计算机系统

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   Number Systems & Binary Representation

   ### 📖 核心知识点：数制与二进制表示 本周是计算机系统的基础入口，学习计算机如何用二进制表示所有数据。掌握 Binary、Hexadecimal、Octal 之间的转换方法，理解 Unsigned 和 Signed (Two's Complement) 整数表示。学习 Bit、Byte、Word 等存储单位的概念。 - **核心概念/公式**: Binary ↔ Decimal 转换、Two's Complement 表示法、Hexadecimal 缩写、Sign Extension ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐ | 预计投入 10h（Lecture 2h + Lab 4h + 自学 4h） 🎯 **考试关联**: Final Exam (50%) 必考数制转换题，In-semester Theory Exam (20%) 覆盖 Week 1-5 内容。需要快速准确完成进制转换。 🧪 **Tutorial/Lab**: 首次 Lab 熟悉 Atmel Studio / Microchip Studio 开发环境，完成基础的 AVR 板卡连接和 LED 闪烁实验。Lab 从 Week 1 开始，需携带学生证。 📌 **作业关联**: Assignment 1 (Digital Logic Design, 18-20%) 覆盖 Week 1-5，本周开始建立基础。 ⚠️ **易错点**: Two's Complement 的最高位是符号位而非普通权重位；-128 到 +127 的范围容易记错。Hex 转 Binary 时漏掉前导零。

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   Boolean Algebra & Logic Gates

   ### 📖 核心知识点：布尔代数与逻辑门 学习 Boolean Algebra 的基本定律（Identity, Complement, Commutative, Associative, Distributive, De Morgan's）。掌握 AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR 七种基本逻辑门的真值表和符号。学习如何用 Boolean Expression 描述逻辑电路。 - **核心概念/公式**: De Morgan's Theorem: (A·B)' = A'+B', (A+B)' = A'·B'；Truth Table 构造法；SOP (Sum of Products) 与 POS (Product of Sums) ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 10h（Lecture 2h + Lab 4h + 自学 4h） 🎯 **考试关联**: Boolean 化简是必考题型，Theory Exam 和 Final Exam 都会出现。需要熟练运用 De Morgan 定律。 🧪 **Tutorial/Lab**: 使用 Logisim 或类似工具搭建基本逻辑门电路，验证真值表。实验验证 De Morgan 定律。 📌 **作业关联**: Assignment 1 (Digital Logic Design) 的基础模块，需要用 Boolean Algebra 化简表达式。 ⚠️ **易错点**: De Morgan 定律展开时忘记同时取反和换运算符；SOP/POS 形式混淆；真值表行数 = 2^n 计算错误。

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   Combinational Logic Circuits

   ### 📖 核心知识点：组合逻辑电路 学习 Karnaugh Map (K-Map) 化简方法，将复杂 Boolean 表达式化简为最简形式。掌握 Multiplexer (MUX)、Decoder、Encoder、Adder (Half Adder, Full Adder) 等基本组合逻辑电路的设计。学习从 Truth Table → K-Map → 最简表达式 → 电路图的完整设计流程。 - **核心概念/公式**: K-Map 化简规则（相邻格合并为 2/4/8 组）、Ripple Carry Adder 结构、MUX 作为通用逻辑实现器 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 10h（Lecture 2h + Lab 4h + 自学 4h） 🎯 **考试关联**: K-Map 化简是 Theory Exam 和 Final Exam 的高频考点，通常占 10-15 分。MUX/Decoder 设计题也常出现。 🧪 **Tutorial/Lab**: 用 K-Map 化简给定函数并在 Logisim 中实现电路，比较化简前后的门数量差异。 📌 **作业关联**: Assignment 1 核心内容 — 需要设计包含 MUX 和 Adder 的组合逻辑电路。 ⚠️ **易错点**: K-Map 中 Don't Care 条件的处理；4 变量 K-Map 的 Gray Code 排列顺序容易搞错；忘记检查所有 Prime Implicant。

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   Sequential Logic: Flip-Flops & Registers

   ### 📖 核心知识点：时序逻辑 - 触发器与寄存器 从组合逻辑进入时序逻辑，学习 Latch (SR, D) 和 Flip-Flop (D, JK, T) 的工作原理与区别。掌握 Clock Edge Triggering 概念。学习 Register（寄存器）作为多位存储元件的构成，以及 Shift Register 的应用。 - **核心概念/公式**: D Flip-Flop 特征方程 Q(next)=D；JK Flip-Flop 特征方程 Q(next)=JQ'+K'Q；Setup Time 和 Hold Time 约束 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 10h（Lecture 2h + Lab 4h + 自学 4h） 🎯 **考试关联**: Flip-Flop 状态转换和时序图分析是必考内容。Theory Exam (Week 1-5) 的核心考点之一。 🧪 **Tutorial/Lab**: 在仿真环境中搭建 D Flip-Flop 和 4-bit Register，观察时钟边沿触发行为。 📌 **作业关联**: Assignment 1 可能涉及时序逻辑设计，本周是关键基础。 ⚠️ **易错点**: Latch (电平触发) 和 Flip-Flop (边沿触发) 的区别是高频错误点；画时序图时忘记 propagation delay；Setup/Hold Time 违反导致 metastability。

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   Counters & Finite State Machines

   ### 📖 核心知识点：计数器与有限状态机 学习 Synchronous Counter 和 Asynchronous Counter 的设计方法。掌握 Finite State Machine (FSM) 的 Moore 模型和 Mealy 模型，学习 State Diagram → State Table → Flip-Flop 输入方程 → 电路实现的完整设计流程。 - **核心概念/公式**: Moore FSM（输出只依赖状态）vs Mealy FSM（输出依赖状态+输入）；State Encoding 方法；Next-State Logic 推导 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 10h（Lecture 2h + Lab 4h + 自学 4h）🔥 高压周：Theory Exam 覆盖到本周 🎯 **考试关联**: FSM 设计是 Theory Exam (20%) 的重点。Final Exam 也会出 FSM 状态转换题。需要能快速画出 State Diagram 和推导 Next-State 方程。 🧪 **Tutorial/Lab**: 设计一个 3-bit Up/Down Counter 的 FSM，实现完整的 State Diagram → 电路流程。 📌 **作业关联**: Assignment 1 (Digital Logic Design, 18-20%) 截止在即，需要提交完整的数字逻辑设计。 ⚠️ **易错点**: State Encoding 选择影响电路复杂度；忘记处理 unused states 导致电路在意外状态下行为不确定；Moore/Mealy 输出时序差一个周期。

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   Computer Organization & CPU Architecture

   ### 📖 核心知识点：计算机组成与CPU架构 从数字逻辑进入计算机体系结构层面。学习 Von Neumann 架构的基本组成（CPU、Memory、I/O、Bus）。理解 CPU 内部结构：ALU (Arithmetic Logic Unit)、Control Unit、Registers、Program Counter。学习 Fetch-Decode-Execute 指令周期。 - **核心概念/公式**: Von Neumann 架构五大组件、Instruction Cycle (Fetch→Decode→Execute→Store)、CPU Datapath、Control Signals ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 10h（Lecture 2h + Lab 4h + 自学 4h）。In-semester Lab Exam 本周进行。 🎯 **考试关联**: CPU 架构和指令周期是 Final Exam (50%) 的核心考点。Lab Exam (10%) 本周考查 Week 1-5 的实验操作能力。 🧪 **Tutorial/Lab**: In-semester Lab Exam (10%) — 60分钟，需要身份验证，考查数字逻辑实验操作。Lab exam 覆盖前 5 周内容。 📌 **作业关联**: 过渡到 Assignment 2 (AVR Programming, 18-20%) 的准备阶段，理解 CPU 架构为后续汇编编程打基础。 ⚠️ **易错点**: 混淆 Harvard Architecture 和 Von Neumann Architecture 的区别（AVR 实际使用 Harvard）；忘记 Program Counter 在每次 Fetch 后自动递增。

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   AVR Microcontroller & Assembly Language Basics

   ### 📖 核心知识点：AVR微控制器与汇编语言基础 开始学习 AVR ATmega324A 微控制器的架构特点。掌握 AVR 汇编指令集的基本指令：数据传送（MOV, LDI, LD, ST）、算术运算（ADD, SUB, INC, DEC）、逻辑运算（AND, OR, EOR）、跳转（RJMP, BREQ, BRNE）。学习寄存器文件（R0-R31）和 Status Register (SREG) 的 Flag 位含义。 - **核心概念/公式**: AVR 32 个通用寄存器、SREG Flags (Z, C, N, V, S, H)、Program Memory vs Data Memory (Harvard Architecture) ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 12h（Lecture 2h + Lab 4h + 自学 6h）🔥 高压周：汇编语言学习曲线陡峭 🎯 **考试关联**: AVR 汇编是 Final Exam 的重要组成部分，通常占 20-30%。需要能手写汇编代码并分析执行结果。 🧪 **Tutorial/Lab**: 在 Atmel Studio 中编写第一个 AVR 汇编程序，实现 LED 控制。使用 Simulator 单步调试观察寄存器变化。 📌 **作业关联**: Assignment 2 (AVR Programming) 从本周开始构建，需要用汇编/C 完成嵌入式编程任务。 ⚠️ **易错点**: 高低寄存器的限制（LDI 只能用 R16-R31）；忘记 Branch 指令依赖 SREG 标志位，需要先执行 CP/CPI 比较指令；混淆 Program Memory 和 Data Memory 的地址空间。

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   AVR Assembly: Subroutines & Stack

   ### 📖 核心知识点：AVR汇编进阶 - 子程序与栈 深入 AVR 汇编编程，学习 Subroutine (CALL/RET) 的调用机制和 Stack 的工作原理。掌握 Stack Pointer (SP) 的初始化和使用，理解 PUSH/POP 操作。学习参数传递的约定（通过寄存器或栈）和局部变量的管理。 - **核心概念/公式**: CALL 指令将返回地址压栈、RET 指令弹出返回地址、Stack 从高地址向低地址增长、PUSH/POP 操作 SP 的变化 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 12h（Lecture 2h + Lab 4h + 自学 6h） 🎯 **考试关联**: 子程序调用和栈操作是 Final Exam 的必考题型。常考"给定代码片段，画出栈的状态变化"类型题目。 🧪 **Tutorial/Lab**: 编写包含多个子程序调用的 AVR 程序，使用 Simulator 观察 Stack 变化。实现递归函数（如阶乘计算）。 📌 **作业关联**: Assignment 2 的核心部分，需要使用子程序组织代码结构。 ⚠️ **易错点**: 忘记初始化 Stack Pointer 导致程序崩溃；CALL 时 PC 占 2 字节被压栈但容易算错 SP 偏移；子程序中修改了调用者的寄存器但没有 PUSH/POP 保存恢复。

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   C Programming for AVR & I/O Ports

   ### 📖 核心知识点：AVR C语言编程与I/O端口 从汇编过渡到 C 语言进行 AVR 编程。学习 avr-gcc 工具链、Port Register (DDRx, PORTx, PINx) 的配置方法。掌握位操作（Bitwise AND, OR, XOR, Shift）来控制单个引脚。学习 Polling 方式读取按键输入。 - **核心概念/公式**: DDRx 设置方向（0=输入/1=输出）、PORTx 输出/上拉、PINx 读取输入、位掩码操作 (|= 置位, &= ~清零, ^= 翻转) ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 10h（Lecture 2h + Lab 4h + 自学 4h） 🎯 **考试关联**: C 语言的位操作和 Port 寄存器配置是 Final Exam 的常考内容。需要能写出操作特定引脚的 C 代码。 🧪 **Tutorial/Lab**: 用 C 语言重写之前汇编实现的 LED 控制程序，实现按键控制 LED 开关的交互功能。 📌 **作业关联**: Assignment 2 (AVR Programming, 18-20%) 的主体开发阶段，大部分功能用 C 语言实现。 ⚠️ **易错点**: DDR 方向设置反了（该设输出设成了输入）；位操作优先级低于比较运算符需要加括号；忘记配置未使用引脚的上拉电阻。

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    Interrupts & Timer Peripherals

    ### 📖 核心知识点：中断与定时器外设 学习 Interrupt (中断) 机制，理解中断向量表、ISR (Interrupt Service Routine) 的编写、中断优先级和嵌套。掌握 AVR Timer/Counter 外设的配置：Normal Mode, CTC Mode, PWM Mode。学习用定时器实现精确延时和周期性任务。 - **核心概念/公式**: 中断响应流程（保存现场→跳转ISR→恢复现场→返回）、Timer 计数公式 f_timer = f_clk / Prescaler、CTC 模式的 OCR 比较匹配 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 12h（Lecture 2h + Lab 4h + 自学 6h）🔥 高压周 🎯 **考试关联**: 中断和定时器是 Final Exam 的高分值考点，通常占 15-20 分。需要能计算定时器参数并写出 ISR。 🧪 **Tutorial/Lab**: 配置 Timer0 在 CTC 模式下产生精确的 1 秒中断，驱动 LED 闪烁。实现按键中断替代 Polling。 📌 **作业关联**: Assignment 2 通常要求使用中断和定时器实现实时功能。 ⚠️ **易错点**: ISR 中忘记用 volatile 修饰共享变量；Prescaler 选择不当导致定时不准确；ISR 执行时间过长导致中断丢失；忘记 sei() 全局使能中断。

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    Serial Communication: UART & SPI

    ### 📖 核心知识点：串行通信 - UART与SPI 学习串行通信的基本概念（同步 vs 异步、全双工 vs 半双工）。掌握 UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) 的配置：波特率计算、数据帧格式 (Start bit, Data bits, Parity, Stop bit)。了解 SPI (Serial Peripheral Interface) 的主从通信模式。 - **核心概念/公式**: UART 波特率寄存器 UBRR = (f_clk / 16 / baud) - 1、SPI 四线制 (MOSI, MISO, SCK, SS)、Communication Protocol 时序图 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 10h（Lecture 2h + Lab 4h + 自学 4h） 🎯 **考试关联**: UART 波特率计算和 SPI 时序分析是 Final Exam 可能考查的内容。通信协议的对比题也常出现。 🧪 **Tutorial/Lab**: 配置 UART 实现 AVR 与 PC 的串口通信，发送传感器数据到终端显示。 📌 **作业关联**: Assignment 2 (AVR Programming, 18-20%) 截止临近，串口通信可能是项目的调试和数据输出方式。 ⚠️ **易错点**: 波特率计算的四舍五入误差导致通信不稳定；SPI 的 CPOL/CPHA 模式选择与从设备不匹配；忘记配置 TX/RX 引脚方向。

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    Memory Systems & Course Review

    ### 📖 核心知识点：存储系统与期末复习 学习计算机存储层次结构（Registers → Cache → RAM → Disk）。理解 SRAM 和 DRAM 的工作原理差异。学习 Memory Mapped I/O 的概念。最后一周进行课程整体回顾，重点串联数字逻辑→计算机架构→嵌入式编程的知识链。 - **核心概念/公式**: 存储层次 (Memory Hierarchy)、Cache Hit/Miss Rate、Memory Mapped I/O vs Port Mapped I/O、地址总线宽度决定可寻址空间 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 12h（Lecture 2h + Lab 4h + 自学 6h）📝 复习周 🎯 **考试关联**: Final Exam (50%, Hurdle ≥40%) 覆盖全部 12 周内容。Open-book (部分学期), 120 分钟。重点复习 AVR 汇编手写、中断/定时器配置、数字逻辑设计。 🧪 **Tutorial/Lab**: 最后一次 Lab，完成 Assignment 2 的 Demo 展示（Week 13 进行 demo，需要现场向 Tutor 解释代码）。 📌 **作业关联**: Assignment 2 (AVR Programming, 18-20%, Hurdle ≥10%) 截止提交。Demo 需要在 Week 13 Lab 完成。 ⚠️ **易错点**: Final Exam 需要同时掌握数字逻辑和编程两大块，不能只复习一边；Open-book 不等于不需要准备，需要提前整理笔记索引；Demo 时无法解释自己代码会被怀疑抄袭。

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