【Computer】计算机原理大纲

计算机原理是一门系统性很强的课程，涵盖计算机从硬件到软件的基本构成与工作机制。以下是计算机原理课程大纲的标准结构：

一、计算机系统概述

• 计算机发展简史与分类

• 计算机基本组成（五大部件）

  • 运算器
  • 控制器
  • 存储器
  • 输入设备
  • 输出设备

• 冯·诺依曼体系结构

• 指令执行过程：取指、译码、执行

• 总线结构与工作原理（数据总线、地址总线、控制总线）

二、数据的表示与运算

• 数制与编码（进制转换、BCD、ASCII、Unicode）
• 定点数与浮点数表示
• 有符号/无符号数的加减乘除运算
• 溢出判断与处理
• 浮点数IEEE 754标准
• 数值编码：原码、反码、补码
• 位运算与掩码操作（与、或、非、异或、移位）

三、存储系统

• 存储层次结构（寄存器、Cache、主存、辅助存储）

• 主存结构与地址映射

  • MAR / MDR 寄存器
  • 字节寻址与字寻址

• Cache 工作原理

  • 局部性原理
  • 直接映射、全相联、组相联
  • 替换算法（LRU、FIFO）

• 主存与Cache一致性

• 虚拟存储器

  • 页面置换算法（FIFO、LRU等）
  • 地址转换：页表、段页式管理

四、指令系统与汇编语言基础

• 指令格式与寻址方式

  • 立即寻址、直接、间接、寄存器寻址等

• 指令的分类：数据传送、算术逻辑、跳转等

• 汇编语言基础

  • 标号、伪指令
  • 汇编过程与机器码转换

• 指令周期与流水线概念

五、中央处理器（CPU）结构与功能

• CPU结构组成：ALU、CU、寄存器组

• 控制方式：

  • 微程序控制
  • 硬布线控制

• 指令流水线设计

  • 数据冒险、控制冒险、结构冒险
  • 解决机制（转发、停顿、预测等）

• CISC 与 RISC 比较

六、输入输出系统

• I/O 模式

  • 程序查询方式
  • 中断驱动方式
  • DMA（直接存储器访问）

• 中断系统与中断优先级

• 输入输出接口原理

• 总线与接口控制器（PCI、USB、SATA 简介）

七、计算机系统性能与优化

• 指令周期与 CPI
• 吞吐量、响应时间
• Amdahl 定律
• 多核处理器基础
• 并行性与流水线技术
• 性能瓶颈分析（CPU-bound vs IO-bound）

八、高级专题（可选拓展）

• 多处理器系统与总线仲裁
• RISC-V/MIPS 简单体系结构实例
• FPGA与计算机硬件建模基础
• 存储一致性模型（MESI等）
• 简单操作系统原理接口

衔接课程建议：

• 计算机组成原理（更偏重硬件设计）
• 操作系统（从资源管理角度理解）
• 汇编语言与系统编程
• 计算机体系结构（微架构与高级优化）
• 数字逻辑与微机接口