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计算机原理欢迎来到计算机原理课程！本课程将深入探讨计算机系统的基本概念、组成部分和工作原理，帮助您建立对计算机科学的系统性认识从计算机硬件架构到操作系统，从数据表示到指令执行，从存储系统到网络通信，我们将全面解析计算机如何工作以及背后的原理无论您是计算机科学的新手还是有一定基础的学生，本课程都将为您提供坚实的理论基础和实践指导，使您能够更好地理解和应用计算机技术课程概述课程目标学习内容12通过本课程的学习，学生将掌本课程将系统讲解计算机系统握计算机系统的基本原理和架概论、数据表示与运算、存储构，理解计算机各组成部分的系统、指令系统、中央处理器、功能和工作方式，培养分析和总线系统、输入输出系统、操解决计算机系统问题的能力，作系统概述、计算机网络、并为后续专业课程学习奠定基础行处理、人工智能和云计算等内容考核方式3课程采用多元化考核方式，包括期末考试（占60%）、平时作业（占20%）、课堂参与（占10%）和实验报告（占10%）考核内容涵盖理论知识和实际应用能力，注重培养学生的综合素质第一章计算机系统概论计算机的定义计算机是一种能够按照程序指令自动执行数值计算和逻辑运算的电子设备它由硬件和软件组成，能够接收、存储、处理和输出数据，是现代社会信息处理的核心工具计算机的发展正朝着更高性能、更小体积和更智能化的方向发展计算机的发展历史计算机的发展经历了机械计算时代、电子管计算机时代、晶体管计算机时代、集成电路计算机时代和超大规模集成电路计算机时代从1946年的ENIAC到今天的量子计算机，计算机技术实现了从体积庞大、性能有限到微型化、高性能的飞跃计算机的应用领域计算机已广泛应用于科学计算、数据处理、自动控制、人工智能、虚拟现实、电子商务、教育娱乐等领域随着技术的不断发展，计算机在医疗、金融、交通等传统行业的应用也越来越深入，正在改变人类的生活和工作方式计算机系统的组成硬件软件固件计算机硬件是指计算机计算机软件是指计算机固件是介于硬件与软件系统中可以看得见、摸系统中的程序及其文档，之间的一种程序，存储得着的物理设备，主要分为系统软件和应用软在只读存储器（ROM）包括中央处理器件两大类系统软件包或闪存中，用于控制硬（CPU）、存储器（内括操作系统、语言处理件的基本功能BIOS存和外存）、输入设备程序、数据库管理系统（基本输入/输出系统）（键盘、鼠标）、输出等；应用软件包括办公是最典型的固件，负责设备（显示器、打印机）软件、图形处理软件、计算机启动时的硬件初和通信设备（网卡、调游戏软件等软件是计始化和操作系统加载制解调器）等硬件是算机系统的灵魂固件提供了硬件与软件计算机系统的物质基础之间的接口冯诺依曼结构·五大部件存储程序概念优缺点冯·诺依曼结构包含五个基本部件运算存储程序概念是冯·诺依曼结构的核心思冯·诺依曼结构的优点是设计简单、通用器、控制器、存储器、输入设备和输出设想，即程序和数据都以二进制形式存储在性强、易于实现；缺点是存在冯·诺依曼备其中运算器和控制器共同构成中央处同一个存储器中，计算机可以自动地从存瓶颈，即程序和数据通过同一总线在CPU理器（CPU）运算器负责数据处理和计储器中取出指令并执行这种设计使得计和存储器之间传输，限制了系统性能此算，控制器负责指令解析和控制，存储器算机能够灵活地执行各种不同的程序，极外，顺序执行指令的方式也限制了并行处用于存储程序和数据，输入输出设备实现大地提高了通用性和灵活性理的能力，无法充分发挥现代多核处理器计算机与外部世界的交互的优势计算机系统的层次结构高级语言层1用户编程的主要接口汇编语言层2底层程序设计的桥梁操作系统层3资源管理与调度传统机器层4指令系统的实现微程序层5控制指令的执行硬件逻辑层6电路与器件实现计算机系统的层次结构是一种从硬件到软件的抽象模型，每一层都建立在下一层的基础上，为上一层提供服务硬件逻辑层由各种电子器件实现；微程序层执行微指令序列实现机器指令；传统机器层提供指令集架构；操作系统层管理系统资源；汇编语言层翻译汇编程序；高级语言层提供易于使用的编程环境这种层次化设计使得计算机系统既复杂又易于理解和使用，用户只需关注高层接口，无需了解底层实现细节每一层都有自己的接口和功能，形成了完整的计算机体系结构计算机性能指标吞吐量1指系统在单位时间内处理的任务数量，通常用作业数/秒或事务数/秒表示吞吐量是衡量计算机系统整体处理能力的重要指标，它反映了系统在实际应用环境下的工作效率吞吐量越高，表示系统的并行处理能力越强响应时间2指从提交请求到系统产生响应所需的时间，通常用毫秒或微秒表示响应时间反映了系统的实时性能，对于交互式系统尤为重要用户体验通常与响应时间密切相关，响应时间越短，用户感受越好时钟频率3CPU指CPU内部时钟发生器产生的脉冲频率，通常用GHz（吉赫兹）表示时钟频率越高，CPU执行指令的速度越快然而，由于功耗和散热问题，单纯提高时钟频率已经不是提升处理器性能的主要方式（每指令周期数）4CPI指执行一条指令所需的平均时钟周期数CPI值越小，表示指令执行效率越高不同类型的指令需要的时钟周期数不同，CPI是这些指令在特定程序中执行时的加权平均值MIPS（每秒百万条指令）是表示处理器执行速度的指标，计算公式为MIPS=时钟频率/CPI×10^6FLOPS（每秒浮点运算次数）则是衡量科学计算性能的指标，特别适用于需要大量浮点运算的应用，如图形处理和科学模拟第二章数据的表示与运算进位计数制二进制八进制与十六进制进位计数制是一种按照固定基数进行数位二进制是计算机内部数据表示的基本方式，八进制使用0~7八个数字，每三位二进制权重计算的计数方法常见的进位计数制只使用0和1两个数字每个二进制位（bit）数可以转换为一位八进制数十六进制使有二进制、八进制、十进制和十六进制可以表示一个二进制数字在二进制中，用0~9和A~F共16个符号，每四位二进制数在计数过程中，当数字达到基数时进位每个数位的权重是2的幂，如2^
0、2^
1、可以转换为一位十六进制数这两种计数例如，十进制的基数是10，当计数到9后，2^2等例如，二进制数1011表示十进制制主要用于简化二进制数的表示和处理，下一个数字需要进位，变成10的11（1×2^3+0×2^2+1×2^1+使长二进制序列更易读和书写1×2^0）数据编码BCD码（二进制编码的十进制数）是一种用4位二进制数表示一个十进制数字的编码方式例如，十进制数59表示为BCD码就是01011001BCD码便于十进制数的输入输出，但计算效率较低ASCII码（美国信息交换标准代码）使用7位二进制数表示字符，可以表示128个字符，包括英文字母、数字、标点符号和控制字符例如，大写字母A的ASCII码是65（二进制1000001）Unicode是一种国际通用的字符编码标准，旨在解决ASCII码无法表示多语言的问题它可以表示世界上几乎所有的字符和符号，包括中文、日文、阿拉伯文等Unicode有多种实现方式，如UTF-
8、UTF-16等定点数的表示十进制数原码反码补码移码+50101010101011101-51101101010110011+00000000000001000-0100011110000N/A原码是最直观的表示方法，最高位为符号位（0表示正，1表示负），其余位为数值的绝对值例如，+5的原码为0101，-5的原码为1101原码表示简单，但在进行算术运算时需要考虑符号，且存在+0和-0两种表示反码是在原码基础上，对于负数，符号位不变，其余各位取反（0变1，1变0）例如，-5的反码为1010反码用于简化减法运算，使其转化为加法运算补码是在反码基础上加1得到的编码例如，-5的补码为1011补码是计算机中最常用的定点数表示方法，它使加减运算规则统一，且只有一个零的表示形式移码是在补码的基础上，符号位取反得到的编码例如，+5的移码为1101移码主要用于表示浮点数的阶码，便于比较大小浮点数的表示标准单精度浮点数双精度浮点数IEEE754IEEE754是一种国际标准，定义了二进制浮单精度浮点数使用32位表示，其中符号位1双精度浮点数使用64位表示，其中符号位1点数的表示方法和运算规则该标准规定浮位，阶码8位，尾数23位阶码使用127作位，阶码11位，尾数52位阶码使用1023点数由符号位、阶码和尾数三部分组成阶为偏移量的移码表示单精度浮点数的有效作为偏移量的移码表示双精度浮点数的有码使用移码表示，尾数使用规格化的形式表数字约为7位十进制数，其数值范围约为效数字约为16位十进制数，其数值范围约为示IEEE754标准还定义了特殊值，如无穷±
1.18×10^-38~±
3.40×10^38单精度浮±
2.23×10^-308~±
1.80×10^308双精大、负无穷大和NaN（非数值）点数常用于对精度要求不高的科学计算和图度浮点数适用于要求较高精度的科学和工程形处理计算定点数的运算加法定点数的加法基于补码表示，直接将两个操作数按位相加，忽略最高位的进位当两个同号数相加产生异号结果时，表示发生了溢出例如，在4位补码系统中，0101+5和0011+3相加得到1000-8，发生了溢出减法定点数的减法可以转化为加法来实现，即被减数加上减数的补码例如，5-3等价于5+-3，在补码表示下，就是0101加上1101，得到10010，舍去最高进位得到0010+2，结果正确乘法定点数的乘法通常采用补码乘补码的规则乘法算法有原码一位乘法、补码一位乘法和布斯乘法等在补码乘法中，需要考虑符号位的处理，通常采用双符号位的设计来避免溢出问题除法定点数的除法是乘法的逆运算，通常采用恢复余数法或不恢复余数法在除法过程中，需要进行试商、生成部分余数、移位等操作由于除法可能产生无法精确表示的结果，通常需要进行截断或舍入处理浮点数的运算尾数运算对阶执行加减或乘除运算2使两个操作数的阶码相同1规格化调整结果使尾数在
1.0到
2.0之间3溢出检查5舍入确保结果在表示范围内4根据需要进行精度调整浮点数加减运算首先需要对阶，即将阶码较小的操作数的尾数右移，使两个操作数的阶码相等然后进行尾数加减运算，得到中间结果如果结果需要规格化，要相应调整阶码最后进行舍入处理和溢出检查浮点数乘除运算相对简单乘法时，阶码相加（注意偏移量），尾数相乘；除法时，阶码相减，尾数相除然后对结果进行规格化、舍入和溢出检查浮点数运算中的舍入策略包括向零舍入、向最近舍入、向上舍入和向下舍入等浮点数运算的精度受限于表示位数，可能产生舍入误差和截断误差溢出处理包括上溢（结果太大）和下溢（结果太小），上溢通常返回无穷大，下溢通常返回零或使用非规格化数表示第三章存储系统按存储介质分类按存取方式分类半导体存储器（RAM、ROM）随机存取存储器磁表面存储器（硬盘、磁带）顺序存取存储器光存储器（CD、DVD）直接存取存储器新型存储器（固态硬盘、闪存）按功能分类按信息保存特性分类主存储器易失性存储器辅助存储器非易失性存储器高速缓冲存储器存储器的层次结构是为了平衡存储容量、访问速度和成本而设计的自上而下依次是寄存器、高速缓存（Cache）、主存（内存）、外存（辅助存储器）越靠近CPU的存储层次，速度越快但容量越小、成本越高；越远离CPU的存储层次，速度越慢但容量越大、成本越低存储器层次结构的设计基于程序的局部性原理，包括时间局部性（最近访问过的数据很可能再次被访问）和空间局部性（被访问数据附近的数据很可能也会被访问）这种结构使得系统能够以接近最快存储器的速度运行，同时获得接近最大存储器的容量，从而在性能和成本之间取得平衡主存储器（随机存取存储器）RAMRAM是计算机主存储器的主要组成部分，分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种SRAM基于触发器实现，速度快但成本高，主要用于高速缓存；DRAM基于电容存储电荷，需要定期刷新，但密度高、成本低，主要用于主存RAM是易失性存储器，断电后数据丢失（只读存储器）ROMROM是一种非易失性存储器，用于存储固定的程序和数据传统ROM在制造时写入数据后不能修改，后来发展了多种可编程ROM变体，如PROM（可编程ROM）、EPROM（可擦除可编程ROM）、EEPROM（电可擦除可编程ROM）和Flash ROM（闪存ROM）等，增强了灵活性主存储器的工作原理主存储器通过地址总线、数据总线和控制总线与CPU连接读取数据时，CPU将地址放到地址总线上，控制线发送读信号，存储器将指定地址的数据送到数据总线；写入数据时，CPU将地址和数据分别放到地址总线和数据总线上，控制线发送写信号，数据被存入指定地址（高速缓存）Cache的工作原理Cache1Cache是位于CPU和主存之间的小容量、高速存储器，用于存储当前频繁使用的指令和数据当CPU访问内存时，首先检查所需数据是否在Cache中如果在（称为Cache命中），直接从Cache读取数据，速度很快；如果不在（称为Cache缺失），则从主存中调取数据到Cache，再传送给CPU，同时替换Cache中的某些内容映射方式Cache2Cache映射是指如何将主存中的块映射到Cache中的行常见的映射方式有三种直接映射（一个主存块只能映射到Cache中的一个固定位置）、全相联映射（一个主存块可以映射到Cache中的任意位置）和组相联映射（一个主存块可以映射到一组固定的Cache行中的任意一行）替换算法Cache3当Cache缺失需要从主存调入新块，而Cache已满时，需要使用替换算法决定替换哪一块常用的替换算法有随机法（随机选择）、先进先出法（FIFO，替换最早调入的块）、最近最少使用法（LRU，替换最长时间没有使用的块）和最不经常使用法（LFU，替换访问次数最少的块）虚拟存储器虚拟存储器的概念页式存储管理虚拟存储器是一种内存管理技术，它使页式存储管理将虚拟地址空间和物理地用硬盘空间作为内存的扩展，给用户提址空间都划分为大小相等的块，虚拟空供一个比实际物理内存更大的假象虚间中的块称为页（Page），物理空间中拟存储器使程序能够使用比实际物理内的块称为页框（Page Frame）虚拟地存更大的地址空间，允许多个程序共享址到物理地址的转换通过页表（Page物理内存，并提供内存保护机制虚拟Table）完成当访问的页不在物理内存存储器技术是现代操作系统中实现多任中时，会触发缺页中断，操作系统将相务和并发执行的关键技术应的页从硬盘调入内存段式存储管理段式存储管理以程序的逻辑结构为基础，将程序划分为若干个段（Segment），如代码段、数据段、堆栈段等每个段的长度可以不同，并可以独立增长段式管理通过段表进行地址转换，提供了更好的保护和共享机制，但可能导致内存碎片现代系统通常采用段页式管理，结合两者的优点辅助存储器磁盘存储器光盘存储器固态硬盘（）SSD磁盘存储器是主要的辅助存储设备，包括硬光盘存储器使用激光技术读写数据，包括固态硬盘是一种基于闪存技术的存储设备，盘和软盘硬盘由多个磁性盘片组成，每个CD（650MB）、DVD（
4.7GB-17GB）和蓝没有机械部件，通过电子方式存取数据盘片分为多个磁道，每个磁道分为多个扇区光光盘（25GB-128GB）等光盘采用螺旋SSD由闪存芯片、控制器和缓存组成，支持数据读写通过磁头感应磁性变化完成磁盘形的单一轨道结构，数据以凹坑和平台的方SATA、PCIe等接口SSD的优点是读写速度存储器的性能指标包括容量、访问时间（寻式记录光盘的优点是成本低、可移动、寿快、能耗低、抗震性好、无噪音；缺点是单道时间、旋转延迟和传输时间）和数据传输命长；缺点是访问速度较慢，容量相对有限位容量成本高、写入次数有限SSD已逐渐率常见的磁盘接口标准有IDE、SCSI和光盘主要用于数据备份、软件分发和多媒体替代传统硬盘成为高性能计算机的主要存储SATA等存储设备第四章指令系统指令格式2包含操作码和地址码的二进制编码指令的基本概念1计算机指令是CPU执行的操作命令寻址方式确定操作数实际地址的方法3指令是计算机执行操作的基本单位，由操作码和操作数地址组成操作码指明要执行的操作类型，如加法、减法、数据传送等；操作数地址指明操作数的位置，可能是寄存器、内存地址或立即数不同的计算机架构有不同的指令格式和操作码设计指令格式是指令字的结构和编码方式，通常包含操作码字段和地址码字段根据每条指令包含的地址数，可分为零地址指令、一地址指令、二地址指令和三地址指令等地址数越多，指令功能越强，但指令长度也越长，占用更多存储空间寻址方式是确定操作数实际地址的方法，常见的寻址方式包括立即寻址（操作数直接包含在指令中）、直接寻址（指令中的地址就是操作数的实际地址）、间接寻址（指令中的地址存放的是操作数的地址）、寄存器寻址（操作数在寄存器中）和相对寻址（指令地址加偏移量）等不同的寻址方式适用于不同的编程需求指令的类型数据传送指令1数据传送指令用于在寄存器、内存和外设之间传输数据，是最基本和使用最频繁的指令类型典型的数据传送指令包括LOAD（加载）、STORE（存储）、MOVE（移动）、PUSH（压栈）和POP（出栈）等这类指令通常不改变数据内容，只改变数据的位置例如，MOV R1,R2指令将寄存器R2的内容复制到寄存器R1中算术运算指令2算术运算指令用于执行加、减、乘、除等算术运算典型的算术运算指令包括ADD（加法）、SUB（减法）、MUL（乘法）、DIV（除法）和INC（增量）等这类指令通常需要指定源操作数和目标操作数，运算结果通常存放在目标操作数位置例如，ADD R1,R2,R3指令表示将R2和R3中的数值相加，结果存入R1逻辑运算指令3逻辑运算指令用于执行位操作和布尔运算，包括AND（与）、OR（或）、NOT（非）、XOR（异或）、SHIFT（移位）和ROTATE（循环移位）等这类指令对二进制位进行直接操作，广泛应用于位图处理、加密算法和系统编程等领域例如，AND R1,R2,R3指令表示将R2和R3的内容按位进行与运算，结果存入R1程序控制指令4程序控制指令用于改变程序的执行顺序，包括JMP（无条件跳转）、JZ（为零跳转）、JNZ（非零跳转）、CALL（调用子程序）和RET（返回）等这类指令是实现程序分支、循环和子程序调用的基础例如，JMP2000H指令表示无条件跳转到内存地址2000H处继续执行程序和CISC RISC复杂指令集计算机（）精简指令集计算机（）比较和应用CISC RISCCISC架构强调硬件实现复杂的功能，使用RISC架构强调简化指令集，使用固定长度CISC和RISC各有优势，现代处理器设计往丰富的指令集，指令长度可变，支持多种的指令，减少寻址方式，只有简单的往融合两者的特点例如，Intel的处理器寻址方式，指令执行时间不等CISC的优LOAD/STORE指令可以访问内存，大多数虽然采用x86指令集（CISC），但内部实点是代码密度高，单条指令可以完成复杂指令在一个时钟周期内完成RISC的优点现采用了RISC的思想，先将复杂指令译码功能，有利于减少程序的大小；缺点是硬是硬件简单，易于实现流水线，指令执行为微操作，然后在RISC核心上执行RISC件复杂，流水线实现困难，指令解码和执速度快；缺点是代码密度低，需要更多的架构在移动设备和嵌入式系统中广泛应用，行较慢典型的CISC处理器包括Intel x86指令来完成同样的功能，程序大小可能增因其功耗低、性能高效；而CISC架构在桌系列加典型的RISC处理器包括ARM和MIPS面和服务器领域占主导地位，因其兼容性和通用性强第五章中央处理器（）CPU的功能的组成的工作原理CPU CPUCPU中央处理器（CPU）是计算机的核心部件，负责执CPU主要由运算器、控制器和寄存器组成运算器CPU的基本工作过程是取指令-分析指令-执行指令行指令、控制计算机的操作和处理数据CPU的主负责执行算术运算和逻辑运算；控制器负责取出指的循环具体步骤包括
①从PC指定的地址取出要功能包括指令控制（取指令、分析指令和执行指令、分析指令并产生相应的控制信号；寄存器用于指令到IR；
②分析IR中的指令，确定操作类型和操令）、操作控制（产生各种控制信号）、时间控制存储指令、数据和地址，包括程序计数器（PC）、作数；
③取操作数（可能从寄存器或内存中取）；（产生并分配时钟信号）和数据处理（算术运算和指令寄存器（IR）、状态寄存器（PSW）、通用寄
④执行指令指定的操作；
⑤将结果存入指定位置；逻辑运算）CPU是计算机性能的关键决定因素存器等现代CPU还包含高速缓存（Cache）
⑥更新PC，指向下一条指令这个过程在CPU内部的时钟控制下周而复始地进行运算器算术逻辑单元（）累加器通用寄存器ALU算术逻辑单元是运算器的核心部件，负责执累加器是一种特殊的寄存器，用于存放运算通用寄存器是一组可以存放各种类型数据的行各种算术运算和逻辑运算ALU通常包含的操作数和结果在传统的CPU设计中，累高速存储单元，直接与ALU连接通用寄存加法器、乘法器、除法器、移位器等电路，加器是唯一能与内存进行数据交换的寄存器，器可以用于存放操作数、中间结果和临时变以及一组控制逻辑，用于选择执行哪种运算也是ALU的主要输入和输出寄存器累加器量，减少对内存的访问，提高程序执行效率现代ALU能够执行整数和浮点数运算，并支的特殊地位使得指令编码可以更紧凑，因为现代CPU通常包含多个通用寄存器，如x86持向量运算，提高并行处理能力ALU的性不需要显式指定目标寄存器现代CPU设计架构的EAX、EBX、ECX等，ARM架构的R0-能直接影响CPU的计算能力中，累加器的概念已经扩展为更通用的寄存R15等寄存器的数量和用途是指令集架构器组的重要组成部分控制器指令寄存器（）IR1指令寄存器用于存放当前正在执行的指令在指令周期的取指阶段，控制器从程序计数器指定的内存地址取出指令，并将其存入指令寄存器然后，控制器根据程序计数器（）PC指令寄存器中的指令内容（操作码和地址码）生成相应的控制信号，指导CPU各2部件执行相应的操作指令寄存器是控制器了解做什么的关键部件程序计数器用于存放下一条指令的地址在正常情况下，每取出一条指令后，程序计数器自动加1（或加上指令字长），指向下一条指令当执行转移指令时，状态寄存器（）程序计数器会被设置为转移的目标地址程序计数器使CPU能够按照程序设定的PSW3顺序执行指令，是控制器了解做到哪里的关键部件状态寄存器用于存放反映程序运行状态的标志位，如进位标志（CF）、零标志（ZF）、符号标志（SF）、溢出标志（OF）、中断允许标志（IF）等这些标志位一部分由ALU操作的结果自动设置，另一部分可由程序指令显式设置状态寄存器是条件转移指令和中断处理的重要依据，是控制器了解状态如何的关键部件指令周期取指周期间址周期1从内存读取下一条指令计算操作数的有效地址2中断周期执行周期4检查并响应中断请求3执行指令规定的操作取指周期是指令周期的第一个阶段，CPU从PC指定的内存地址读取指令，存入IR，同时PC自动增加，指向下一条指令取指操作通常需要访问内存，是指令执行的必要前提间址周期在使用间接寻址等复杂寻址方式时可能需要，用于计算操作数的实际地址例如，在间接寻址中，需要先读取指令中给出的地址，然后再根据该地址读取真正的操作数不是所有指令都需要间址周期执行周期是根据IR中的操作码执行相应操作的阶段不同的指令在执行周期可能完成不同的操作，如算术运算、逻辑运算、数据传送或程序转移等执行周期的长度取决于指令的复杂度中断周期发生在一条指令执行完毕后，CPU检查是否有中断请求如果有中断请求且中断允许，CPU会保存当前状态，转去执行中断服务程序中断周期是实现中断机制的关键环节数据通路单总线结构多总线结构设计考虑因素单总线结构是一种简单的数据通路设计，多总线结构使用多条并行的总线，如指令数据通路设计需要考虑多方面因素性能所有功能部件（如ALU、寄存器、内存接总线、数据总线、地址总线等，允许同时要求（吞吐量、延迟）、硬件复杂度、功口等）都连接到同一条总线上数据传送进行多个数据传送操作现代CPU普遍采耗限制、指令集架构特性等数据通路设通过总线进行，一次只能完成一个数据传用多总线结构，还可能包括专用的浮点数计直接影响CPU的执行效率、流水线设计送操作单总线结构的优点是硬件简单、据通路、向量数据通路等多总线结构的和并行度现代CPU设计中，数据通路往成本低；缺点是传送效率低，因为多个传优点是传送效率高，支持指令级并行；缺往是多级流水线的一部分，需要解决数据送操作必须顺序进行，无法并行执行点是硬件复杂、成本高相关、控制相关和结构相关等问题控制方式硬布线控制微程序控制硬布线控制是一种使用固定逻辑电路微程序控制是一种使用微程序来产生控（如组合逻辑电路和时序逻辑电路）实制信号的方式每条机器指令由一系列现控制功能的方式控制信号由指令操更基本的微操作组成，这些微操作序列作码、机器周期和时钟信号通过硬件逻存储在控制存储器中，称为微程序控辑直接产生硬布线控制的优点是速度制器根据机器指令的操作码从控制存储快、响应及时；缺点是电路复杂、设计器中取出相应的微程序，按微程序的指困难、缺乏灵活性，修改和扩展指令集示产生各种控制信号微程序控制的优需要改变硬件电路早期的计算机多采点是结构规整、设计简单、易于修改和用硬布线控制方式扩展；缺点是速度相对较慢混合控制方式现代CPU通常采用混合控制方式，结合硬布线控制和微程序控制的优点常用的方式是对于简单、常用的指令采用硬布线控制，速度快；对于复杂、不常用的指令采用微程序控制，提高灵活性还可以使用可写控制存储器（WCS）技术，允许在运行时修改微程序，进一步提高系统的适应性流水线技术取指1从内存取出指令译码2分析指令内容和操作数执行3执行指令规定的操作访存4必要时读写内存写回5将结果写入目标位置流水线技术是一种提高指令执行效率的方法，通过将指令执行过程分解为多个顺序执行的阶段，实现多条指令的重叠执行在理想情况下，一个包含n个阶段的流水线，当流水线满载时，其吞吐率比非流水线执行方式提高n倍流水线的性能受到多种因素的影响，包括流水线深度（阶段数）、各阶段处理时间的平衡性、流水线冒险等流水线越深，理论上吞吐率越高，但实际上会受到冒险问题和流水线开销的限制流水线冒险是指流水线中的指令之间存在相互影响，导致流水线无法以理想速度运行的情况冒险分为数据冒险（后面的指令依赖前面指令的结果）、控制冒险（分支指令导致程序流改变）和结构冒险（不同指令争用同一资源）解决冒险的方法包括停顿、数据转发、分支预测和乱序执行等技术第六章总线系统总线是计算机系统中连接各个功能部件的公共通信通道，由一组线路组成，用于传输地址、数据和控制信号按照功能，总线可分为数据总线（传输数据）、地址总线（传输地址）和控制总线（传输控制信号）按照连接部件的层次，总线可分为内部总线（CPU内部）、系统总线（主板上的各功能部件之间）和外部总线（连接外部设备）总线的主要性能指标包括总线宽度（一次能传输的位数）、总线带宽（单位时间内的传输量）、总线工作频率（每秒传输次数）、总线仲裁方式（解决多设备访问冲突）和总线标准（兼容性和通用性）这些指标影响着系统的传输效率和扩展能力现代计算机系统中，总线设计正朝着高速、串行、点对点连接的方向发展，如PCI Express取代了传统的并行PCI总线，提供了更高的传输带宽和更好的可扩展性此外，各种专用总线也不断涌现，满足特定应用的需求总线仲裁集中仲裁方式分布仲裁方式仲裁策略集中仲裁是由一个专门的仲裁器负责处理分布仲裁是没有中央仲裁器，而是由各设总线仲裁策略主要考虑公平性和效率问题所有总线请求并决定访问权限的方式常备自行协商确定总线访问权的方式常见常见的策略包括
①固定优先级方式，总见的集中仲裁方法包括
①链式查询方式，的分布仲裁方法包括
①自举方式，各设是满足高优先级设备的请求；
②循环方式，通过一条菊花链连接各设备，按物理位置备通过总线状态线了解总线是否空闲，空轮流给各设备访问权，保证公平性；
③先优先级依次查询；
②计数器定时查询方式，闲时尝试获取；
②CSMA/CD方式（载波侦来先服务方式，按请求到达顺序分配总线；通过计数器循环查询各设备是否有总线请听多路访问/冲突检测），类似以太网的工
④基于时间片的方式，每个设备获得固定求；
③独立请求方式，每个设备有独立的作方式，设备发生冲突后等待随机时间后的时间片使用总线不同的应用场景可能请求线和授权线，仲裁器可以实现更灵活重试；
③令牌传递方式，访问权随令牌在需要不同的仲裁策略，以平衡响应时间和的优先级策略设备间传递，只有持有令牌的设备可以使总线利用率用总线总线操作和定时同步总线同步总线使用统一的时钟信号控制数据传输，所有设备都按照时钟边沿进行操作每次总线事务都占用固定数量的时钟周期，可以分为寻址周期、数据周期等同步总线的优点是控制简单，设计容易；缺点是必须以最慢设备的速度运行，灵活性差同步总线适用于速度一致的设备之间，或者总线长度较短的场合，如系统内部总线异步总线异步总线不使用统一的时钟信号，而是通过握手信号控制数据传输发送方发出数据后，发出数据有效信号；接收方收到数据后，返回应答信号；发送方收到应答后，撤销数据有效信号；接收方检测到数据有效信号撤销后，撤销应答信号异步总线的优点是可以适应不同速度的设备，效率高；缺点是控制复杂，成本高半同步总线半同步总线是同步总线和异步总线的折中方案，使用时钟信号，但通过等待状态适应不同速度的设备在数据传输过程中，如果从设备需要更多时间处理请求，它可以插入等待状态周期半同步总线结合了同步总线的简单性和异步总线的灵活性，在实际系统中应用广泛，如早期的ISA总线和PCI总线总线标准总线总线总线PCI USBSATAPCI（Peripheral ComponentInterconnect）总线USB（Universal SerialBus）是一种广泛应用的外SATA（Serial AdvancedTechnology Attachment）是一种高性能的系统总线标准，最初由英特尔于部总线标准，用于连接计算机与外部设备USB总是一种连接主板和存储设备的高速总线标准，用于1992年推出PCI总线使用32位或64位并行数据传线支持热插拔、即插即用和供电功能，极大地简化替代传统的并行ATA（PATA）接口SATA采用串输，工作频率33MHz或66MHz，理论带宽最高可达了外设的使用USB标准经历了多次发展，从USB行传输方式，大大简化了连接电缆，提高了传输可533MB/sPCI总线支持即插即用功能，允许设备
1.1（12Mbps）到USB
2.0（480Mbps），再到USB靠性SATA标准也经历了多次升级，从SATA
1.0自动配置，简化了系统安装和维护虽然传统PCI
3.0（5Gbps）和USB
3.1（10Gbps），传输速度不（
1.5Gbps）到SATA
2.0（3Gbps）再到SATA
3.0总线已逐渐被PCIe取代，但其设计思想和总线协议断提高最新的USB4基于Thunderbolt3协议，速（6Gbps），满足了不断增长的存储性能需求现仍有重要的参考价值度可达40Gbps，进一步扩展了应用范围代计算机系统中，SATA接口广泛用于连接硬盘、固态硬盘和光驱等设备第七章输入输出系统输入输出系统的基本概念设备的分类（按数据交换方式）I/OI/O系统是计算机系统中负责与外部环境进行信息根据数据交换方式，I/O设备可分为字符设备和块交换的部分，包括I/O设备、I/O接口和I/O控制方式设备字符设备每次传送一个字符，如键盘、鼠标；I/O系统的主要功能是完成数据的输入（从外部环块设备每次传送一块数据，如磁盘、光盘字符设12境到计算机内部）和输出（从计算机内部到外部环备通常用于人机交互，传输速率较低；块设备通常境），实现计算机与用户、其他计算机或物理环境用于大量数据存储，传输速率较高的交互设备的分类（按传输速率）设备的分类（按工作方式）I/O I/O根据传输速率，I/O设备可分为低速设备、中速设根据工作方式，I/O设备可分为自处理设备和非自备和高速设备低速设备如键盘、鼠标，传输速率处理设备自处理设备具有自己的控制器和缓冲区，43在KB/s级别；中速设备如打印机，传输速率在MB/s可以独立处理数据，如网卡、图形处理器；非自处级别；高速设备如磁盘阵列、网络接口，传输速率理设备完全依赖CPU控制，如简单的键盘和鼠标在GB/s级别不同速率的设备需要不同的I/O控制自处理设备可以减轻CPU负担，提高系统并行处理方式来提高效率能力接口I/O接口的功能接口的基本结构1I/O2I/OI/O接口是CPU与I/O设备之间的桥梁，其主要功能包括
①数据缓冲，解决I/O接口通常包含控制逻辑、数据缓冲寄存器、状态寄存器和控制寄存器等部CPU与设备之间速度不匹配的问题；
②数据格式转换，将设备的数据格式转分控制逻辑负责解释CPU的命令和产生设备控制信号；数据缓冲寄存器临换为计算机内部格式；
③控制和定时，产生设备所需的控制信号；
④设备选时存放交换的数据；状态寄存器反映设备的当前状态；控制寄存器存放控制择，识别和选择特定的设备；
⑤状态检测，监视设备的工作状态；
⑥中断处信息，用于控制设备的工作方式这些部件通过总线与CPU连接，通过接口理，生成中断请求，并参与中断处理过程电路与设备连接接口的类型接口的编址方式3I/O4I/OI/O接口可分为并行接口和串行接口并行接口一次传送多位数据，速度快但I/O接口与CPU的连接方式有两种
①独立编址方式（I/O映射），I/O接口有成本高，如早期的打印机并口；串行接口一次传送一位数据，速度相对较慢独立的地址空间，使用专门的I/O指令访问；
②统一编址方式（内存映射），但成本低，如USB、SATA等现代计算机系统倾向于使用高速串行接口，因I/O接口和内存共享一个地址空间，使用相同的指令访问独立编址方式简化为它们在高频条件下比并行接口更可靠，且连接线缆更简单了硬件设计，保护了内存空间；统一编址方式简化了指令系统，提高了编程灵活性方式I/O方式DMA程序查询方式DMA（直接内存访问）方式允许外设在CPU最小干预下直接与内存交换数据CPU只需启动程序查询方式是最简单的I/O控制方式，CPU通过反复检查设备状态寄存器来确定设备是否准备DMA控制器，提供内存地址、传送方向和数据长度等参数，然后继续其他工作DMA控制器接好传送数据当设备准备好后，CPU通过指令直接控制数据传输这种方式的优点是硬件简单，管总线控制权，直接完成设备与内存之间的数据传送，传送完成后才向CPU发出中断信号容易实现；缺点是CPU一直处于忙等状态，大量消耗CPU时间，效率极低程序查询方式只适DMA方式的优点是CPU负担小，传送效率高；缺点是硬件复杂，需要专门的DMA控制器用于数据量小、设备响应快或无其他紧急任务的简单系统123中断方式中断方式是一种设备就绪时通知CPU的方法CPU发出I/O命令后继续执行其他程序，当I/O操作完成时，设备控制器向CPU发出中断请求，CPU暂停当前程序，转而执行中断服务程序处理I/O数据，处理完毕后返回原程序继续执行中断方式的优点是CPU利用率高，可以处理异步事件；缺点是每个数据传送都需要CPU干预，对于高速设备仍会占用大量CPU时间中断系统中断的概念中断的分类中断处理过程中断是指计算机运行过程中，出现某些急需处中断可分为硬件中断和软件中断硬件中断由中断处理过程一般包括
①中断请求，外设或理的事件时，暂停当前程序的执行，转而处理硬件产生，如I/O中断（设备就绪或完成操作其他源发出中断请求；
②中断响应，CPU检测这些事件，处理完毕后再返回原程序继续执行时）、时钟中断（定时器到时）和硬件故障中到中断请求并决定是否响应；
③中断处理准备，的过程中断机制是实现多任务处理和提高系断（如内存奇偶校验错）；软件中断由软件产保存当前程序状态（PC、PSW等）；
④识别中统响应能力的重要手段，它使CPU能够及时响生，如指令中断（执行特定的中断指令）、异断源，确定是哪个设备或事件引起的中断；
⑤应外部事件，而不必一直等待这些事件的发生常中断（程序执行错误，如除零、地址越界）执行中断服务程序，处理引起中断的事件；
⑥和陷阱中断（执行系统调用指令）中断返回，恢复原程序的状态，继续执行被中断的程序外部设备输入设备是将信息从外部输入到计算机的设备键盘是最基本的输入设备，通过按键将字符和控制信息输入计算机；鼠标是图形用户界面的主要输入设备，通过移动和按键控制屏幕光标；此外还有触摸屏、扫描仪、数位板、麦克风等多种输入设备，满足不同场景的输入需求输出设备是将计算机处理结果输出到外部的设备显示器是最主要的输出设备，使用CRT、LCD、LED或OLED等技术显示图像和文字；打印机用于将数字信息转换为永久性的纸质文档，包括激光打印机、喷墨打印机和针式打印机等；其他输出设备还包括投影仪、音箱、耳机等外部存储设备用于长期存储大量数据硬盘驱动器HDD是传统的大容量存储设备，使用磁性介质存储数据；固态硬盘SSD使用闪存芯片存储数据，速度更快、能耗更低；光盘驱动器用于读写CD、DVD和蓝光光盘；此外还有U盘、记忆卡、外接硬盘等便携式存储设备，方便数据传输和备份第八章操作系统概述操作系统的功能操作系统是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，是计算机系统的核心软件操作系统的主要功能包括
①处理器管理，分配CPU资源，调度和控制程序执行；
②存储器管理，分配和回收内存，提供虚拟内存支持；
③设备管理，控制和协调I/O设备工作；
④文件管理，组织和管理文件系统；
⑤用户接口，提供用户与计算机交互的环境操作系统的发展历程操作系统的发展经历了多个阶段
①手工操作阶段（无操作系统）；
②批处理系统阶段，引入作业控制和监控程序，提高了设备利用率；
③多道程序系统阶段，多个程序并发执行，进一步提高了资源利用率；
④分时系统阶段，引入时间片轮转，多用户交互使用；
⑤实时系统阶段，强调及时响应和处理外部事件；
⑥网络操作系统和分布式操作系统阶段，支持网络资源共享和分布式计算操作系统的类型根据应用领域和特点，操作系统可分为多种类型
①批处理操作系统，如早期的IBM OS/360；
②分时操作系统，如UNIX、Linux；
③实时操作系统，如VxWorks、QNX；
④网络操作系统，如Novell NetWare；
⑤分布式操作系统，如Plan9；
⑥个人计算机操作系统，如Windows、macOS；
⑦移动设备操作系统，如Android、iOS；
⑧嵌入式操作系统，如嵌入式Linux、Windows CE进程管理就绪创建等待CPU分配时间片2分配和初始化进程控制块1运行占用CPU执行指令3终止5阻塞释放资源结束生命周期4等待某事件发生进程是程序的一次执行过程，是操作系统资源分配的基本单位进程由程序段、数据段和进程控制块（PCB）组成PCB是操作系统管理进程的数据结构，记录进程的标识信息、现场信息、控制信息和资源信息等，是进程存在的唯一标志进程的状态可分为创建、就绪、运行、阻塞和终止五种基本状态创建状态是进程正在被创建，系统为其分配资源、初始化PCB；就绪状态是进程获得了除CPU外的所有必要资源，等待CPU分配；运行状态是进程获得CPU，正在执行；阻塞状态是进程等待某一事件发生而暂停运行；终止状态是进程正常或异常结束，等待系统回收资源进程调度是指按照一定的算法从就绪队列中选择一个进程，将CPU分配给它的过程常见的进程调度算法包括先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、优先级调度、时间片轮转（RR）和多级反馈队列等调度算法的选择取决于系统目标，如提高CPU利用率、缩短响应时间或保证公平性等内存管理内存分配策略1内存分配是操作系统为进程分配内存空间的过程根据分区大小，内存分配可分为固定分区分配和动态分区分配固定分区分配将内存分为固定大小的区域，实现简单但可能造成内部碎片；动态分区分配根据进程需要动态划分内存区域，避免内部碎片但可能产生外部碎片动态分区分配的常用算法有首次适应（First-Fit）、最佳适应（Best-Fit）和最坏适应（Worst-Fit）等虚拟内存管理2虚拟内存是一种内存管理技术，使用磁盘空间扩展物理内存，为进程提供一个更大的地址空间虚拟内存实现了逻辑地址和物理地址的分离，通过地址映射机构（如页表或段表）进行地址转换当访问的页面不在物理内存中时，触发缺页中断，操作系统将所需页面从磁盘调入内存虚拟内存技术使得多个程序能够共享有限的物理内存，增强了系统的多任务处理能力页面置换算法3当发生缺页中断且物理内存已满时，需要使用页面置换算法选择一个页面淘汰出内存常用的页面置换算法有
①最优算法（OPT），选择最长时间内不再被访问的页面，是理论上最好的算法但难以实现；
②先进先出算法（FIFO），选择在内存中驻留时间最长的页面；
③最近最少使用算法（LRU），选择最长时间没有被访问的页面；
④时钟算法（CLOCK），是LRU的近似实现，使用循环队列和访问位文件管理文件系统文件的逻辑结构和物理结构文件保护文件系统是操作系统中组织和管理文件的软件机构，文件的逻辑结构是用户看到和使用的文件组织形式，文件保护是确保文件安全、防止未授权访问的机制负责文件的存储、检索、更新和保护文件系统的主要有无结构文件（如二进制文件）、记录文件常用的文件保护方法包括
①访问控制方式，如主要功能包括
①文件命名，为文件指定唯一的（如定长记录和变长记录）和索引文件（通过索引访问控制矩阵、访问控制表（ACL）和访问能力表；名称；
②文件存储，负责文件在外存上的物理存快速访问记录）等文件的物理结构是文件在存储
②口令保护，为文件设置访问密码；
③密码技术，储组织；
③文件共享，允许多个用户安全地共享介质上的组织方式，主要有连续分配（文件占用连对文件内容进行加密；
④备份技术，定期备份文文件；
④文件保护，防止未授权的访问常见的续的存储空间）、链接分配（文件块通过指针链接）件防止丢失或损坏完善的文件保护机制是保障信文件系统有FAT、NTFS、ext
4、HFS+等，各有特和索引分配（使用索引表指向文件块）等方式息安全的重要手段，尤其在多用户和网络环境中尤点和适用场景为重要设备管理设备驱动程序缓冲管理设备驱动程序是操作系统中控制特定硬件设缓冲管理是解决设备与处理器之间速度不匹备的软件模块，是操作系统与硬件设备之间配问题的重要技术缓冲区是内存中的一块的接口驱动程序隐藏了设备的细节，向上区域，用于临时存放输入输出数据常见的提供统一的接口，使应用程序能够通过标准缓冲技术有单缓冲、双缓冲和循环缓冲等系统调用访问各种设备驱动程序负责设备单缓冲只设置一个缓冲区，处理器和设备交的初始化、控制、状态监测和中断处理等功替使用；双缓冲设置两个缓冲区，当一个缓能现代操作系统通常采用模块化设计，允冲区与设备交换数据时，处理器可以同时处许动态加载和卸载驱动程序，提高了系统的理另一个缓冲区的数据；循环缓冲是多个缓灵活性和可扩展性冲区组成的环形结构，适用于生产者-消费者模型设备分配与回收设备分配是操作系统根据进程请求分配设备的过程设备分配的基本策略包括独占分配（设备一次只能分配给一个进程使用）和共享分配（多个进程可以同时使用同一设备）设备分配通常采用请求-分配-释放的处理模式，需要考虑设备的安全分配问题（如死锁预防）设备回收是在进程使用完设备后，操作系统回收设备资源的过程，包括释放设备表项、回收缓冲区等操作第九章计算机网络基础计算机网络的定义计算机网络的分类网络拓扑结构计算机网络是由自治的计算机互联而成的计算机网络可按不同标准分类
①按覆盖网络拓扑结构是指网络中各节点的连接方系统，通过通信设备和线路连接，由网络范围分为局域网（LAN）、城域网式总线型拓扑所有节点连接到一条公共协议控制，实现资源共享和信息传递网（MAN）、广域网（WAN）；
②按拓扑结传输介质，结构简单但容易拥塞；星型拓络使计算机之间能够进行数据通信，共享构分为总线型、星型、环型、树型和网状扑所有节点连接到中央节点，便于管理但硬件、软件和数据资源，提高系统可靠性，结构；
③按传输技术分为广播网和点对点中央节点可能成为瓶颈；环型拓扑节点形增强系统处理能力随着技术发展，计算网；
④按网络用途分为通信网、资源子网成一个闭合环路，资源分配公平但单点故机网络已成为现代信息基础设施的核心组和专用网；
⑤按组织方式分为对等网和客障影响大；网状拓扑节点之间有多条连接成部分户/服务器网不同类型的网络适用于不同路径，可靠性高但成本高；树型拓扑是星的应用场景型和总线型的结合，层次清晰但根节点故障影响大网络协议七层模型协议族常见协议OSI TCP/IPOSI（开放系统互连）七层模型是国际标准化组织TCP/IP是互联网的核心协议族，实际应用中最广泛网络通信中的常见协议包括
①网络层协议如IP（ISO）制定的一个网络通信标准框架，将网络通的网络协议标准它采用四层模型网络接口层（Internet Protocol，提供无连接的数据包传输服信功能分为七层物理层（传输比特流）、数据链（对应OSI的物理层和数据链路层，如以太网协务）和ICMP（Internet ControlMessage Protocol，路层（帧传输和差错控制）、网络层（路由选择和议）、网络层（对应OSI的网络层，如IP协议）、提供网络诊断功能）；
②传输层协议如TCP分组转发）、传输层（端到端连接和可靠传输）、传输层（对应OSI的传输层，如TCP和UDP协议）（Transmission ControlProtocol，提供可靠的面会话层（建立和管理会话）、表示层（数据格式转和应用层（对应OSI的会话层、表示层和应用层，向连接的传输服务）和UDP（User Datagram换和加密解密）、应用层（为应用程序提供网络服如HTTP、FTP、SMTP等）TCP/IP协议族的设计Protocol，提供不可靠的无连接传输服务）；
③应务）OSI模型是理解网络通信和协议设计的重要理念是简化和实用，它成功地支撑了全球互联网的用层协议如HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件理论基础快速发展传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、DNS（域名系统）等局域网技术以太网以太网帧格式以太网是目前最流行的局域网技术，基于以太网帧是以太网传输的基本单位，由前导IEEE
802.3标准传统以太网使用CSMA/CD码（用于同步）、目的地址（6字节MAC地（载波侦听多路访问/冲突检测）介质访问控址）、源地址（6字节MAC地址）、类型字段制方法，现代以太网主要采用交换机连接，（指示上层协议类型）、数据字段（46-1500实现全双工通信，消除了冲突问题以太网字节的实际数据）和FCS（帧校验序列，用的数据速率经历了多次提升，从最初的于差错检测）组成以太网使用48位MAC地10Mbps，到100Mbps（快速以太网）、址唯一标识网络接口，其中前24位是厂商标1Gbps（吉比特以太网）、10Gbps，现在已识（OUI），后24位是厂商分配的序列号发展到40Gbps和100Gbps以太网的成功源于其简单、可靠和成本效益高的特点Wi-FiWi-Fi是一种基于IEEE
802.11标准的无线局域网技术，使用射频信号在空中传输数据Wi-Fi网络通常由一个或多个无线接入点（AP）和多个客户端组成Wi-Fi标准也经历了多次发展，从最初的
802.11（2Mbps）到
802.11b（11Mbps）、
802.11a/g（54Mbps）、
802.11n（600Mbps）、
802.11ac（
6.9Gbps）和
802.11ax（
9.6Gbps）Wi-Fi的优势在于部署灵活、用户移动性高，但安全性需要特别关注，通常采用WPA2/WPA3等加密认证技术保护数据广域网技术移动通信与Internet5G MPLS VPNInternet（互联网）是全球最大的广域网，由数千5G是第五代移动通信技术，相比4G提供了更高的多协议标签交换（MPLS）是一种高性能的数据转个相互连接的网络组成的网络互联网采用分层次数据传输速率（峰值速率20Gbps）、更低的延迟发技术，通过在数据包前端添加标签，实现快速转的结构，包括主干网（由高速链路连接的核心路由（1毫秒级）、更大的连接密度（每平方公里100万发和流量工程MPLS被广泛用于构建虚拟专用网器组成）、地区网（连接主干网和本地网）和本地台设备）和更高的可靠性5G采用多种关键技术，络（VPN），为企业提供安全、可靠的广域网连接网（直接为用户提供服务）互联网基于TCP/IP协如毫米波、大规模MIMO、波束成形、网络切片等服务MPLS VPN将企业的多个站点连接成一个逻议族工作，使用IP地址和域名系统（DNS）进行寻5G的三大应用场景包括增强型移动宽带（eMBB）、辑网络，数据在公共网络上传输但逻辑上隔离，保址互联网的开放架构和标准化协议促进了其全球超高可靠低延迟通信（URLLC）和大规模机器类通证了安全性相比传统的点对点专线，MPLS VPN化发展，现已成为人类社会信息交流和知识共享的信（mMTC），能够支持虚拟现实、自动驾驶、智具有更好的可扩展性、灵活性和成本效益基础设施能制造、物联网等多种新兴应用网络安全防火墙加密技术控制网络边界的访问2保护数据机密性和完整性1入侵检测监视和识别可疑活动3身份认证5VPN验证用户和设备身份4建立安全的通信隧道加密技术是保护数据安全的基础，分为对称加密（如AES、DES）和非对称加密（如RSA、ECC）对称加密速度快但密钥分发困难；非对称加密解决了密钥分发问题但计算复杂度高实际应用中常结合两者优势，如使用非对称加密交换会话密钥，然后用对称加密保护数据传输数字签名和数字证书等技术进一步增强了通信的安全性和可信度防火墙是网络安全的重要防线，通过控制进出网络的数据流量来保护内部网络防火墙可分为包过滤防火墙、应用网关防火墙、状态检测防火墙和下一代防火墙等类型现代防火墙不仅能基于源/目的地址和端口进行过滤，还能识别应用层协议、检测恶意内容、防御拒绝服务攻击等虚拟专用网络（VPN）使用加密和隧道技术在公共网络上建立安全连接VPN的主要类型包括远程访问VPN（允许移动用户安全连接到企业网络）、站点到站点VPN（连接多个固定站点）和MPLSVPN（基于MPLS技术的服务提供商VPN解决方案）VPN广泛应用于远程工作、跨国企业内部通信和保护敏感数据传输等场景第十章并行处理并行处理的概念并行处理是指同时使用多个处理单元协同解决一个计算问题，目的是提高计算速度和处理能力并行处理的基本思想是分而治之，将大问题分解为多个可以并行求解的子问题，各处理单元同时处理不同子问题，然后合并结果并行处理是提高计算性能的重要途径，尤其在单处理器性能提升受到物理极限的今天，并行化已成为计算机系统设计的主流方向并行计算机的分类并行计算机可以按照不同的标准分类
①按处理器间的耦合度分为紧密耦合系统（如多核处理器、对称多处理器）和松散耦合系统（如集群、网格计算）；
②按存储器的组织方式分为共享存储系统（所有处理器共享同一存储空间）和分布式存储系统（每个处理器有自己的本地存储）；
③按并行粒度分为指令级并行、线程级并行、进程级并行和作业级并行；
④按硬件结构分为SIMD、MIMD等类型（详见Flynn分类法）并行程序设计并行程序设计是开发能够在并行计算机上高效执行的程序的过程这通常涉及以下步骤
①任务分解，识别可并行执行的计算任务；
②任务分配，决定如何将任务分配给处理器；
③数据分布，确定数据的存储和访问方式；
④同步和通信，管理处理器之间的协调和数据交换常用的并行编程模型包括共享内存模型（如OpenMP）、消息传递模型（如MPI）和数据并行模型（如CUDA、OpenCL）等分类法Flynn12SISD SIMD单指令流单数据流，传统的顺序计算机模型，一次执行一条指令，处理一个数据项例如早期的单核处理器单指令流多数据流，一条指令同时对多个数据项执行相同操作例如向量处理器和GPU34MISD MIMD多指令流单数据流，多条指令同时处理同一数据项实际应用较少，主要用于容错系统多指令流多数据流，多个处理器同时执行不同指令处理不同数据例如多核处理器和集群系统Flynn分类法是由Michael J.Flynn于1966年提出的计算机系统分类方法，基于指令流和数据流的数量将计算机系统分为四种基本类型这种分类方法简单明了，至今仍被广泛使用SISD（单指令流单数据流）是传统的顺序计算机，如早期的单核处理器它在任一时刻只能执行一条指令，处理一个数据项，是最简单的计算机结构，但性能受到单处理器性能的限制SIMD（单指令流多数据流）是数据级并行的典型代表，如向量处理器和现代GPU它的特点是同一条指令同时作用于多个数据项，特别适合于图像处理、矩阵运算等规整的并行任务现代处理器中的SIMD指令集扩展（如SSE、AVX）就是这种思想的体现MISD（多指令流单数据流）理论上是多条不同指令同时处理同一数据，在实际中应用较少某些特殊用途的系统，如航天器控制系统中的容错计算机可能采用这种结构，多个处理器使用不同算法处理同一输入数据，然后比较结果以提高可靠性MIMD（多指令流多数据流）是最通用的并行计算机模型，如多核处理器、集群系统和分布式系统它的每个处理器可以独立执行不同的指令序列，处理不同的数据，具有最大的灵活性，能够支持各种类型的并行应用多处理器系统对称多处理器（）非一致存储访问（）多处理器操作系统SMP NUMA对称多处理器是一种共享内存的多处理器NUMA是一种共享内存的多处理器系统，多处理器系统需要专门设计的操作系统支系统，其中所有处理器地位平等，共享同但与SMP不同，它的内存物理上分布在不持，以有效管理多个处理器和共享资源一物理内存和I/O设备，由单一操作系统管同的处理器节点上NUMA系统的特点是多处理器操作系统的关键特性包括
①多理SMP系统的特点是
①处理器间完全
①每个处理器对本地内存的访问速度比远处理器调度，决定在哪个处理器上执行哪对称，任何处理器都可以执行相同的功能；程内存快；
②系统可以包含更多的处理器，个线程；
②处理器亲和性，尽量让线程在
②采用统一内存访问（UMA）模型，所有扩展性更好；
③内存访问时间不一致，增同一处理器上运行以提高缓存效率；
③负处理器访问任何内存位置的时间相同；
③加了编程复杂性；
④需要特殊的内存分配载均衡，确保工作均匀分布到各处理器；处理器间通过共享内存通信，编程相对简和调度策略以优化性能NUMA是大型服
④内存管理，在NUMA系统中特别需要考单；
④系统资源由单一操作系统管理，简务器和超级计算机中常用的架构，能够在虑数据的局部性；
⑤同步机制，提供高效化了软件设计保持编程简便性的同时提供更好的可扩展的处理器间同步原语，如自旋锁、屏障等性多核处理器多核架构多核编程缓存一致性多核处理器是在单个芯片上集成多个处理器核心的多核编程是开发能够有效利用多核处理器的并行能缓存一致性是多核处理器设计中的关键问题，指的设计每个核心是一个完整的CPU执行单元，能够力的软件的过程常用的多核编程模型包括
①是确保不同核心看到的共享数据的一致视图当多独立执行指令多核架构的核心组件包括
①处线程模型，如POSIX线程（Pthreads）；
②个核心缓存同一内存位置的数据时，如果一个核心理器核心，负责指令执行；
②私有缓存（L1/L2），OpenMP，一种用于共享内存并行的编程接口；
③修改了数据，其他核心必须能够看到这一变化常为每个核心提供快速数据访问；
③共享缓存TBB（Threading BuildingBlocks），英特尔开发用的缓存一致性协议包括窥探协议（如MESI、（L3），所有核心共享的较大缓存；
④互连网络，的C++并行编程库；
④任务并行模型，如Microsoft MOESI协议）和目录协议此外，内存一致性模型连接各核心和共享资源；
⑤内存控制器，管理对的Task ParallelLibrary多核编程面临的主要挑战（如顺序一致性、松弛一致性）定义了多处理器系主存的访问；
⑥I/O接口，连接外部设备包括任务分解、负载均衡、数据共享、同步开销和统中内存操作的顺序规则，影响着程序的正确性和内存访问模式等性能第十一章人工智能和机器学习人工智能的定义1人工智能（AI）是研究如何让计算机模拟和扩展人类智能的学科，目标是创造能够感知环境、思考、学习和行动的智能系统AI研究领域广泛，包括知识表示、推理、规划、自然语言处理、计算机视觉、机器学习等根据能力范围，AI可分为弱人工智能（专注于解决特定问题）和强人工智能（具有与人类相当或超越人类的通用智能）目前的AI系统主要属于弱人工智能类别人工智能的发展2AI发展经历了几个阶段
①早期探索期（1950-1970s），提出基本概念和方法，如图灵测试、专家系统；
②第一次AI寒冬（1970s-1980s），研究受阻；
③知识工程期（1980s-1990s），专家系统兴起；
④第二次AI寒冬（1990s-2000s）；
⑤统计学习和大数据时代（2000s-2010s），机器学习特别是深度学习取得突破；
⑥当前的AI繁荣期，以深度学习为代表的技术在各领域广泛应用，如自动驾驶、医疗诊断、智能助手等机器学习的基本概念3机器学习是AI的核心子领域，研究如何让计算机从数据中自动学习和改进机器学习的基本类型包括
①监督学习，从带标签的训练数据中学习，如分类和回归；
②无监督学习，从无标签数据中发现模式，如聚类和降维；
③强化学习，通过与环境互动和获取奖励来学习最优策略机器学习的核心过程包括特征提取、模型选择、训练、评估和优化等步骤深度学习深度神经网络架构1多层神经网络实现复杂功能映射卷积神经网络（）CNN2专为处理网格结构数据如图像而设计循环神经网络（）RNN3处理序列数据如文本和时间序列生成对抗网络（）GAN4生成类似训练数据的新样本强化学习（）RL5通过试错和奖励机制学习神经网络是一种受生物神经系统启发的计算模型，由大量相互连接的人工神经元组成每个神经元接收多个输入，通过激活函数产生输出深度神经网络包含多个隐藏层，能够学习数据的层次化特征表示，这种深层结构使网络能够表达复杂的函数映射关系卷积神经网络（CNN）是一种专门用于处理网格结构数据（如图像）的深度学习架构CNN的核心组件包括卷积层（提取局部特征）、池化层（降维和特征选择）和全连接层（最终分类或回归）CNN通过卷积操作实现参数共享和平移不变性，极大地减少了参数数量，提高了训练效率和泛化能力循环神经网络（RNN）是一种能够处理序列数据的神经网络，通过引入循环连接使网络具有记忆能力传统RNN在处理长序列时存在梯度消失或爆炸问题，因此发展出了长短期记忆网络（LSTM）和门控循环单元（GRU）等变体，能够更好地捕捉长期依赖关系RNN广泛应用于自然语言处理、语音识别和时间序列预测等领域应用AI计算机视觉是AI的重要应用领域，研究如何使计算机理解和处理图像和视频数据计算机视觉技术包括图像分类（识别图像中的对象类别）、目标检测（定位并识别多个对象）、图像分割（精确划分图像区域）、人脸识别和物体跟踪等这些技术广泛应用于自动驾驶、安防监控、医疗诊断和工业检测等领域自然语言处理（NLP）研究计算机理解、生成和处理人类语言的能力NLP技术包括文本分类、情感分析、命名实体识别、机器翻译、问答系统和文本生成等近年来，基于Transformer架构的大型语言模型（如GPT、BERT）显著提升了NLP性能，推动了智能助手、自动摘要和机器翻译等应用的发展推荐系统是一种根据用户特征和行为数据预测用户偏好并推荐相关内容或产品的AI应用常用的推荐算法包括基于内容的推荐、协同过滤和深度学习推荐等推荐系统在电子商务、社交媒体、音乐和视频流媒体等平台广泛应用，帮助用户发现感兴趣的内容，同时提高平台的用户参与度和商业价值第十二章云计算和大数据云计算的概念云服务模式大数据的特征和价值云计算是一种基于互联网的计云计算服务通常分为三种基本大数据通常用5V来描述其特算模式，通过网络提供可伸缩、模式
①基础设施即服务征
①数量（Volume），数据按需的计算资源（如服务器、（IaaS），提供虚拟化的计算、规模庞大；
②速度存储、数据库、网络和软件等）存储和网络资源，如Amazon（Velocity），数据生成和处理服务云计算的核心特性包括EC2；
②平台即服务（PaaS），速度快；
③多样性（Variety），
①按需自助服务，用户可以根提供开发、测试和部署应用的数据类型和来源多样；
④真实据需要自行获取资源；
②广泛平台环境，如Google App性（Veracity），数据质量和可的网络接入，支持各类客户端Engine；
③软件即服务靠性问题；
⑤价值（Value），通过网络访问；
③资源池化，（SaaS），提供完整的应用软从数据中提取有用信息的潜力提供商的计算资源被池化，动件，用户通过浏览器或API访问，大数据分析可以发现隐藏的模态分配给多个消费者；
④快速如Salesforce、Microsoft365式和关联，支持更精确的决策，弹性，能够迅速扩展或收缩资此外，还有其他专门的服务模优化业务流程，创造新的商业源；
⑤可计量的服务，资源使式，如函数即服务（FaaS）、模式，在金融、医疗、零售、用可被监控、控制和计费数据库即服务（DBaaS）等制造等各行业产生巨大价值云计算架构（软件即服务）SaaS（平台即服务）PaaS（基础设施即服务）SaaS提供完整的应用软件服务，用户通过网络访问和使用IaaSPaaS在IaaS的基础上，进一步提供了开发、测试和部署应用这些应用，无需关心底层基础设施、平台或应用本身的安装、IaaS提供最基本的云计算资源，包括服务器、存储、网络和所需的平台环境，包括操作系统、编程语言执行环境、数据维护和升级SaaS应用通常基于Web浏览器访问，支持多虚拟化等基础设施用户可以按需获取这些资源，无需购买库和Web服务器等用户只需关注应用开发和数据，无需管租户架构，能够实现资源的高效共享SaaS模式大大降低和维护物理硬件IaaS服务提供商负责基础设施的运行和维理底层基础设施PaaS简化了应用开发和部署流程，加速了IT成本和复杂性，适合快速部署和标准化应用场景常见护，用户负责操作系统、中间件、运行时环境和应用的部署了开发周期，但相比IaaS，用户的控制权和自定义能力有所的SaaS应用包括Salesforce（CRM）、Microsoft365（办公与管理IaaS的优点是灵活性高、控制度大，适合需要高度减少常见的PaaS服务有Google AppEngine、Microsoft套件）和Zoom（视频会议）定制化IT环境的组织典型的IaaS服务包括Amazon EC
2、Azure AppService和HerokuMicrosoft Azure虚拟机和Google ComputeEngine根据部署方式的不同，云计算可分为公有云、私有云和混合云公有云由第三方服务提供商拥有和运营，通过互联网向多个客户提供服务，具有成本效益高、可扩展性强的特点，但对数据安全和隐私有一定担忧私有云是专为单个组织构建的云环境，可以部署在组织自有的数据中心或由第三方托管，提供更高的安全性和控制力，但成本较高，灵活性较低混合云结合了公有云和私有云的优势，允许数据和应用在两种环境之间移动，满足不同的业务需求和合规要求大数据处理数据存储数据采集在分布式系统中高效存储大量数据2收集来自各种来源的原始数据1数据处理使用并行计算技术处理海量数据3数据可视化5数据分析直观呈现数据分析结果4使用统计和机器学习提取有用信息Hadoop生态系统是处理大数据的开源框架集合，由多个相互协作的组件组成其核心组件包括
①HDFS（Hadoop分布式文件系统），用于在商用服务器集群上存储海量数据；
②MapReduce，一种用于并行处理大数据集的编程模型；
③YARN（Yet AnotherResource Negotiator），一个集群资源管理系统；
④Hadoop Common，提供其他Hadoop模块使用的公共工具围绕Hadoop核心组件，发展出了丰富的生态系统，包括
①Hive，一个数据仓库工具，提供类SQL查询语言HQL；
②Pig，一个高级数据流语言和执行框架；
③HBase，一个分布式、面向列的NoSQL数据库；
④Spark，一个快速的通用计算引擎，支持内存计算；
⑤Storm和Flink，用于实时数据处理的流计算框架；
⑥ZooKeeper，用于分布式应用的协调服务；
⑦Sqoop和Flume，用于数据导入导出的工具分布式存储和计算是大数据处理的核心技术分布式存储将数据分散存储在多个节点上，提高了容错性和可扩展性；分布式计算将计算任务分解为多个可并行执行的子任务，在多个节点上并行处理，大大提高了处理速度这些技术使得处理PB级别的数据成为可能，为大数据时代的数据分析和挖掘奠定了基础第十三章物联网和边缘计算物联网的定义物联网（IoT）是指通过互联网将各种物理设备、车辆、建筑物和其他嵌入电子设备、软件、传感器和网络连接的物体连接起来，实现数据采集、交换和智能控制的网络物联网将现实世界数字化，使物体能够感知环境、相互通信并做出智能决策，从而创造出更加智能和高效的世界物联网的应用已经渗透到工业、农业、医疗、交通、能源等多个领域，成为数字化转型的重要驱动力物联网的架构物联网的基本架构通常分为四层
①感知层，由各种传感器、RFID标签、摄像头等组成，负责采集物理世界的数据；
②网络层，通过各种通信技术（如WiFi、蓝牙、ZigBee、5G等）实现设备间和设备与云端的连接；
③平台层，包括数据存储、处理和分析等功能，为应用层提供支持；
④应用层，基于采集和分析的数据提供各种具体的应用服务，如智能家居控制、健康监测、交通管理等边缘计算的概念和优势边缘计算是一种在靠近数据源的网络边缘进行计算的模型，而不是将所有数据传送到远程的云数据中心边缘计算的主要优势包括
①降低延迟，数据处理在本地或附近完成，响应更快；
②减少带宽使用，只有必要的数据才传输到云端；
③提高可靠性，即使网络连接中断，本地功能仍能运行；
④增强隐私保护，敏感数据可以在本地处理而不必上传到云端；
⑤降低成本，减少了数据传输和云存储的费用物联网应用智能家居工业物联网智慧城市智能家居是物联网最常见的应用之一，通过各种智工业物联网（IIoT）是物联网在工业领域的应用，智慧城市是将物联网技术应用于城市管理和服务的能设备和传感器，实现家居环境的自动化控制和远通过传感器、控制系统和网络技术，实现工业设备综合解决方案，旨在提高城市运行效率、改善公共程管理智能家居系统通常包括智能照明、温度控和流程的监控、优化和自动化工业物联网的核心服务质量和提升居民生活品质智慧城市的应用场制、安防监控、家电控制、语音助手等组件，这些应用包括
①设备健康监测和预测性维护，减少景包括
①智能交通，通过交通信号控制、车流设备通过家庭网络互联，并可通过智能手机应用程设备故障和停机时间；
②生产流程优化，提高生监测和智能停车系统优化交通流；
②环境监测，序或语音指令控制智能家居的优势在于提高生活产效率和质量；
③能源管理，降低能源消耗；
④实时监测空气质量、噪音和水质等环境参数；
③便利性、节约能源、增强安全性和改善居住体验供应链管理，实现端到端的可视化和协同工业物公共安全，通过视频监控和应急响应系统提高安全联网是实现工业
4.0和智能制造的关键技术水平；
④智能电网，优化能源分配和使用；
⑤智慧政务，提供更便捷的政府服务课程总结知识回顾1巩固计算机基础理论和发展方向技能提升2培养全面的计算机系统分析能力未来展望3把握计算机科学发展趋势本课程系统地介绍了计算机系统的基本原理和架构，从硬件组成到软件系统，从基本计算模型到先进的计算范式我们学习了计算机的基本组成、数据表示、指令系统、CPU设计、存储体系、总线结构和输入输出系统等核心概念，掌握了操作系统、计算机网络、并行计算、人工智能、云计算和物联网等重要技术领域的基础知识计算机科学正朝着多元化方向快速发展人工智能、大数据、量子计算、类脑计算等前沿技术不断突破，为计算机科学注入新的活力计算能力的提升和新型计算架构的出现，正在改变传统的计算模式和应用场景同时，计算机技术与其他学科的交叉融合愈发紧密，在生物医学、材料科学、社会科学等领域催生出新的研究方向和应用领域对于计算机科学的学习，建议采取理论与实践相结合的方法，既要打牢基础理论，又要通过实际项目锻炼实践能力保持开放的学习态度，关注新技术动态，参与开源社区或学术交流选择一个专业方向深入研究，同时保持跨领域的视野在数字化时代，终身学习的能力将是每一位计算机专业人士必备的素质。
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