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#cs61c

CS61C 计算机体系结构导论 学习笔记

1. 课程脉络

时间轴

  • 第一讲:
    • 课程介绍：课程目标、教师和助教团队、课程资源、评分政策、迟交政策、学术诚信。
    • 核心概念：机器结构、计算机体系结构的伟大思想。
    • 数字表示：二进制、十进制、十六进制转换，有符号数表示（原码、反码、补码）、偏置编码 (Bias Encoding)。
    • 关键学者: Nick Weaver, Connor McMahon, Zoe Plaxco, Justin Yokota, Jerry Xu。

2. 理论框架

核心模型分层解析

  1. 抽象 (Abstraction)：

    • 基础假设：计算机系统通过多层抽象来管理复杂性。每一层都隐藏了下层的细节，仅向上层提供必要的接口。
    • 数学表达：抽象本身不直接涉及数学公式，但它体现了一种层次化的信息组织方式。

    • 应用场景：

      • 高级语言（如 C）通过编译器转换为汇编语言。
      • 汇编语言通过汇编器转换为机器语言。
      • 机器语言被硬件架构（如电路图）解释执行。
      • 每层抽象都为上层提供接口，简化复杂性。
        2. 摩尔定律 (Moore's Law, Moore 1965)：

    • 基础假设：集成电路上可容纳的晶体管数量，约每两年增加一倍。

    • 数学表达: 虽然摩尔定律本身不是一个精确的数学公式，但它可以用指数函数近似描述：

    \(N(t) = N_0 * 2^{(t/2)}\)
    其中 N(t) 是 t 年时的晶体管数量， N_0 是初始晶体管数量。

    • 应用场景：

      • 指导芯片设计，推动技术发展。
      • 最初导致单任务性能提升，现在更多地推动并行计算的发展。
        3. 局部性原理 (Principle of Locality) / 存储层次 (Memory Hierarchy)：

    • 基础假设：程序访问的数据和指令在时间和空间上都具有局部性。

    • 数学表达：局部性原理本身没有数学表达式，但它指导了存储层次的设计，以最小化数据访问的平均延迟。

    • 应用场景：

      • 存储层次结构包括高速缓存 (cache)、主存储器、磁盘等，以减少数据访问的延迟。
      • 利用局部性原理，将最常访问的数据放在最快的存储器中。
        4. 并行性 (Parallelism) & 阿姆达尔定律 (Amdahl's Law, Amdahl 1967)：

    • 基础假设：通过同时执行多个操作来提高计算性能。

    • 数学表达：阿姆达尔定律限制了并行加速的上限：

      \(\(S(n) = \frac{1}{(1-P) + \frac{P}{n}}\)\)

      其中 S(n) 是使用 n 个处理器获得的加速比，P 是可并行化的部分。

    • 应用场景：

      • 多核处理器、GPU、数据并行处理等，提高计算效率。

    • 尽管并行性很重要，但并非所有程序都可以完美并行化。
      5. 通过冗余实现可靠性 (Dependability via Redundancy)：

    • 基础假设：通过引入冗余组件来提高系统的可靠性和容错性。

    • 数学表达：冗余可以通过多种形式实现，例如：
      • N-模冗余（N-Modular Redundancy）：使用多个相同的组件，并通过投票机制来确定结果。
      • 奇偶校验：在数据中添加额外的校验位，以检测错误。

    • 应用场景：

      • 数据中心中的冗余服务器和存储设备。
      • RAID 磁盘阵列。
      • ECC 内存。
      • 冗余教师。

      Nick Weaver 强调，冗余性适用于从数据中心到教师的各个方面

3. 学术图谱

计算机体系结构领域发展树形图

graph LR
    A[冯·诺伊曼架构] --> B(指令集架构 ISA);
    A --> C(存储体系结构);
    A --> D(输入/输出);
    B --> E[复杂指令集计算CISC<br> x86];
    B --> F[精简指令集计算RISC<br> RISC-V];
    C --> G(高速缓存);
    C --> H(虚拟内存);
    D --> I(总线);
    D --> J(DMA);
    E -- 争议: 复杂性 --> K(高性能但设计复杂);
    F -- 争议: 简单性 --> L(易学易用);
    G --> M(多级缓存);
    H --> N(分页);
    I --> O(并行总线);
    J --> P(减少CPU负载);
    K --> Q(Intel, AMD);
    L --> R(ARM, RISC-V);
    style K fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style L fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

4. 案例精析

[RISC-V 指令集架构]

  • 背景条件：传统指令集架构（如 x86）过于复杂，不利于教学和研究。
  • 分析方法：采用精简指令集（RISC）设计理念，简化指令集，提高执行效率。
  • 结论启示：RISC-V 成为一个开源的硬件替代方案，在学术界和工业界被广泛接受。

相关论文推荐: Waterman, A., Lee, Y., Asanovic, K., & Patterson, D. A. (2016). The RISC-V instruction set manual (Vol. 1).

[Google 的数据中心]

  • 背景条件：数据中心需要高可靠性和高可用性。
  • 分析方法：通过冗余技术来提高系统的容错能力，包括冗余服务器、冗余磁盘 (RAID)、和冗余数据中心。

  • 结论启示：冗余是构建高可靠性系统的关键，即使硬件失效，服务也能正常运行。

    相关论文推荐: Barroso, L. A., & Hölzle, U. (2009). The datacenter as a computer: an introduction to the design of warehouse-scale machines. Synthesis Lectures on Computer Architecture, 4(1), 1-120.

[Valgrind 内存调试工具]

  • 背景条件：C 语言的内存管理不安全，容易产生内存泄漏和段错误等问题。
  • 分析方法：Valgrind 可以动态分析程序的内存使用情况，检测内存错误。

  • 结论启示：使用 Valgrind 可以帮助程序员定位和修复内存问题，确保代码的正确性。

    相关论文推荐: Nethercote, N., & Seward, J. (2007). Valgrind: a framework for heavyweight dynamic binary instrumentation. ACM SIGPLAN Notices, 42(10), 89-100.

5. 思辨空间

课堂讨论关键辩题

辩题 正方观点 反方观点
CISC vs RISC CISC 指令复杂，功能强大，易于编写汇编代码 RISC 指令简单，易于硬件实现，执行效率更高
作弊惩罚力度 严厉惩罚作弊行为，以维护学术诚信 过度严厉的惩罚可能会导致学生不敢寻求帮助。
课程难度 课程内容丰富，涵盖计算机体系结构的核心概念，对学生要求较高。 课程难度过高可能导致学生压力过大，影响心理健康。
是否需要买书 建议购买教材，以便深入学习课程内容 可以租用教材或使用在线资源，不必强制购买。
线上学习 Zoom 可以提高互动性，方便提问 线上学习可能导致学生注意力分散，难以专注学习。

增值模块

1. 认知脚手架

  • 知识迁移地图：
    • 理论层面：将抽象、并行性、冗余等概念应用于软件、硬件、系统设计。
    • 实践层面：将 C 语言、RISC-V 汇编、Logisim 等工具应用于实际的项目开发。
    • 现实层面：通过理解计算机体系结构，可以更好地理解和使用计算机系统。
    • 例如，理解存储层次可以优化程序性能，理解并行性可以编写高效的并行程序。

2. 学术预警系统

  • 高频考点：
    • ★ ★ ★ ★ 二进制、十六进制转换，补码表示，溢出
    • ★ ★ ★ 存储层次结构，并行性概念
    • ★ ★ 抽象的概念，摩尔定律的影响， 冗余的意义
  • 常见论证误区：
    • 以偏概全：不能因为 RISC-V 在某些方面比 x86 好就认为 RISC-V 在所有方面都优于 x86。
    • 过度简化：不能认为并行化可以解决所有性能问题，阿姆达尔定律限制了并行加速的上限。
    • 逻辑谬误：不能认为只要努力学习就能保证不作弊，学术诚信需要严格遵守规则。

3. 教授思维透视

  • 论证偏好：
    • Nick Weaver 教授强调安全，并将其融入到课程的各个方面。
    • 他倾向于将计算机系统视为一个需要工程化设计的复杂系统，而非仅仅是技术实现。
    • 他还强调实际动手能力，鼓励学生使用 Valgrind 等工具进行调试。
  • 学术倾向:
    • Nick Weaver 教授对网络安全和硬件安全有浓厚兴趣。
    • 他倾向于采用实用主义的视角看待计算机体系结构。

彩虹表格：易混淆概念对比

概念 定义 代表人物 典型应用
原码 最高位表示符号，其余位表示数值 直接表示有符号数，但运算复杂
反码 正数与原码相同，负数符号位不变，其余位按位取反 常用于中间转换，运算复杂
补码 正数与原码相同，负数反码加1 现代计算机中表示有符号数的标准方法，运算简便