CS自学指南-体系结构
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
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.周维.扫描版.pdf)
- 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
@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/NandToTetris - GitHub 中。
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
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：https://safari.ethz.ch/digitaltechnik/spring2020/
- 课程视频：https://www.youtube.com/playlist?list=PL5Q2soXY2Zi_FRrloMa2fUYWPGiZUBQo2
- 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)
- 课程实验：9 个实验从零开始设计 MIPS CPU，详见课程网站
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
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：https://cs61c.org/su20/
- 课程视频：B 站, Youtube
- 课程教材：无
- 课程作业：11 个 Lab，4 个 Project，具体要求详见课程网站
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。
CMU CS15213: CSAPP
课程简介
- 所属大学：CMU
- 先修要求：CS61A, CS61B
- 编程语言：C
CMU 大名鼎鼎的镇系神课，以其内容庞杂，Project 巨难而闻名遐迩。课程内容覆盖了汇编语言、体系结构、操作系统、编译链接、并行、网络等，作为系统入门课，兼具深度和广度，如果自学确实需要相当的毅力和代码功底。
这门课配合的教材由 CMU 计算机系主任 Bryant 教授执笔，也即所谓的 CSAPP。这也是我第一本认认真真一页一页读过去的计算机教材，虽然很难啃，但着实收获良多。
北大购买了这门课的版权并开设了 Introduction to Computer System 这门课，但其实 CSAPP 所有的课程资源和实验代码都能在它的官方主页上访问到（具体参见下方链接）。
这门课由于过于出名，全世界的码农争相学习，导致其 Project 的答案在网上几乎唾手可得。但如果你真的想锻炼自己的代码能力，希望你不要借鉴任何第三方代码。
认真学完这一门课，你对计算机系统的理解绝对会上升一个台阶。
课程资源
- 课程网站：http://csapp.cs.cmu.edu/
- 课程视频：https://www.bilibili.com/video/BV1iW411d7hd
- 课程教材：Computer Systems: A Programmer's Perspective, 3/E
- 课程作业：11 个 Project，代码框架全部开源
英语有困难的同学可以参考B站UP主九曲阑干对 CSAPP 的中文讲解（据说CMU的中国留学生也在CMU的课堂上看这个视频呢）。另外如果大家在看完 CSAPP 后对书中的第七章链接有一定的疑问，推荐阅读《程序员的自我修养》这本书，书的副标题是链接，装载与库。这本书能够帮助我们完善对程序链接的理解，相信你在看完这本书以后可以对程序的链接，ELF 文件，动态库都将有一个更加深入的理解。十分推荐在读完 CSAPP，对计算机系统有一定的了解以后作为补充资料来阅读。
