的设计与实现。●高级语言：一个简单的面向对象的、类似Java的语言的设计与实现，涉及抽象数据类型、类、构造函数、方法、作用域规则、语法和语义、引用等内容。●编译器：词法分析、语法分析、符号表、代码生成、数组和对象的实现、两层编译模型。●编程：按照提供的API实现一个汇编器、一个虚拟机和一个编译器，可以使用任何编程语言完成。●操作系统：设计和实现内存管理、数学库、输入/输出驱动程序、字符串处理、文本输出、图形输出和高级语言支持。●数据结构和算法：栈、哈希表、列表、树、算术运算的算法、几何算法和运行时系统。●软件工程：模块化设计、接口/实现的范式、API设计和文档、单元测试、主动测试计划、质量保证和大规模编程。“从与非门到俄罗斯方块”课程的独特之处在于，所有主题都有一个清晰、总体的目标，即从零开始构建现代计算机系统。事实上，这已经成为我们选择主题的标准：本书侧重于构建一个能够运行用高级面向对象语言编写的程序的通用计算机系统所必需的最小主题集。事实证明，这个关键的主题集中包括应用计算机科学中的大多数基本概念和技术，以及一些最优美的思想。课程“从与非门到俄罗斯方块”通常可以作为本科生课程，也可以作为研究生课程。该课程在自学者中也非常受欢迎。由于基于这本书的课程与典型的计算机科学课程是“正交”的关系，因此几乎可以在任何时候学习该课程。一种自然的安排是作为CS-2讲授，即作为编程入门课程之后的一门介绍性课程来讲授，另一种安排是作为CS-99课程，即作为毕业前的一门综合课程来讲授。前者是一门前瞻性的、面向系统的应用计算机科学的导论课程；而后者是一门综合的、基于实验的课程，用来填补先前课程留下的空白。还有一种越来越流行的安排，是将它作为一门把传统的计算机体系结构课程和编译课程中的关键主题集成到同一个框架的课程。“从与非门到俄罗斯方块”可以使用不同的课程名字，包括计算机系统要素、数字系统构建、计算机组成等。无论基于什么样的考虑，课程的最终目标都是从零构建一台计算机，即“从与非门到俄罗斯方块”。这本书及相关的实验都是高度模块化的，第一部分（硬件）和第二部分（软件）分别包括6章和6个实验。第三部分为大家提供进一步完善设计的建议。虽然我们建议完整学完本书，但实际上可以单独学习其中一个部分。本书及相关的实验可以支持两门独立的课程，每门课程的时长为六到七周。根据所选主题和学习进度的不同，教师可以开一个学期的课程，也可以开两个学期的课程。这本书是完全自包含的：构建书中描述的硬件和软件系统所需的所有知识都会在本书各章和实验中给出。第一部分（硬件）不需要先修知识，因此任何学生和自学者都可以自学实验1～6。第二部分（软件）及实验7～12需要先学习一门编程课程（可以使用任何高级编程语言）才能完成。“从与非门到俄罗斯方块”课程不限于计算机科学专业的学生来学习。相反，它适用于任何学科的学习者，帮助学习者从实践的角度在一门课程中获得对硬件架构、操作系统、编译和软件工程的理解。再次强调，唯一的先决条件（指第二部分）是编程能力。事实上，许多学习“从与非门到俄罗斯方块”课程的学生都不是计算机科学专业的学生。他们学习过一门计算机科学导论课程，现在希望在不用学习多门课程的情况下学到更多的计算机科学知识。还有许多学习者是软件开发人员，他们希望“深入底层”了解支撑技术的工作原理，并成为更好的高级语言程序员。由于硬件和软件行业的开发人员严重短缺，应用计算机科学领域对短期的专业人才培训项目的需求日益增长。因此，出现了大量编程训练营、系列在线课程，旨在为就业市场培训人才而不用经过完整的学位教育。这些培训项目必须至少提供有关编程、算法和系统的实际知识。“从与非门到俄罗斯方块”这门课程的独特性在于，在一个课程框架内涵盖了这些培训项目的系统要素。此外，“从与非门到俄罗斯方块”课程中的项目为综合实践从其他课程中学到的算法和编程知识提供了一种富有吸引力的途径。资源用于构建书中描述的硬件和软件系统所需的所有工具都可以在“从与非门到俄罗斯方块”软件包中免费获得。这些工具包括一个硬件模拟器、一个CPU模拟器、一个虚拟机模拟器（全部开源）、教程，以及书中描述的汇编器、虚拟机、编译器和操作系统的可执行版本。此外，www.nand2tetris.org 网站上提供所有实验材料（约200个测试程序和测试脚本），可支持对12个实验进行增量开发和单元测试。这些软件工具和实验材料可以在运行Windows、Linux或macOS的计算机上直接使用。结构本书第一部分（硬件）包括第1～6章。在介绍布尔代数之后，第1章从基本的与非门开始，并在其上构建一组基本的逻辑门。第2章介绍组合逻辑，并构建一组加法器，最终形成一个ALU。第3章介绍时序逻辑，并构建一组寄存器和存储器设备，最终形成一个RAM。第4章讨论低级编程，同时用符号化形式和二进制形式规定了一种机器语言。第5章对第1～3章中构建的芯片进行集成，进而构建一个能够执行第4章介绍的机器语言编写的程序的硬件架构。第6章讨论低级语言程序的翻译，最终构建出一个汇编器。本书第二部分（软件）包括第7～12章，学习这个部分需要具备计算机科学导论课程水平的编程背景（可以使用任何高级编程语言）。第7、8章介绍基于栈的自动机，并描述了类似Java虚拟机的构建方法。第9章介绍一个面向对象的、类似Java的高级语言。第10、11章讨论语法分析和代码生成算法，并描述了一个两层编译器的构建。第12章介绍各种内存管理、算术运算和几何算法，并将这些算法用于实践，从而构建出一个操作系统。该操作系统旨在弥合第二部分中实现的高级语言与第一部分中构建的硬件平台之间的鸿沟。本书基于一个抽象–实现的范式。每一章的开始都会给出一个介绍部分，描述相关的概念以及一个通用的硬件或软件系统。接着是规范部分，描述系统的抽象，即该系统预期提供的各种服务（what）。之后继续讨论如何实现这个抽象（how），在实现部分提出一种实现。接下来是实验部分，提供构建本章所描述的系统并进行单元测试的逐步指导、测试材料和软件工具。最后的总结与讨论部分总结本章中值得注意的问题。实验本书中从零开始构建的计算机系统是可以真正工作的。本书面向愿意亲自动手构建计算机的读者。如果你愿意花时间和精力去做，就能获得一种简单阅读无法比拟的深度理解和成就感。在实验1、2、3和5中构建的硬件设备将使用一种简单的硬件描述语言（Hardware Description Language， HDL）来实现，并在提供的硬件模拟器上进行模拟。这正是行业中硬件架构师的工作方式。实验6、7、8、10和11中的汇编器、虚拟机和编译器可以用任何编程语言编写。实验4是用计算机的汇编语言编写的，实验9和12中简单的计算机游戏和基本的操作系统是用Jack语言编写的。这个类似Java的高级语言是通过在第10和11章中构建的编译器实现的。本书共有12个实验。在一门典型的、严格的大学课程中，每个实验平均需要花费一周的时间来完成。这些实验是相互独立的，可以按照任何顺序完成或跳过。建议读者按照实验出现的顺序来完成所有12个实验，这样能够获得更完整的“从与非门到俄罗斯方块”的体验，不过这只是一种学习顺序的选择。在一个学期的课程中是否有可能涵盖这么多内容？答案是肯定的，而且实践证明了这一点。超过150所高校开设了一个学期的“从与非门到俄罗斯方块”课程。学生的满意度非常高，“从与非门到俄罗斯方块”在线课程常常名列在线课程评级榜的前列。该课程成功的一个原因是专注。除了极少数情况，我们不关注优化，而是将这一重要主题留给其他更具体的课程。此外，我们允许学生假设输入是无误的，这样就不需要编写代码来处理异常情形，使得软件项目更加专注和可管理。当然，处理不正确的输入是至关重要的，但这个技能可以在其他地方培养，例如在扩展实验和专门的编程课程或软件设计课程中培养。第2版尽管“从与非门到俄罗斯方块”课程始终围绕两个主题展开介绍，但第2版更加明确了这种结构。第2版现在主要包括两个独立的部分—第一部分（硬件）和第二部分（软件）。每个部分包含6章和6个实验，并以新写的引言章节开篇，为各部分提供背景知识。重要的是，这两个部分是相互独立的。因此，本书的新结构非常适合开设半学期的课程，也适合开设一个学期的课程。除了两个新的引言章节外，第2版还增加了4个新的附录。根据许多学习者的要求，这些附录集中呈现了第1版中分散在各章中的各种技术主题。附录A中增加了一个形式化的证明，即任何布尔函数都可以用与非运算符来构建，从而为那些硬件构建实验提供了一个理论视角。此外，书中还增加了许多新的小节、图和例子。本书所有章节和实验材料都遵循抽象与实现分离的范式进行了重写，这是“从与非门到俄罗斯方块”课程的一个中心主题。我们特意添加了一些例子和章节，以回答多年来在“从与非门到俄罗斯方块”问答论坛中提出的成千上万个问题。致谢本书提供的软件工具是我们在以色列赫兹利亚跨学科研究中心（IDC Herzliya）和希伯来大学的学生开发的。两位首席软件架构师是Yaron Ukrainitz和Yannai Gonczarowski，开发者包括Iftach Ian Amit、Assaf Gad、Gal Katzhendler、Hadar Rosen-Sior和Nir Rozen。Oren Baranes、Oren Cohen、Jonathan Gross、Golan Parashi和Uri Zeira参与了工具开发其他方面的工作。与这些学生开发者一起工作是一种巨大的乐趣，我们为有机会在他们的教育中发挥作用而感到自豪。我们还要感谢助教Muawyah Akash、Philip Hendrix、Eytan Lifshitz、Ran Navok和David Rabinowitz，他们帮助管理这门课程的早期版本。Tal Achituv、Yong Bakos、Tali Gutman和Michael Schr?der在课程材料的各个方面提供了巨大的帮助，Aryeh Schnall、Tomasz Ró?ański和Rudolf Adamkovi?提供了细致入微的编辑建议。Rudolf的评论尤其具有启发性，我们非常感激。世界各地有许多人参与了“从与非门到俄罗斯方块”课程的工作，我们无法逐一感谢他们。这里特别要感谢来自科罗拉多州的软件和固件工程师Mark Armbrust，他已成为“从与非门到俄罗斯方块”课程学习者的“守护天使”。Mark自愿负责管理我们的全球问答论坛，以极大的耐心和优雅的风格回答了大量问题。他的回答从未泄露解决方案，相反，他引导学习者自己努力并找到方案。因此，Mark赢得了全球无数学习者的尊敬和钦佩。在为“从与非门到俄罗斯方块”课程提供服务的十多年里，Mark写了2607篇帖子，发现了数十个错误，并编写了纠正的脚本和修复方案。在日常工作外做的所有这些事情，使得Mark成为 “从与非门到俄罗斯方块”社区的支柱，而该社区也成为他的“第二故乡”。令人惋惜的是，Mark在与心脏病顽强抗争了数月之后于2019年3月去世。在他住院期间，Mark每天会收到数百封学习“从与非门到俄罗斯方块”的学生的电子邮件。来自世界各地的年轻人感谢Mark的无私付出，并分享他对他们的生活产生的影响。近年来，计算机科学教育已成为个人成长和收入增长的强大推动力。回顾过去，幸运的是，我们早早地决定以开放源代码的形式免费提供所有的教学资源。简而言之，任何有需要的人都可以毫无限制地学习或教授“从与非门到俄罗斯方块”课程。在非营利的情形下，你只需要访问我们的网站，即可获取你需要的资源。这使得“从与非门到俄罗斯方块”成为一个可随时获得的工具，用于自由和公平地普及高质量的计算机科学教育。最终，无尽的善意催生了一个庞大的教育生态系统。我们衷心感谢世界各地帮助我们实现这一目标的人们。
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