组成原理
- 层级
- 本科生
- 状态
- 建设中
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教学大纲
课程概览
计算机组成讲清从逻辑门到可执行程序之间的层次:数字逻辑、数据通路、控制器、指令集、汇编、存储器和 I/O。课程目标是让学生理解软件运行在什么机器上,而不是把硬件当作黑盒。
这是汇编语言、系统编程、体系结构、操作系统和可信计算的底层基础。
先修要求
- 程序设计基础和离散数学基础。
- 能阅读简单 C 程序并理解二进制表示。
- 愿意完成硬件描述或模拟实验。
学习目标
- 解释数字电路、组合逻辑和时序逻辑。
- 构造基本数据通路和控制器。
- 理解指令编码、调用约定和内存访问。
- 分析缓存、流水线和 I/O 的基本行为。
- 把高级语言行为映射到机器级执行。
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 1 周
第 2 周
信息表示与布尔逻辑实验与评审
完成整数、浮点和逻辑电路练习。完成配套实验、记录问题,并在课堂评审中解释设计取舍。
第 3 周
第 4 周
组合逻辑与时序逻辑实验与评审
实现 ALU 和寄存器文件。完成配套实验、记录问题,并在课堂评审中解释设计取舍。
第 5 周
第 6 周
指令集与汇编视角实验与评审
手工跟踪指令执行和调用栈。完成配套实验、记录问题,并在课堂评审中解释设计取舍。
第 7 周
第 8 周
单周期和多周期数据通路实验与评审
扩展教学 CPU 的一条指令。完成配套实验、记录问题,并在课堂评审中解释设计取舍。
第 9 周
第 10 周
流水线和冒险实验与评审
分析数据冒险和控制冒险。完成配套实验、记录问题,并在课堂评审中解释设计取舍。
第 11 周
第 12 周
存储器层次和缓存实验与评审
测量缓存局部性对程序的影响。完成配套实验、记录问题,并在课堂评审中解释设计取舍。
第 13 周
第 14 周
I/O、中断和总线实验与评审
解释一次设备交互的完整路径。完成配套实验、记录问题,并在课堂评审中解释设计取舍。
第 15 周
第 16 周
从组成到系统软件实验与评审
提交处理器实验和机器级分析报告。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
25%概念题、阅读题、设计题和小型编程或实验任务。
实验与项目
40%硬件或模拟器实验、测试程序和机器级解释。
课堂参与与评审
10%参与讨论、演示、代码或论文评审,以及同伴反馈。
期末报告与答辩
25%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。
课程项目
学生实现或扩展一个教学处理器、汇编器或模拟器,并用测试程序证明其行为正确。
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
国际名校
- CMU18-447: Introduction to Computer Architecture
- CornellCS 3410: Computer System Organization and Programming
- ETH ZurichComputer Architecture
- Georgia TechCS 2200: Introduction to Systems and Networking
- MIT6.191: Computation Structures
- PrincetonCOS/ELE 375: Computer Architecture and Organization
- StanfordCS 107: Computer Organization & Systems
- UC BerkeleyCS 61C: Great Ideas in Computer Architecture
- UIUCCS 233: Computer Architecture
- University of WashingtonCSE 378: Machine Organization & Assembly Language
中国 985 高校
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