清华大学计算机组成原理课程 —— 样本代码仓库
本仓库基于 Patterson & Hennessy《计算机组成与设计 (RISC-V Edition)》体系构建，提供 48 个完整可运行 C++ 实现，涵盖 12 章、4 大知识领域。每个文件对应一个核心概念的模拟器/演示器。适合：
- 清华计算机组成原理课程的学习者
- 408/826 计算机考研复习
- CPU/缓存/流水线等硬件概念的实践理解
- 体系结构方向的面试准备
ca/
├── Hello.cpp # 仓库入口
│
╔══ Part I: 基础篇 (01-03) — 性能/数据/运算 ═════════════════════════════╗
║ ║
├── 01_introduction/ # 第1章 计算机导论
│ ├── performance_metrics.cpp # 性能度量 (CPI/MIPS/CPU时间)
│ ├── amdahl_law.cpp # Amdahl定律 & 加速比分析
│ └── moores_law.cpp # 摩尔定律 & 工艺演进
│
├── 02_data_representation/ # 第2章 数据表示
│ ├── integer_representation.cpp # 补码/溢出/符号扩展
│ ├── ieee754.cpp # IEEE 754 浮点数编码
│ ├── endianness.cpp # 大端/小端 & 字节序转换
│ └── character_encoding.cpp # ASCII/Unicode/UTF-8
│
├── 03_arithmetic/ # 第3章 算术运算
│ ├── alu.cpp # 32-bit ALU 完整实现
│ ├── adder_designs.cpp # RCA/CLA 加法器对比
│ ├── multiplier.cpp # Shift-Add/Booth/Wallace Tree
│ ├── divider.cpp # Restoring/Non-Restoring 除法
│ └── floating_point_ops.cpp # 浮点加减乘除 & 舍入
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╔══ Part II: 处理器设计 (04-07) — ISA/单周期/流水线/冒险 ═════════════════╗
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├── 04_isa/ # 第4章 指令集架构
│ ├── riscv_isa.cpp # RISC-V ISA 概述 & 设计哲学
│ ├── instruction_decode.cpp # 指令解码器 (6种格式)
│ ├── assembler.cpp # RISC-V 汇编器 (text→binary)
│ └── disassembler.cpp # RISC-V 反汇编器 (binary→text)
│
├── 05_single_cycle/ # 第5章 单周期CPU
│ ├── datapath.cpp # 数据通路 (RegFile/Mem/PC)
│ ├── control_unit.cpp # 控制单元 (opcode→控制信号)
│ └── single_cycle_cpu.cpp # 完整单周期CPU模拟器
│
├── 06_pipeline/ # 第6章 流水线
│ ├── pipeline_registers.cpp # 流水线寄存器 (IF/ID/EX/MEM/WB)
│ ├── five_stage_pipeline.cpp # 5级流水线时空图
│ ├── pipeline_timing.cpp # 周期级时序追踪 & RAW检测
│ └── pipeline_simulator.cpp # 流水线性能模拟器
│
├── 07_hazards/ # 第7章 冒险处理
│ ├── data_hazards.cpp # 数据冒险 (RAW/WAW/WAR)
│ ├── forwarding_unit.cpp # 前递单元 (EX/MEM & MEM/WB)
│ ├── control_hazards.cpp # 控制冒险 & 分支惩罚
│ └── hazard_simulator.cpp # 综合冒险模拟 (前递+停顿+冲刷)
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╚══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╝
╔══ Part III: 存储与I/O (08-10) — 缓存/虚拟内存/总线 ═════════════════════╗
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├── 08_cache/ # 第8章 缓存
│ ├── cache_organization.cpp # 直接映射/组相联/全相联
│ ├── cache_replacement.cpp # LRU/FIFO/Random/OPT 替换
│ ├── cache_write_policy.cpp # Write-Through vs Write-Back
│ ├── cache_simulator.cpp # 缓存模拟器 (3C缺失模型)
│ └── cache_performance.cpp # AMAT & CPI影响 & 多级缓存
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├── 09_virtual_memory/ # 第9章 虚拟内存
│ ├── page_table.cpp # 两级页表 & 多级页表
│ ├── tlb_simulator.cpp # TLB 模拟器
│ ├── address_translation.cpp # 地址翻译全程 (VA→TLB→PT→PA)
│ └── page_replacement.cpp # 页面替换 (FIFO/LRU/Clock/OPT)
│
├── 10_io_bus/ # 第10章 I/O与总线
│ ├── mmio_dma.cpp # MMIO & DMA 传输
│ ├── interrupt_handler.cpp # 中断处理 & 异常向量表
│ └── bus_arbitration.cpp # 总线仲裁 (优先级/Round-Robin)
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╚══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╝
╔══ Part IV: 高级架构 (11-12) — 分支预测/超标量/一致性/SIMD ═════════════╗
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├── 11_branch_prediction/ # 第11章 分支预测
│ ├── static_predictor.cpp # 静态预测 (BTFN/Profiling)
│ ├── dynamic_predictor.cpp # 动态预测 (1-bit/2-bit BHT)
│ ├── correlating_predictor.cpp # 关联预测 (GShare/Tournament)
│ └── branch_simulator.cpp # 综合模拟 (BTB+BHT+RAS)
│
├── 12_advanced_arch/ # 第12章 高级架构
│ ├── superscalar.cpp # 超标量多发射 & IPC分析
│ ├── tomasulo.cpp # Tomasulo算法 & 乱序执行
│ ├── cache_coherence.cpp # MESI缓存一致性协议
│ └── simd_vector.cpp # SIMD & 向量处理 (SSE/AVX/NEON)
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╚══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╝
每个 .cpp 文件均可独立编译运行：
g++ -std=c++17 01_introduction/performance_metrics.cpp -o perf
./perf| 章节 | 核心内容 | 关键概念 |
|---|---|---|
| 计算机导论 | 性能度量、Amdahl/Gustafson定律、摩尔定律 | CPI, MIPS, Speedup |
| 数据表示 | 补码、IEEE 754、字节序、字符编码 | Two's complement, NaN, Endianness |
| 算术运算 | ALU、加法器(CLA)、乘法器(Booth)、除法器 | Carry Lookahead, Wallace Tree |
| 章节 | 核心内容 | 关键概念 |
|---|---|---|
| 指令集架构 | RISC-V ISA、指令格式、汇编/反汇编 | R/I/S/B/U/J, 6 formats |
| 单周期CPU | 数据通路、控制单元、完整CPU模拟器 | Datapath, Control Signals |
| 流水线 | 5级流水线、时序图、性能模型 | IF/ID/EX/MEM/WB, Speedup |
| 冒险处理 | 数据冒险、前递单元、控制冒险 | Forwarding, Load-Use Stall |
| 章节 | 核心内容 | 关键概念 |
|---|---|---|
| 缓存 | 组织方式/替换/写策略/模拟器/性能 | AMAT, 3C Misses, Write-Back |
| 虚拟内存 | 页表/TLB/地址翻译/页面替换 | Page Walk, TLB Miss, Clock |
| I/O与总线 | MMIO/DMA/中断/总线仲裁 | BusRdX, Interrupt Vector |
| 章节 | 核心内容 | 关键概念 |
|---|---|---|
| 分支预测 | 静态/动态/GShare/Tournament/BTB+RAS | BHT, TAGE, Perceptron |
| 高级架构 | 超标量/Tomasulo/MESI/SIMD | ILP, Register Renaming, MESI |
- 教材: Patterson & Hennessy, Computer Organization and Design: RISC-V Edition
- 进阶: Hennessy & Patterson, Computer Architecture: A Quantitative Approach
- RISC-V: RISC-V ISA Manual Vol.1
本仓库由以下 AI 协作完成：
- 代码架构与实现: Claude (Anthropic) — 生成全部 C++ 代码，设计目录结构与测试用例
- 推理引擎: DeepSeek V4 Pro (1M 上下文) — 提供底层推理能力支持
所有代码经人工审查确认，AI 工具仅作为生产力辅助。
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