计算机原理系统学习课程目录

📚 计算机原理系统学习课程目录

第一部分：基础理论与数字逻辑

1.1 数制与编码

• 二进制、八进制、十进制、十六进制转换
• 原码、反码、补码表示与运算
• 字符编码：ASCII、Unicode、UTF-8
• Windows 实践：使用计算器进行多进制转换，查看内存中的数值表示

1.2 数字逻辑基础

• 布尔代数与逻辑门（AND/OR/NOT/XOR）
• 组合逻辑电路：加法器、多路选择器、译码器
• 时序逻辑电路：触发器、寄存器、计数器
• 工具实践：使用 Logisim 搭建简单逻辑电路

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第二部分：计算机组成原理（硬件）

2.1 冯·诺依曼体系结构

• 存储程序思想
• CPU、内存、输入输出设备的关系
• 指令执行周期（取指-译码-执行）

2.2 中央处理器（CPU）

• 运算单元（ALU）、控制单元（CU）
• 寄存器组与指令集架构（ISA）
• 指令格式、寻址方式
• 实践：使用调试工具（如 x64dbg 或 Visual Studio 调试器）观察汇编指令和寄存器状态

2.3 存储系统

• 存储层次结构：寄存器 → 缓存 → 主存 → 虚拟内存 → 磁盘
• Cache组织方式（直接映射、组相联、全相联）
• 页面替换算法（FIFO、LRU）
• 实践：任务管理器 + 资源监视器观察内存分配与使用情况

2.4 输入输出系统

• I/O接口与中断机制
• DMA（直接内存访问）
• 总线结构与通信协议
• 实践：设备管理器查看硬件资源分配

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第三部分：系统软件与运行机制

3.1 操作系统基础

• 进程与线程模型
• 调度算法（FCFS、SJF、优先级调度、轮转）
• 内存管理（分页、分段、虚拟内存）
• 文件系统结构与磁盘管理
• 实践：任务管理器观察进程状态，资源监视器查看磁盘/网络IO

3.2 编译与链接原理

• 词法分析、语法分析、语义分析
• 中间代码生成与优化
• 目标代码生成与链接过程
• 实践：使用 Visual Studio 查看编译中间文件（.obj、.pdb）

3.3 程序运行与加载机制

• ELF/PE 文件格式解析
• 静态库与动态库
• 动态链接与延迟绑定
• 实践：使用 dumpbin / dependency walker 分析可执行文件结构

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第四部分：系统性能与安全机制

4.1 性能分析与调优

• 时间片、上下文切换开销
• 缓存命中率对性能的影响
• 并行与并发编程模型（多线程、异步IO）
• 实践：性能监视器（PerfMon）、Process Explorer 分析瓶颈

4.2 安全机制

• 权限控制（用户权限、ACL）
• 内存保护（栈保护、ASLR、DEP）
• 加密与签名（数字证书、哈希验证）
• 实践：Windows Defender、防火墙配置与日志分析

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第五部分：现代计算技术扩展

5.1 并行与多核架构

• 多线程与超线程技术
• NUMA 架构与缓存一致性
• 实践：任务管理器观察多核利用率

5.2 虚拟化与容器

• 虚拟机监控器（Hypervisor）原理
• Windows 上的 Hyper-V 与 WSL2
• 容器技术（Docker）在 Windows 上的应用

5.3 网络与分布式系统

• TCP/IP 协议栈与 socket 编程
• HTTP、DNS、ARP 等常见协议分析
• 分布式系统基本概念（CAP定理、一致性协议）
• 实践：使用 Wireshark 抓包分析网络流量

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推荐教材与参考资料（配套学习）

主题	推荐教材
计算机组成	《Computer Organization and Design》David A. Patterson
系统编程	《深入理解计算机系统》（CS:APP）Randal E. Bryant
操作系统	《Operating Systems: Three Easy Pieces》（OSTEP）Remzi Arpaci-Dusseau
编译原理	《Compilers: Principles, Techniques, and Tools》（龙书）Alfred V. Aho
网络原理	《TCP/IP Illustrated, Vol.1》W. Richard Stevens

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