CS15-体系结构

Bar-Ilan University Coursera: Nand2Tetris

课程简介

所属大学：希伯来大学
先修要求：无
编程语言：任选一个编程语言
课程难度：🌟🌟🌟
预计学时：40 小时

Coursera 上被数万人评为满分，在全球四百多所高校、高中被采用，让一个完全没有计算机基础的人从与非门开始造一台计算机，并在上面运行俄罗斯方块小游戏。

听起来就很酷对不对？实现起来更酷！这门课分为硬件和软件两个部分。在硬件部分，你将进入 01 的世界，用与非门构造出逻辑电路，并逐步搭建出一个 CPU 来运行一套课程作者定义的简易汇编代码。在软件部分，你将编写一个编译器，将作者开发的一个名为Jack的高级语言编译为可以运行在虚拟机上的字节码，然后进一步翻译为汇编代码。你还将开发一个简易的 OS，让你的计算机支持输入输出图形界面。至此，你可以用 Jack 开发一个俄罗斯方块的小游戏，将它编译为汇编代码，运行在你用与非门搭建出的 CPU 上，通过你开发的 OS 进行交互。学完这门课程，你将对整个计算机的体系结构有一个全局且深刻的理解，对于你后续课程的学习有着莫大的帮助。

你也许会担心课程会不会很难，但这门课面向的人群是完全没有计算机基础的人，课程作者的目标是让高中生都能理解。因此，只要你按部就班跟着课程规划走，一个月内学完应该绰绰有余。麻雀虽小但是五脏俱全，这门课很好地提取出了计算机的本质，而不过多地陷于现代计算机为了性能而设计出的众多复杂细节。让学习者能在轻松愉快的学习体验中感受计算机的优雅与神奇。

课程资源

课程网站：Nand2Tetris I, Nand2Tetris II
课程视频：详见课程网站
课程教材：计算机系统要素：从零开始构建现代计算机
课程作业：10 个 Project 带你造台计算机，具体要求详见课程网站

资源汇总

在学习这门课中用到的所有资源和作业实现都汇总在 PKUFlyingPig/NandToTetris – GitHub 中。

UCB CS61C: Great Ideas in Computer Architecture

课程简介

所属大学：UC Berkeley
先修要求：CS61A, CS61B
编程语言：C
课程难度：🌟🌟🌟🌟
预计学时：100 小时

伯克利 CS61 系列的最后一门课程，深入计算机的硬件细节，带领学生逐步理解 C 语言是如何一步步转化为 RISC-V 汇编并在 CPU 上执行的。和 Nand2Tetris 不同，这门课在难度和深度上都会提高很多，具体会涉及到流水线、Cache、虚存以及并发相关的内容。

这门课的 Project 也非常新颖有趣。Project1 会让你用 C 语言写一个小程序，20 年秋季学期是著名的游戏 Game of Life。Project2 会让你用 RISC-V 汇编编写一个神经网络，用来识别 MNIST 手写数字，非常锻炼你对汇编代码的理解和运用。Project3 中你会用 Logisim 这个数字电路模拟软件搭建出一个二级流水线的 CPU，并在上面运行 RISC-V 汇编代码。Project4 会让你使用 OpenMP, SIMD 等方法并行优化矩阵运算，实现一个简易的 Numpy。

总而言之，这是个人上过的最好的计算机体系结构的课程。

课程资源

课程网站
课程网站 (页面备份): Fa24-WayBack Machine, Fa20-WayBack Machine, Fa20-备份
课程视频: Su20-Bilibili, Su20-Youtube, Fa20-Bilibili, Fa20-Youtube
课程作业: Fa20-备份

资源汇总

@PKUFlyingPig 在学习这门课中用到的所有资源和作业实现都汇总在 PKUFlyingPig/CS61C-summer20 – GitHub 中。

@InsideEmpire 在学习这门课中用到的所有资源和作业实现都汇总在 @InsideEmpire/CS61C-fall20 – GitHub 中。

@RisingUppercut 在学习这门课中用到的所有资源和作业实现都汇总在 @RisingUppercut/CS61C-fall24 – GitHub 中。

ETH Zurich：Digital Design and Computer Architecture

课程简介

所属大学：ETH Zurich
先修要求：CS50 或同阶课程，最好有 C 语言基础。
编程语言：C，Verilog，MIPS 汇编，LC3 汇编
课程难度：🌟🌟🌟
预计学时：100 小时

体系结构领域的大牛 Onur Mutlu 来教你数字电路和计算机体系结构。课程完全从计算机设计的角度出发，从晶体管、逻辑门开始，一直讲解到微架构、缓存和虚拟内存，还会介绍很多体系结构领域最新的研究进展。课程共有 9 个 lab，使用 Basys 3 FPGA 开发板（可自行购买）和 Xilinx 公司的 Vivado 软件（可在官网免费下载使用）进行电路设计，从组合电路和时序电路开始，一直到最后部署一个完整的 CPU。课程资料除了 lab 答案和当期考试答案之外全部开源，学完之后你可以掌握计算机相关的数字电路，Verilog 硬件描述语言，MIPS 与 C 之间的转换关系，MIPS 单周期多周期流水线 CPU 的设计和性能分析，缓存，虚拟内存等重要概念。

课程资源

课程网站：2020,2023
课程视频：youtube, B站2020年版本搬运
课程教材1：Patt and Patel, Introduction to Computing Systems
课程教材2：Harris and Harris, Digital Design and Computer Architecture (MIPS Edition) 中文译本为《数字设计和计算机体系结构(原书第2版)》
课程实验：9 个实验从零开始设计 MIPS CPU，详见课程网站

ETH: Computer Architecture

课程简介

所属大学：ETH Zurich
先修要求：DDCA
编程语言：C/C++，verilog
课程难度：🌟🌟🌟🌟
预计学时：70 小时 +

讲解计算机体系结构，授课教师是 Onur Mutlu 教授。本课程根据课程描述应该是DDCA的进阶课程，课程目标是学习如何为类MIPS处理器设计控制和数据通路硬件，如何通过流水线和简单的超标量执行使机器指令同时执行，以及如何设计快速的内存和存储系统。根据同学反馈，从课程本身的难度上说，至少高于 CS61C ，课程的部分内容十分前沿，B站搬运UP主建议大家作为卡内基梅隆大学18-447的补充。所提供的阅读材料十分丰富，相当于听了一学期讲座。

以下是官网的介绍：

We will learn the fundamental concepts of the different parts of modern computing systems, as well as the latest major research topics in Industry and Academia. We will extensively cover memory systems (including DRAM and new Non-Volatile Memory technologies, memory controllers, flash memory), new paradigms like processing-in-memory, parallel computing systems (including multicore processors, coherence and consistency, GPUs), heterogeneous computing, interconnection networks, specialized systems for major data-intensive workloads (e.g. graph analytics, bioinformatics, machine learning), etc. We will focus on fundamentals as well as cutting-edge research. Significant attention will be given to real-life examples and tradeoffs, as well as critical analysis of modern computing systems.

编程实践采取 Verilog 设计和模拟类 MIPS 流水线处理器的寄存器传输（RT）实现，以此加强对理论课程的理解。因此前几个实验会有 verilog 的 CPU 流水线编程。同时还将使用C语言开发一个周期精确的处理器模拟器，并使用该模拟器探索处理器设计选项。