计算机体系结构
这门课学什么
课程讲现代处理器如何设计。内容包括指令集、流水线、缓存、超标量与乱序执行、分支预测、虚拟内存、GPU、多处理器和缓存一致性。配习题、期中和期末考试。
内容摘要
这门课讲现代高性能处理器怎样设计，深度相当于研究生课。它从指令集和流水线讲起，一路讲到乱序执行、超长指令字、向量机和多处理器缓存一致性。课程以普林斯顿 ELE 475 为蓝本，由文茨拉夫（David Wentzlaff）主讲。
全课 21 讲，分 3 个阶段。第 1 阶段是第 1–3 讲，复习基础：指令集架构、微码、流水线和缓存。第 2 阶段是第 4–12 讲，讲单核如何提高指令级并行：超标量、乱序执行、寄存器重命名、VLIW、分支预测和高级缓存技术。第 3 阶段是第 13–21 讲，讲内存保护和并行：虚拟内存与 TLB、向量处理器与 GPU、多线程、并行编程的一致性模型、总线和目录式缓存一致性，以及片上互连网络。
课程有 5 套习题（部分带 A 套补充题），每套之后公布答案。第 9 讲之后有期中考试，第 21 讲之后有期末考试。多数讲次附有阅读材料。
学完以后，学生能读懂处理器微架构文档，能分析流水线冒险和缓存缺失对性能的影响，能比较乱序、VLIW、向量和多线程几种并行方案的取舍，并理解多核系统里锁、内存栅栏和一致性协议的工作原理。
讲课以板书式幻灯片为主，文茨拉夫边画流水线图边推演每个周期发生什么。课程要求先学过数字逻辑和计算机组成。前 3 讲是复习，基础好的学生可以快速跳过。
为什么值得学
免费课程里很少有讲处理器设计这么深的。已有 33 万多人注册。
课程信息
- 学校
- 普林斯顿（Princeton）
- 课程号
- ELE 475
- 讲师
- 戴维·文茨拉夫（David Wentzlaff）
- 学期
- self-paced
- 平台
- Coursera
- 费用
- 免费
- 难度
- 高级
- 学时
- 21 个单元，Coursera 估计约 5 周 × 每周 10 小时
- 先修
- 需要数字逻辑和计算机组成基础。
- 材料
- 视频、作业、考试
- 许可证
- 未注明
课程大纲 · 共 21 节
大纲依据：Coursera 模块列表（21 讲，每讲一个模块；结构取自 api.coursera.org onDemandCourseMaterials.v2 与课程页）（查看原始页面 ↗）
- 1导论、指令集架构与微码Introduction, Instruction Set Architecture, and Microcode
介绍课程内容，区分体系结构和微体系结构，比较几种机器模型和指令集的特征。
- 2流水线复习Pipelining Review
讲微码实现的处理器和流水线基础，以及结构冒险和数据冒险。
- 3缓存复习Cache Review
讲跳转和分支引起的控制冒险，再讲存储器技术和引入缓存的原因。
- 4超标量 1Superscalar 1
讲缓存的分类和性能，再讲双发射顺序超标量处理器和取指对齐。
- 5超标量 2 与异常Superscalar 2 & Exceptions
讲超标量的对齐和旁路，讲中断与异常的处理，并引入乱序处理器。
- 6超标量 3Superscalar 3
按取指、发射、写回、提交各阶段是否顺序，比较几类乱序处理器的结构。
- 7超标量 4Superscalar 4
讲推测执行、寄存器重命名的两种实现，以及访存消歧（memory disambiguation）。
- 8超长指令字 1VLIW 1
讲乱序设计的复杂度上限，引入 VLIW 和配套的编译器优化，并介绍谓词执行。
- 9超长指令字 2VLIW 2
讲谓词执行的实现、推测执行和分簇 VLIW，并以 IA-64/安腾为案例。本讲之后是期中考试。
- 10分支预测Branch Prediction
讲分支的代价、静态和动态方向预测，以及目标地址预测。
- 11高级缓存 1Advanced Caches 1
讲基本缓存优化、缓存流水化、写缓冲、多级缓存、受害者缓存和预取。
- 12高级缓存 2Advanced Caches 2
讲多端口与分体、软件层的内存优化、非阻塞缓存，以及关键字优先和提前重启。
- 13内存保护Memory Protection
讲基址与界限寄存器、分页内存、地址转换与保护，以及 TLB 的处理。
- 14向量处理器与 GPUVector Processors and GPUs
讲缓存与内存保护的交互，再讲向量处理器的并行方式及其硬件和编译器优化。
- 15多线程Multithreading
讲归约、分散与聚集、Cray-1、SIMD 和 GPU，再讲粗粒度多线程和同时多线程。
- 16并行编程 1Parallel Programming 1
讲同时多线程的实现、并行的基本概念、顺序一致性和锁。
- 17并行编程 2Parallel Programming 2
讲锁与信号量、原子操作、内存栅栏和 Dekker 算法。
- 18小型多处理器Small Multiprocessors
讲总线的实现、缓存一致性问题和基于总线的一致性协议。
- 19多处理器互连 1Multiprocessor Interconnect 1
讲更多一致性协议、互连网络、消息传递和互连设计。
- 20多处理器互连 2Multiprocessor Interconnect 2
讲网络拓扑及其参数、网络性能、路由和流控。
- 21大型多处理器（目录协议）Large Multiprocessors (Directory Protocols)
讲基于信用的流控、死锁和伪共享，再讲目录式一致性协议的实现和扩展性。本讲之后是期末考试。
普林斯顿的其他经典课
- 算法（上） · Algorithms, Part I
- 算法（下） · Algorithms, Part II
- 计算机科学：有目的的编程 · Computer Science: Programming with a Purpose
- 计算机科学：算法、理论与机器 · Computer Science: Algorithms, Theory, and Machines
- 解析组合学 · Analytic Combinatorics
- 算法分析 · Analysis of Algorithms