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1内容

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2CSEE 3827：计算机系统基础，2026年春季

第0讲

Dan Rubenstein教授 (danr @cs.columbia.edu)

3Ch0.1. 今日讲座：课程事宜 Today’s Lecture: Course Logistics P1

• 仅涵盖课程结构
• 评分
• 家庭作业与答疑时间政策（P学分）
• 助教
• 需要注册的事项（课程日历、答疑时间安排）
• 课程的非常高层概览
• 书籍/先修课程

4Ch0.2. 关于骚扰的免责声明 Disclaimer on Harassment P2

• 我和助教必须向 http://eoaa.columbia.edu 报告任何骚扰/骚扰指控

5Ch0.3. 本周3827待办事项 Your To-Do list for 3827 for this week P3

1Ch0.3.1. 待办事项 To-Do P3

• 通过 Courseworks 登录 EdStem（所有分部都将通过第1分部）
• 尝试完成家庭作业#0（可在 Courseworks 的“文件”下的“家庭作业”中找到）
• 1月27日星期二之前： 提供考试冲突信息：
• 期中考试冲突：3月5日，晚上6-9点（3月3日和4日作为备用，如果3月5日没有教室）。 (注意：下划线表示超链接)
• [期末考试冲突（5月8日，晚上6-9点）](https://docs.google.com/forms/d/e/1FAIpQLSdXwZgXyXyXyXyXyXyXyXyXyXyXyX/viewform) (注意：下划线表示超链接)
• 1月24日星期六之前： 提供您的P学分答疑时间安排 (http://uribe.cs.columbia.edu/sched/table.php)

6Ch0.4. 讲座：2个分部 Lecture: 2 sections P4

• 周二、周四分部
• 10:10-11:25（第1分部），11:40-12:55（第2分部）
• 您已注册其中一个分部
• 将尽可能在各分部间合并课程。
• 已合并：
• Courseworks/EdStem
• 答疑时间安排
• 家庭作业
• 考试！
• 未合并（官方）：
• 讲座时间

7Ch0.5. 分部政策 Section Policy P5

• 教务处已将您注册到特定分部
• 您属于哪个分部并不重要（除了下一页所述的小例外）。所以您可以
• 参加任何分部的讲座（或参加一个以上）
• 期中和期末考试是“集中”的，时间和地点不会因您注册的分部而异。

8Ch0.6. 分部政策例外 Section Policy Exceptions P6

• 如果教室过满（可能性不大），优先顺序为：
• a) 尚未参加过早期版本讲座的人
• b) 无法参加后期版本讲座的人
• c) “正式注册”的人
• 考试：由于不在上课时间进行，我正在评估冲突（请参阅这些幻灯片第5页上的链接和日期）
• 可接受的理由：课程冲突、宗教冲突等。
• 指明具体冲突（课程编号、如果不是课程相关的时间限制）
• 不可接受的理由：“提早离镇”、“忙碌的一周”等。

9Ch0.7. 沟通 Communications P7

1Ch0.7.1. 沟通方式 Ways to communicate P7

• 课堂上（讲座中）
• 答疑时间
• 通过电子邮件
• 在 EdStem 上

10Ch0.8. 电子邮件：主题行 Email: subject header P8

• 给Rubenstein教授+助教发邮件：3827-staff @googlegroups.com
• 仅给Rubenstein教授发邮件
• 请务必在邮件主题行中包含“3827”！！！
• 我每周会批量处理几次课程邮件
• 我会搜索主题中的“3827”。如果不在那里，我将错过您的邮件。
• 我经常错过的邮件主题：
• “基础”、“您的课”、“问题”、“求助”、“疑问”等。

11Ch0.9. 电子邮件示例 #1 Email example P9

致： danr @cs.columbia.edu

主题： Urgent Fundies issue

日期： April 21, 2022

Hi Prof. Rubenstein,

My cat died and I’m real depressed, and HW is due tomorrow. The TA said they wouldn’t give me an extension without your ok. Can you please let me know? Thanks!

(下一页注释：主题中没有3827！！！)

12Ch0.10. 电子邮件示例 #2 Email example P10

致： danr @cs.columbia.edu

主题： Urgent Fundies issue

日期： April 21, 2022

Hi Prof. Rubenstein,

My cat died and I’m real depressed, and HW is due tomorrow. The TA said they wouldn’t give me an extension without your ok. Can you please let me know? Thanks!

致： xxx @xxxxx

主题： Re: Urgent Fundies issue

日期： May 5, 2022

Hi xxx,

Sorry to hear about your fish. Having a fish myself, I can appreciate how one dying can make things very difficult, and such a request has merit. However, I’m sorry but I only read this email today: since “3827” wasn’t part of the subject, I missed it when doing a pass over the email related to the class. Please remember to include “3827” in future correspondence related to the class.

DR

13Ch0.11. Courseworks/EdStem Courseworks/EdStem P11

• 我们将尽可能少地使用 Courseworks。仅用于：
• EdStem
• 发布文件（家庭作业、解决方案、之前的期中和期末考试等）
• 助教使用的任何工具（Gradescope？）
• 我们将专门使用 EdStem 进行：
• Courseworks 上发布内容的通知（讲义、家庭作业、解决方案等）
• 在线问答

14Ch0.12. 评分 Grading P12

1Ch0.12.1. “原始”分数 “Raw” Grade P12

• “原始”分数由三部分组成：
• M： 期中考试：期中考试日期3月5日，晚上6:30-9:30（暂定）
• F： 期末考试：
• 尝试安排在5月8日星期五晚上。
• 如果不行，可能在5月14日（上午9-12点）第1分部官方时间
• H： 家庭作业
• “原始”分数 S = 10% H + Max(30% M + 60% F, 45% M + 45% F)
• 如果您与这些日期有有效冲突，请在1月27日（星期二）之前通过幻灯片5上的网络表格告知我（Rubenstein教授）

2Ch0.12.2. “提升后的分数” “Boosted Grade” P12

• 您可以通过每周参加答疑时间来提高期末成绩
• 答疑时间参与分数P： 如果您在答疑时间获得P分（介于0和0.3之间），您的原始分数将为：
• 100 P + (1-P) S (回忆 S = 10% H + Max(30% M + 60% F, 45% M + 45% F))
• 让我们看看这意味着什么...

15Ch0.13. 更多关于P More on P P13

• 回顾：提升后的分数 = 100 P + (1-P) \* S
• 0 < P < 0.3（您仍然需要参加期中和期末考试）
• 从不参加答疑时间：P=0，提升后的分数 = S
• 总是参加：P=0.3，提升后的分数 = 30 + 0.7 \* S

(显示图表：“答疑时间参与如何帮助提高您的成绩”。X轴：原始期末/期中平均分[0-100]。Y轴：最终分数[0-100]。显示三条线：完全参加答疑时间（顶部），半数参加答疑时间（中间），不参加答疑时间（底部）。)

16Ch0.14. 3827 S'24 成绩一览 3827 S’24 grades View P14

(显示图表：“3827 Final Grades Sp24”。面积图显示了从A+到F的原始成绩与最终成绩分布之间的关系。)

17Ch0.15. 3827 S'23 成绩一览 3827 S’23 grades View P15

(显示图表：“3827 Final Grades Sp23”。面积图显示了从A+到F的原始成绩与最终成绩分布之间的关系。)

18Ch0.16. 家庭作业 Homework P16

• 将布置家庭作业（8或9份）
• 家庭作业将在答疑时间讨论/完成
• 家庭作业将按3分制提交和评分：
• 0：没做，1：做得不好，2：大部分正确，3：几乎完美
• 学习/准备在答疑时间讨论某些内容
• 完成家庭作业将帮助您准备考试。

19Ch0.17. 家庭作业 #0 HW #0 P17

• 有一个初步的家庭作业（非强制），以确保您具备课程所需的背景知识
• 模块化算术
• 基本逻辑
• 位移
• 科学计数法
• 数据流
• 2的幂问题（排列 k 位的方法，门深度）
• 编码/内存

20Ch0.18. 答疑时间与P学分 Office Hours and P-Credit P18

1Ch0.18.1. Rubenstein教授的答疑时间 Prof. Rubenstein’s OH P18

• 每周：周三、周四上午8-9点
• 我可能每周会因其他事务而缺席一天（请查看答疑时间日历/EdStem上的通知）
• 或通过预约（发邮件给我，主题中包含3827）：
• 最好在邮件中说明您的空闲时间
• 这样可以省去您等待我发邮件询问“您何时有空”，然后再次往返
• PS - 我的空闲时间有限

2Ch0.18.2. 答疑时间分数（P） Office Hour Score (P) P18

• 每个人都将被分配到一个特定的答疑时间
• 通过参加完整的答疑时间来增加P
• 通过参与答疑时间来增加P
• 通过展示您已完成家庭作业来增加P
• 重要：请务必在1月24日星期六晚上11:59之前在 http://uribe.cs.columbia.edu/sched/table.php 上提供您的空闲时间
• 必须提供至少10小时的潜在空闲时间段
• 每个时间段可选择第一、第二、第三优先级
• 选择以半小时为起始的整点时间块
• 算法将尝试优化所有学生请求

3Ch0.18.3. 更多关于答疑时间 More on Office Hours P18

• 您只有参加了分配给您的答疑时间才能获得P学分
• 您仍然可以自由参加其他答疑时间
• Rubenstein教授的答疑时间不计P学分，除非获得特殊许可
• 助教可酌情允许学生为非分配的答疑时间获得学分（例如，如果某周无法参加）。最好提前询问
• 每周最多1个学分（不能通过某一周参加多次答疑时间来弥补错过的周）
• 更改P学分答疑时间需要相关助教和Rubenstein教授的批准

21Ch0.19. 答疑时间日历 Office Hours Calendar P19

• 提供包含我们（教授、助教）答疑时间的Google/iCal日历
• 如果答疑时间在任何一周需要更改（例如，取消、移动），将进行更新
• 日历链接：
• ical: https://calendar.google.com/calendar/ical/16uc8kberc2b6ddrq6e49dv3k%40group.calendar.google.com/public/basic.ics
• html: https://calendar.google.com/calendar/embed?src=16uc8kberc2b6ddrq6e49dv3k%40group.calendar.google.com&ctz=America/New_York

1Ch0.19.1. 关于答疑时间的思考 Thoughts on Office Hours P19

• 提供了一个真正学习/理解材料的好机会
• 即使它不是成绩要求的一部分，您也应该去
• 助教们都非常期待与您见面/合作

22Ch0.20. 助教 TAs P20

• 共有10位助教：
• (列表中有助教名字，但此处未显示)
• 所有助教和教授均可通过电子邮件地址联系：3827-staff @googlegroups.com
• 也可通过 EdStem 联系

23Ch0.21. LLMs LLMs P21

• 在考试中您将无法访问LLMs，而考试是您成绩的大部分
• 对于家庭作业，我无法阻止您使用它们
• 学习的唯一方法是实践
• 因此，当遇到困难时，请策略性地使用它们寻求帮助

24Ch0.22. 课程 The Course P22

1Ch0.22.1. 为什么这门课很重要？ Why is this Course Important? P22

• 基本 计算机科学硬件理解：这些我们日常使用的机器是如何“在底层”工作的
• 硬件理解：
• 为什么有时钟？
• 苹果新的M5芯片有4.7 GHz时钟：即每秒4,700,000,000条“指令”。那么一条“指令”期间完成了什么？为什么时钟不能更快？
• CPU到底能做什么？
• 我们将学习基本 CPU指令集（MIPS），并为其构建架构（从数字角度）
• 我们将涵盖这些指令如何组合以实现低级语言（例如C、Java）指令

2Ch0.22.2. 为什么这门课很重要？（续） Why is this Course Important? (cont'd) P22

• 硬件理解（续）：
• 内存是什么（从硬件角度）？例如，为什么M5芯片只能支持16 Giga、24或32 Giga的内存？
• 我们将构建内存（从数字角度），并学习一些关于其使用基础知识（存储数据、存储地址[指针]、实现栈）
• 大脑的新技能：“并行思维”：参见https://www.youtube.com/watch?v=8Pf8BkFLBRw（警告：暴力内容！）
• 计算机的“大脑”与人类大脑的工作方式截然不同
• 人们按顺序思考（一次一个计算线程）：思考和使用
• 电路几乎总是被构建成一次处理多个“线程”，然后组合（或丢弃）

3Ch0.22.3. 为什么这门课很重要？（NVIDIA案例） Why is this Course Important? P22

• 问：这是哪家科技公司？

(显示2019年1月18日至2024年的股价图。价格547.10。小字显示股票代码NVDA)

32.23

4Ch0.22.4. 为什么这门课很重要？（NVIDIA案例） Why is this Course Important? P22

• 问：这是哪家科技公司？

(图表重复)

• 答：NVIDIA
• 他们生产GPU
• GPU是什么？
• 在这门课中，我们学习CPU是什么：这是理解GPU的一大步

5Ch0.22.5. 为什么这门课很重要？（最后思考） Why is this Course Important? (Final Thoughts) P22

• 对于未来的 计算机科学课程非常有用，在显而易见和令人惊讶的地方：
• 基本编程：理解您正在实现的各种操作的复杂性：理解为什么您的代码可能“慢”
• 系统（操作系统/网络/数据库）：这些系统属性的良好设计需要理解“底层”
• 编程语言：它们“编译”或“解释”成芯片的机器代码“语言”
• 机器学习/人工智能：它们今天的效率部分归功于人工智能系统的专用芯片设计。此前，用于图形的GPU被重新利用于人工智能。
• 量子计算（当前的量子计算“程序”非常基于“电路”）
• 我确信还有很多...

25Ch0.23. ChatGPT #1 ChatGPT #1 P23

(ChatGPT提示和回复的截图)

问： 解释为什么人类应该学习计算机架构课程

答： 计算机架构课程可以让人更深入地了解计算机系统如何工作，包括计算机的硬件和软件组件的设计和组织。这种知识对于任何在计算机科学或工程相关领域工作的人都很有价值，例如软件开发、系统管理或网络架构。此外，学习计算机架构课程可以帮助人们在计算机系统的设计和实现方面做出更明智的决策，无论是个人使用还是专业使用。它还可以使人们具备故障排除和优化计算机系统以获得更好性能的能力。

26Ch0.24. ChatGPT #2 ChatGPT #2 P24

(ChatGPT提示和回复的截图)

问： 为什么计算机架构课程能帮助学生理解人工智能、机器学习、用户界面设计、图形或量子计算等看似不相关的主题？

答： 计算机架构课程可以通过以下几种方式帮助学生理解人工智能、机器学习、用户界面设计、图形和量子计算等看似不相关的主题：

• 理解硬件限制：理解计算机架构的基本知识可以帮助学生更好地理解硬件对软件和应用施加的限制，包括人工智能和机器学习算法，以及量子计算。这可以帮助他们设计更高效和有效的系统。
• 理解性能：理解计算机架构的基本原理可以帮助学生优化其系统的性能，包括人工智能和机器学习算法，以及量子计算。这可以帮助他们设计运行更快、可以处理更多数据的系统。
• 理解并行计算：理解计算机架构的基本知识可以帮助学生更好地理解如何利用并行计算，这对于许多人工智能和机器学习算法以及量子计算至关重要。
• 理解用户界面设计：理解计算机架构的基本知识可以帮助学生理解计算机硬件如何影响用户体验，这可以帮助他们设计更高效和用户友好的界面。
• 理解图形：理解计算机架构的基本知识可以帮助学生理解计算机硬件如何影响图形处理和渲染，这可以帮助他们设计更高效和有效的图形算法。
• 理解量子计算：理解计算机架构的基本知识可以帮助学生理解量子计算的基本原理和局限性，这是一个快速发展的领域，需要对计算机架构有深入的理解。

总而言之，计算机架构课程可以通过让学生更深入地理解底层硬件限制、性能优化、并行计算、用户体验和图形处理，以及量子计算的底层原理和局限性，来帮助学生理解人工智能、机器学习、用户界面设计、图形和量子计算等看似不相关的主题。

27Ch0.25. 课程内容是... Course is about... P25

• 从 数字/逻辑角度构建 计算机
• 介绍/概览
• 处理布尔值（1=真，0=假，基本算术，整数#表示）
• 使用AND、OR、NOT操作
• 构建计算机中使用的简单 布尔表达式/电路：
• 移位器、译码器、编码器、加法器等
• 学习如何简化电路（卡诺图）
• 用“状态”构建基本电路（锁存器、触发器）
• 构建常见的有状态电路（计数器、寄存器）

1Ch0.25.1. 课程内容（续） Course about (cont’d) P25

• 通过状态机设计有状态电路
• RAM内存设计
• 寄存器设计
• 课程第二部分：使用第一部分设计的电路来构建一台计算机
• MIPS架构和MIPS汇编
• ALU设计，控制字处理
• 构建 MIPS 微处理器（包括分支和跳转）
• 流水线架构
• 第三部分：一些内存层次结构细节（缓存，虚拟内存）

28Ch0.26. 课程知识 Knowledge for class P26

• 高中代数（我们将学习布尔代数而不是十进制），例如COMS 3203中涵盖的材料
• 高级编程语言（而不是汇编语言），例如C语言、Java、Python
• 汇编语言知识非常有帮助，但并非必需（将教授MIPS）

29Ch0.27. 书籍（非必需） Books (not required) P27

• 推荐购买的教科书
• 1: 逻辑与计算机设计基础。Mano, M. Morris. Pearson, [2016]。
• 2: 计算机组织与设计：硬件/软件接口。Patterson, David A. Morgan Kaufmann, [2021]。
• 您真的需要它们吗？在我看来不需要，但有些学生觉得它们有帮助

30Ch0.28. 课程讲义 Course Lecture Slides P28

• 讲义将在Courseworks上提供（来自往年）
• 我本学期将使用幻灯片，偶尔会在白板上书写以进行澄清。
• 登录Courseworks后，点击“Files”
• 有非常多的幻灯片
• 许多动画/视觉效果
• 它们是为讲座创建的，而不是您的“死记硬背”指南

31Ch0.29. 家庭作业 vs. 考试 HW vs. Exams P29

• 家庭作业可能繁琐和/或具有挑战性：试图适应所有水平的学生。每个问题都有其目的。
• 考试题目类似于中等难度的家庭作业题目。
• 考试旨在评估您对材料的掌握程度。并非所有人都旨在获得100分
• 要获得100分，您不仅要理解材料，还要展现出对它的掌握能力。
• 我们会尽量在考试中慷慨地给予部分学分
• 做家庭作业：它将极大地帮助您应对考试
• 参加答疑时间：
• 减轻考试失误的“痛苦”
• 我们可以更好地了解您对材料的理解程度

32Ch0.30. 讲座 vs. 家庭作业 vs. 考试 Lecture v. HW v. Exams P30

• 讲座解释概念
• 家庭作业是您运用讲座所教概念的地方
• 考试是您展示对概念的掌握程度的地方
• 有些学生看不到讲座、家庭作业、考试之间的联系：它确实存在！

33Ch0.31. 一个学习类比 A Learning Analogy P31

• 讲座：教授如何计算两个三位数的差（例如，149-122，381-226，307-199）
• 您已经拥有所需的所有工具…
• 家庭作业：计算两个五位数的差（例如，30403 - 22785）
• 您正在学习/展示如何将工具应用到更广的范围，而不仅仅是简单地复述
• 考试：展示如何计算 29468 - 31232？（注意：较大的值在第二个位置）
• 您正在展示您可以 थोड़ा “跳出框框”思考，并更深入、更基本地理解正在发生的事情

34Ch0.32. 出勤/通知 Attendance / Announcements P32

• 讲座出勤不强制，但是…
• Zoom：只要我认为课堂上的学生人数足够，我就会提供录音，否则录音将停止…
• 录音无法直播观看（您将在等候室中）
• 材料是累积的，课程建立在以前的材料之上：错过一节课，下一节课可能会令人困惑
• 找出您错过了什么是您的责任
• 不要问教授或助教
• 请尽量减少在EdStem上提问（我不会回答）
• 找一两个“班级伙伴”（现在）——问他们。

35Ch0.33. 错过考试 Missed Exam P33

• 您需要一个非常好的理由（例如有医生证明的疾病、家庭紧急情况等）
• 如果您不能参加常规考试，我将给您进行一对一的口头考试。
• 这很可怕（对您而言）
• 它比笔试更难，评分也更不宽容（没有部分学分）
• 底线：不要错过考试！

36Ch0.34. 最后思考 Final Thoughts P34

• 来听课！
• 我上过课：亲自到场总是最好的
• 如果您开始落后，就更难赶上
• 帮助提高您的成绩：
• 去答疑时间（不要害羞或不好意思）：您的学费支付了这些，您应该利用起来
• 参与课堂

37Ch0.35. 最后最后思考 Final Final Thoughts P35

• 不要作弊：
• 这是错误的、自私的、对其他学生不公平、对您自己的教育不公平
• 我将向教务处报告可疑行为
• 我保留对作弊学生降低成绩（如果我认为有必要，甚至降至不及格）的权利
• 给教授或助教发邮件时请保持尊重

38Ch0.36. 待办事项 To-Do P36

• 确保您可以通过 Courseworks 登录 EdStem
• 尝试完成家庭作业 #0（可在 Courseworks 的“文件”中找到）
• 在1月27日之前提供考试冲突时间（请参阅第5页的链接）
• 当您的时间表确定后：在1月24日星期六晚上之前，提供P学分答疑时间的可用时间 (http://uribe.cs.columbia.edu/sched/table.php)