55AA-005

体系结构

层级
本科生
状态
建设中

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教学大纲

课程概览

计算机体系结构从指令集、流水线、缓存、内存层次、并行性和加速器出发,讨论性能、能耗、可靠性和安全之间的取舍。课程不仅讲结构,还要求学生用模拟和测量解释真实程序为什么快或慢。

这是硬件安全、系统安全、虚拟化和嵌入式系统的硬件基础。

先修要求

  • 计算机组成和汇编语言。
  • 熟悉 C/C++ 或 Rust,并能阅读简单汇编。
  • 具备基本概率、统计和实验分析能力。

学习目标

  • 解释现代处理器和内存系统的关键结构。
  • 用指标评估性能、局部性、并行性和能耗。
  • 分析缓存、分支预测和乱序执行对安全的影响。
  • 使用模拟器或性能计数器完成实验。
  • 提出有证据支持的体系结构设计取舍。

教学组织

  • 每周 2 次课堂:一次讲授核心概念,一次用于实验、论文讨论或项目评审。
  • 课程按 16 周推进,每周都有可检查的作业、实验或项目里程碑。
  • 强调可复现材料:代码、配置、数据、实验日志和报告需要能被助教或同学复查。

周计划

第 2 周

ISA、微结构和性能模型实验与评审

测量一个程序的 CPI 和瓶颈。完成配套实验、记录问题,并在课堂评审中解释设计取舍。

第 4 周

流水线、冒险和预测实验与评审

用模拟器观察流水线停顿和分支影响。完成配套实验、记录问题,并在课堂评审中解释设计取舍。

第 6 周

缓存和内存层次实验与评审

设计局部性实验并解释 miss 模式。完成配套实验、记录问题,并在课堂评审中解释设计取舍。

第 8 周

乱序、投机和一致性实验与评审

分析投机优化和安全风险。完成配套实验、记录问题,并在课堂评审中解释设计取舍。

第 10 周

多核、同步和内存模型实验与评审

测试并发程序在不同内存模型下的行为。完成配套实验、记录问题,并在课堂评审中解释设计取舍。

第 12 周

向量、GPU 和专用加速器实验与评审

比较 CPU 和加速器实现的性能。完成配套实验、记录问题,并在课堂评审中解释设计取舍。

第 14 周

可靠性、功耗和安全实验与评审

评估一个设计在性能和安全上的折中。完成配套实验、记录问题,并在课堂评审中解释设计取舍。

第 16 周

体系结构实验报告实验与评审

提交可复现测量、图表和设计结论。完成配套实验、记录问题,并在课堂评审中解释设计取舍。

考核方式

个人作业

概念题、阅读题、设计题和小型编程或实验任务。

25%
实验与项目

性能实验、模拟结果、设计评估和报告。

40%
课堂参与与评审

参与讨论、演示、代码或论文评审,以及同伴反馈。

10%
期末报告与答辩

提交可复现材料、技术报告和演示,说明方法、结果、限制与后续工作。

25%

课程项目

项目要求学生选择一个体系结构问题,通过模拟器、性能计数器或基准测试收集证据,提出并评估一个设计或优化方案。

课程政策

  • 允许使用 AI 工具,但所有生成代码、实验记录和设计建议必须经过学生本人审查,并在报告中说明使用方式。
  • 严禁提交不能解释的代码、证明、配置或实验结果;答辩时每名成员都需要解释自己负责部分的设计、测试和取舍。
  • 迟交会影响迭代评分,但课程更看重可复现、可审计和可维护的结果,而不是临时堆砌。

参考课程

中国 985 高校