《计算机组成原理》目录

《计算机组成原理》初学者入门学习目录

🎉 欢迎来到计算机组成原理的世界！本学习目录旨在引导零基础的你，一步步理解计算机的内部构造和工作方式。让我们一起开始愉快的学习之旅吧！

🚀 第一阶段：基础知识预热 (夯实地基)

1. 计算机的世界观

• 1.1 什么是计算机组成原理？
  • 计算机科学体系结构中的位置
  • 为什么学习计算机组成原理？ (重要性、应用场景)
  • 与 “计算机体系结构”、”计算机操作系统” 等课程的关系
• 1.2 计算机发展简史
  • 机械计算机的时代 (巴贝奇差分机等)
  • 电子管计算机的诞生 (ENIAC)
  • 晶体管计算机、集成电路计算机、大规模集成电路计算机
  • 摩尔定律与计算机发展趋势
• 1.3 计算机系统的层次结构
  • 硬件与软件的概念
  • 计算机系统的五层结构（从下往上）：
    • 微程序机器层 (实际机器)
    • 传统机器层 (机器语言机器)
    • 操作系统层
    • 汇编语言层
    • 高级语言层
  • 各层次之间的关系与作用

2. 数制与编码 (计算机的语言)

• 2.1 常用数制
  • 十进制 (Decimal - D)
  • 二进制 (Binary - B) - 重点
  • 八进制 (Octal - O)
  • 十六进制 (Hexadecimal - H)
  • 不同数制之间的转换 (重点和难点)
    • 二进制转十进制、十进制转二进制
    • 二进制转八进制、十六进制，反之亦然 (技巧)
• 2.2 计算机中的编码
  • 数值数据的表示
    • 机器数与真值
    • 原码、反码、补码、移码 (重点和难点)
      • 正数、负数的表示
      • 不同编码的特点与适用场景
      • 补码运算的优势 (加法、减法统一)
    • 定点数与浮点数
  • 非数值数据的表示
    • 字符编码：ASCII 码、Unicode 编码 (了解)
    • 汉字编码：GBK, UTF-8 等 (了解)

🛠️ 第二阶段：硬件系统的核心部件 (构建计算机骨架)

3. 运算方法与运算器 (计算机的心脏)

• 3.1 定点数的加法与减法运算
  • 原码加减法、补码加减法 (重点)
  • 溢出检测与判断 (重点)
    • 上溢、下溢的概念
    • 溢出检测的方法
• 3.2 定点数的乘法与除法运算 (了解)
  • 原码乘法、补码乘法 (简单了解思想)
  • 原码除法、补码除法 (简单了解思想)
• 3.3 浮点数的运算 (了解)
  • 浮点数的表示形式
  • 浮点数的加减运算步骤 (对阶、尾数运算、规格化、舍入)
• 3.4 运算器的基本结构
  • 算术逻辑单元 ALU (核心部件)
  • 累加器 ACC
  • 通用寄存器组
  • 数据缓冲寄存器
  • 状态条件寄存器 PSW

4. 存储系统 (数据的仓库)

• 4.1 存储器的分类
  • 按存储介质：半导体存储器、磁表面存储器、光存储器
  • 按存取方式：随机存取存储器 RAM、只读存储器 ROM、串行访问存储器
  • 按在计算机中的作用：主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器 Cache
• 4.2 主存储器
  • 半导体存储芯片
    • SRAM (静态 RAM)
    • DRAM (动态 RAM)
    • ROM 的类型 (MROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash Memory)
  • 主存储器的基本组成
    • 存储体
    • MAR (存储器地址寄存器)
    • MDR (存储器数据寄存器)
    • 地址译码电路、驱动电路、读写控制电路
  • 主存储器与 CPU 的连接
    • 地址线的数量与寻址范围
    • 数据线的数量与数据宽度
    • 控制线的功能 (读/写信号等)
• 4.3 高速缓冲存储器 (Cache)
  • Cache 的作用和原理 (解决 CPU 和主存速度不匹配问题)
  • Cache 的基本结构
  • Cache 的地址映射方式 (直接映射、全相联映射、组相联映射) - 了解思想
  • Cache 的替换算法 (了解)
• 4.4 辅助存储器 (外存储器)
  • 磁盘存储器 (硬盘、软盘 - 了解)
  • 固态硬盘 SSD (了解)
  • 光盘存储器 (CD-ROM, DVD-ROM - 了解)

5. 指令系统 (指挥计算机行动的命令)

• 5.1 指令格式
  • 指令的基本组成：操作码、地址码
  • 操作码的作用 (指令的功能)
  • 地址码的作用 (操作数的位置)
  • 指令字长、机器字长、存储字长 的概念
  • 定长指令格式、变长指令格式
• 5.2 指令的类型
  • 数据传送类指令
  • 算术运算类指令
  • 逻辑运算类指令
  • 移位操作类指令
  • 控制转移类指令 (重点)
    • 条件转移指令、无条件转移指令
    • 子程序调用与返回指令
    • 中断指令
• 5.3 寻址方式 (如何找到操作数)
  • 指令寻址：顺序寻址、跳跃寻址
  • 数据寻址 (重点)
    • 立即寻址
    • 寄存器寻址
    • 直接寻址
    • 间接寻址
    • 寄存器间接寻址
    • 基址寻址
    • 变址寻址
    • 相对寻址
  • 不同寻址方式的特点、有效地址的计算

6. 中央处理器 CPU (计算机的大脑)

• 6.1 CPU 的功能与基本组成
  • CPU 的功能：指令控制、操作控制、时间控制、数据加工
  • CPU 的基本组成部件
    • 运算器 (ALU) - 已学过
    • 控制器 (Control Unit - CU) - 重点
    • 寄存器组 (Registers) - 重点
    • 内部总线
• 6.2 控制器的功能与工作原理
  • 指令周期
    • 取指令周期、分析指令周期、执行指令周期
    • 间址周期、中断周期 (了解)
  • 指令执行流程
    • 取指、译码、执行 (Fetch, Decode, Execute)
  • 控制方式
    • 同步控制
    • 异步控制
    • 联合控制
• 6.3 寄存器组
  • 用户可见寄存器 (通用寄存器、数据寄存器、地址寄存器、条件码寄存器)
  • 用户不可见寄存器 (指令寄存器 IR、程序计数器 PC、存储器地址寄存器 MAR、存储器数据寄存器 MDR)
• 6.4 时序系统
  • 时钟周期、时钟频率
  • 指令周期、机器周期、节拍 (T 周期)

7. 总线系统 (计算机的神经系统)

• 7.1 总线的概念与分类
  • 总线的定义：连接各个部件的信息传输通路
  • 总线的分类
    • 按功能分：数据总线 DB、地址总线 AB、控制总线 CB
    • 按连接部件分：片内总线、系统总线、通信总线
• 7.2 系统总线的结构
  • 单总线结构
  • 双总线结构
  • 三总线结构
• 7.3 总线特性及性能指标
  • 总线宽度 (数据线的根数)
  • 总线频率 (时钟频率)
  • 总线带宽 (数据传输率)
  • 总线标准 (如 PCI, USB 等 - 了解)
• 7.4 总线控制
  • 总线判优控制 (集中式判优、分布式判优 - 了解)
  • 总线通信控制 (同步通信、异步通信、半同步通信、分离式通信 - 了解)

8. 输入/输出系统 (计算机与外部世界的桥梁)

• 8.1 I/O 系统的组成
  • I/O 软件 (驱动程序、操作系统中的 I/O 管理模块)
  • I/O 硬件 (I/O 接口、I/O 设备)
• 8.2 I/O 接口
  • I/O 接口的功能
  • I/O 接口的基本组成
    • 数据缓冲寄存器
    • 状态寄存器
    • 控制寄存器
    • 地址译码电路
    • 控制逻辑
• 8.3 I/O 方式
  • 程序查询方式 (轮询方式)
  • 程序中断方式 (重点)
    • 中断请求、中断响应、中断处理
    • 中断优先级
  • DMA 方式 (Direct Memory Access - 直接存储器访问) - 了解
    • DMA 控制器的功能
    • DMA 传输过程
  • 通道方式 (了解)
• 8.4 常用 I/O 设备 (了解)
  • 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪等
  • 输出设备：显示器、打印机、绘图仪等
  • 输入/输出设备：磁盘、磁带、光盘等 (也属于存储器)

📚 第三阶段：深入与扩展 (进阶学习)

9. 高级计算机体系结构概念 (拓展视野)

• 9.1 流水线技术 (Pipeline) - 了解基本思想
  • 指令流水线、运算流水线
  • 流水线性能指标 (吞吐率、加速比)
  • 流水线冲突 (结构冲突、数据冲突、控制冲突)
• 9.2 并行处理技术 (Parallel Processing) - 了解基本概念
  • SIMD (单指令多数据流)
  • MIMD (多指令多数据流)
  • 多核处理器、多处理器系统、集群系统
• 9.3 存储器层次结构 (Memory Hierarchy) - 回顾与深入
  • Cache - 主存 - 外存 多级存储体系
  • 虚拟存储器 (Virtual Memory) - 了解概念
• 9.4 输入输出系统的新发展 (New Trends in I/O) - 了解发展趋势
  • 高速 I/O 接口技术 (如 Thunderbolt, NVMe)
  • 网络 I/O、云计算环境下的 I/O

📖 学习资源推荐

• 教材推荐: 《计算机组成原理》（唐朔飞版）、《Computer Organization and Design》（Patterson and Hennessy）等
• 在线课程: 中国大学 MOOC、Coursera、edX 等平台上的相关课程
• 实验平台: Logisim (数字电路模拟器)、MARS (MIPS 汇编模拟器) 等
• 学习网站/社区: CSDN、博客园、Stack Overflow、GitHub 等

🎯 学习方法建议

• 理论与实践结合: 多做习题、实验，加深理解。
• 画图与总结: 将抽象概念可视化，绘制框图、流程图等，并及时总结知识点。
• 主动思考与提问: 遇到问题不要怕，积极思考，查阅资料，或向老师、同学请教。
• 坚持不懈: 计算机组成原理内容较多，需要投入时间和精力，坚持学习才能取得进步。

祝你学习顺利，在计算机组成原理的世界里收获满满！ 😊