《计算机原理教学课件》

计算机原理教学课件欢迎学习计算机原理课程本课程由王教授（计算机科学博士）主讲，将系统介绍计算机系统的基本原理、架构设计及前沿发展课程安排为每周三次课，总计周的学习时间16通过本课程，您将深入理解计算机硬件与软件的关系、数字系统基础、CPU架构、存储技术、操作系统原理等核心知识我们还将探讨云计算、人工智能、量子计算等前沿技术的基本原理与发展趋势计算机发展历史第一阶段电子计算机诞生第二阶段个人计算机革命第三阶段移动与云计算时代世纪年代，（电子数值积分世纪年代，微处理器的发明推动了2040ENIAC2070计算机）作为第一台真正意义上的电子计个人计算机革命、等公司推Apple IBM算机诞生这台计算机重达吨，包含出的个人计算机使计算能力从大型机构走30个真空管，每秒能执行约入普通家庭，彻底改变了人们的工作和生17,4685,000次加法运算，标志着计算机时代的开始活方式计算机系统概述软件系统系统层次结构包括操作系统、应用程序和各种工具从底层硬件到高层应用程序，计算机软件，为硬件提供功能指令和使用接系统由多个抽象层次组成，每一层都口建立在下一层的基础上硬件系统冯诺依曼架构·包括物理组件如、内存、存储设CPU备和输入输出设备，这些部件共同构/成计算机的物理基础计算机系统是硬件与软件的有机结合，通过分层设计实现复杂功能冯诺依曼架构奠定了现代计算机的基础，虽然现代计算机在架构上有了显著创新，但核心原则仍·被保留并不断发展数字系统基础二进制系统数制转换数值表示计算机内部使用二进制（和）表示所十进制（基数）、八进制（基数）计算机使用补码表示有符号整数，01108IEEE有信息二进制是计算机的母语，因为和十六进制（基数）之间的转换是计标准定义了浮点数表示方法位167548电子电路最容易实现两种状态开（）算机科学的基础技能补码可表示至范围的整数1-128+127和关（）0•十进制二进制13=1101二进制的基数为，每个位置表示的22•十进制八进制13=15幂...2^3,2^2,2^1,2^0•十进制十六进制13=D布尔代数与逻辑门门门门门AND ORNOT XOR只有当所有输入都为只要有一个或多个输入为输入信号的反转，输入为当输入中有奇数个时输11时，输出才为，否则输，输出就为表示逻则输出为，输入为则出为，有偶数个时输11101111出为表示逻辑与操辑或操作输出为表示逻辑非出为表示异或操000作操作作布尔代数是数字电路设计的数学基础，由乔治布尔创立它使用逻辑变量（取值为或）和逻辑运算符构建逻辑表达式布尔代数遵循多种定·01律，如交换律、结合律、分配律等，这些定律可用于化简逻辑表达式数字电路设计基础时钟信号与同步设计协调电路各部分工作的时间基准触发器与锁存器存储状态的基本单元时序逻辑电路输出依赖于当前输入和历史状态组合逻辑电路输出仅依赖于当前输入数字电路设计是计算机硬件实现的基础组合逻辑电路的输出仅取决于当前输入状态，常见的组合逻辑电路包括多路复用器、解码器和加法器等而时序逻辑电路的输出不仅依赖于当前输入，还依赖于电路的历史状态计算机硬件组成中央处理器CPU计算机的大脑，负责执行指令和数据处理现代通常包含多个核心，主频可达数CPU，集成了数十亿晶体管它通过高速缓存与主存储器交互，减少访问延迟GHz存储系统包括主存储器和辅助存储设备提供临时数据存储，速度快但断电后数据丢RAM RAM失；辅助存储设备如硬盘和提供永久存储，容量更大但速度较慢SSD输入输出设备/连接计算机与外部世界的接口输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等；输出设备包括显示器、打印机等每种设备都有专门的控制器管理数据传输总线系统的组成与功能CPU控制单元（）CU控制单元负责从内存中获取指令，解码并生成控制信号，协调内各功能部件和外部设备CPU的工作它是的指挥官，确保指令按正确顺序执行现代控制单元通常实现为微程序CPU控制或硬连线控制算术逻辑单元（）ALU是的计算核心，执行所有的算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算（与、或、ALU CPU非）它接收来自寄存器的操作数，根据控制单元的指令执行相应运算，并将结果存回寄存器寄存器组寄存器是内部的高速临时存储单元，用于存储指令、数据和地址常见的寄存器包括累CPU加器、指令寄存器、程序计数器等寄存器的访问速度远快于内存，是性能的关键因素CPU时钟与高速缓存指令系统架构指令执行周期取指令译码执行回写，构成基本处理流程→→→指令格式与寻址操作码与操作数构成指令，通过多种寻址模式访问内存架构ARM精简指令集，高效能耗比，广泛应用于移动设备架构x86复杂指令集，向后兼容性强，主导桌面与服务器市场指令系统架构是执行指令的基础框架（复杂指令集计算机）和（精简指令集计算机）是两种主要的指令集架构设计理念追求强大的单指令功CPU CISCRISC CISC能，支持复杂多样的寻址方式；而注重简化指令设计，减少指令种类，固定指令长度，优化流水线执行效率RISC是典型的架构，指令长度可变（字节），指令集庞大但向后兼容性极佳；是经典架构，固定指令长度（通常位），指令简单统一，寄x86CISC1-15ARM RISC32存器数量多，能耗效率高指令执行周期是处理指令的基本流程，包括取指、译码、执行和回写四个基本阶段CPU寄存器与内存层次寄存器级访问速度最快（纳秒），数量有限，包括通用寄存器和特殊寄存器如程序计数器

0.5-1和指令寄存器PC IR高速缓存缓存，访问延迟依次增加纳秒；纳秒；纳秒，L1/L2/L3L1:1-3L2:3-10L3:10-20容量也依次增大主存储器实现，容量大（数至），访问延迟较高（纳秒）DRAM GBTB50-100辅助存储永久存储，容量最大，速度最慢（微秒；毫秒）SSD:100HDD:10内存层次结构是计算机系统中解决存储速度、容量和成本之间矛盾的关键设计计算机通过将不同特性的存储设备组织成层次结构，充分利用数据访问的局部性原理，平衡性能与成本寄存器是内部的临时存储单元，分为通用寄存器和特殊寄存器程序计数器（）保存下一条指令CPU PC的地址，指令寄存器（）保存当前正在执行的指令虚拟内存技术通过将物理内存和磁盘存储结合，创IR建更大的地址空间，使程序能够使用超过物理内存大小的地址空间，极大地提高了内存利用效率存储器技术易失性存储器非易失性存储器（静态随机存取存储器）使用触发器存储每一位数据，速度极快但成本高、密闪存（）和是常见的非易失性存储器，断电后数据不丢失SRAM FlashMemory EEPROM度低，主要用于缓存闪存基于浮栅晶体管技术，广泛应用于盘、存储卡和固态硬盘中CPU USSD（动态随机存取存储器）使用电容存储数据，需要定期刷新，密度高成本低，磁盘存储技术利用磁性材料记录数据，通过旋转磁盘和磁头读写数据新型存储DRAM HDD主要用于主内存二者都是易失性存储器，断电后数据丢失技术如相变存储器和磁阻正在发展中，有望带来更高性能PCM RAMMRAM存储器层次与性能数据请求缓存查找发出内存地址请求，首先检查缓存是否命根据映射方式（直接、全相联或组相联）确定数CPU中据在缓存中的位置数据更新缓存命中缺失/使用替换算法（随机）决定替换哪命中则直接返回数据；缺失则从下一级存储读取LRU/FIFO/个缓存块，写策略决定更新方式数据高速缓存是解决处理器和主存速度差距的关键技术缓存利用程序的时间局部性（最近使用的数据很可能再次使用）和空间局部性（访问某地址附近数据的可能性较高）原理，预先将可能使用的数据从主存加载到缓存中缓存映射技术决定了主存块如何映射到缓存直接映射简单但冲突多；全相联映射冲突少但硬件复杂；组相联映射在两者间取得平衡替换算法决定缓存满时替换哪个块，最近最少使用性能最好但实现复杂写策略包括写回（只更新缓存，延迟写入主存）和直写（同时更新缓存和主存），前者性能更高但一LRU致性维护更复杂总线系统架构总线类型与功能总线标准与协议总线仲裁与同步数据总线负责在系统组件间传输数据，总（）是现代高速串行总总线仲裁机制解决多设备争用总线的问PCIe PCIExpress线宽度（如位）决定了传输容量地址线，采用点对点连接，每个通道提供数题，常见方式包括链式查询、计数器定时64总线用于指定数据传输的源或目的地址，带宽（通用串行总线）广泛用轮询和独立请求同步总线使用时钟信号GB/s USB宽度决定了可寻址范围控制总线传输控于外设连接，最新可提供协调数据传输；异步总线使用握手信号确USB440Gbps制信号，协调系统各部分工作三种总线带宽（串行）主要连接存储认传输完成，适用于不同速度设备间通SATA ATA共同构成完整的总线系统设备，提供带宽这些信各种仲裁策略平衡了性能、公平性和SATA

3.06Gbps标准定义了硬件接口和通信协议实现复杂度输入输出系统设备分类I/O按传输速率（低速、中速、高速）、功能（存储、通信、人机交互）和数据传输方式（字符、块）分类接口技术I/O连接设备和系统总线，包含数据寄存器、控制寄存器和状态寄存器I/O中断与DMA中断允许设备请求服务；绕过直接访问内存，提高效率CPU DMACPU性能优化I/O并行、缓冲技术、通道技术和处理器可提高系统整体性能I/O I/O输入输出系统是计算机与外部世界交互的桥梁设备种类繁多，特性各异，需要专门的接口技术管I/O理接口充当和外设间的转换器，解决设备间的速度匹配、数据格式转换和控制时序问题I/O CPU中断机制允许响应设备请求，提高了系统响应性当设备完成操作或需要服务时，向发送中CPU I/O CPU断信号，暂停当前任务处理中断直接内存访问技术允许设备在少量干预下直接与内存CPU DMACPU交换数据，大幅提高传输效率，特别适合大批量数据传输性能优化策略如并行操作、多级缓冲和专I/O用处理器等，共同提升系统吞吐量中断系统25中断类型中断处理步骤硬件中断（外部设备触发）和软件中断（程序指令触发）中断发生、保存状态、识别中断源、执行中断服务程序、恢复现场256≤10μs中断向量表条目中断响应时间架构中典型的中断向量表大小，存储中断服务程序的入口地址实时系统中断处理的典型响应时间要求x86中断系统是现代计算机高效处理事件的核心机制硬件中断由外部设备如键盘、鼠标、网卡等触发；软件中断（陷阱）由程序指令如系统调用触发；异常由程序执行错误如除零、内存访问违规等引起I/O中断处理流程包括保存当前执行环境（程序计数器、状态寄存器等）、确定中断源、执行相应的中断服务程序，完成后恢复原执行环境中断向量表存储各类中断对应的服务程序地址，系统通过查ISR表快速定位处理程序中断优先级机制解决多中断并发问题，高优先级中断可嵌套打断低优先级中断处理实时系统对中断响应时间有严格要求，通常需在微秒级完成响应指令周期与时序CPU指令获取IF从指定的内存地址取指令，并将更新为下一条指令地址此阶段使用内存总线读取指令，并将指令放入指令寄存器PC PCIR指令译码ID解析指令寄存器中的内容，确定操作类型和操作数地址控制单元生成后续执行所需的控制信号，并准备操作数执行EX执行指令指定的操作，如算术运算、逻辑运算、数据传送或条件测试对于跳转指令，此阶段可能更新值ALU PC访存MEM若指令需要访问内存（如加载存储指令），在此阶段完成从内存读取数据或将数据写入内存/回写WB将操作结果写回寄存器文件完成指令执行，准备处理下一条指令流水线技术CPU超标量与乱序执行多发射架构乱序执行超标量处理器每个时钟周期可同时发射、执行和完成多条指令传统顺序执行处理器按程序顺序处理指令，当一条指令因数据依（通常条）为实现这一点，处理器包含多个功能单元赖或资源冲突而阻塞时，后续所有指令也必须等待乱序执行允2-8（如多个、浮点单元和加载存储单元）指令需要动态调许处理器在保证结果正确的前提下，打乱指令执行顺序，尽可能ALU/度到合适的执行单元，最大化硬件利用率充分利用处理器资源多发射架构依赖于指令级并行，即程序中可同时执行的指这需要复杂的硬件支持，包括指令窗口、保留站和重排序缓冲ILP令量现代编译器负责挖掘和优化代码中的并行性，重排指令顺区寄存器重命名技术消除了假数据依赖，进一步提高并行度序提高分支预测技术预测条件分支走向，准确率可达以上，显著ILP95%减少控制相关性造成的流水线停顿多核与并行处理单核到多核的演变由于功耗墙、内存墙和指令级并行性的限制，单核处理器性能提升遇到瓶颈处理器设ILP计从单核高频转向多核架构，通过增加核心数量而非频率来提升性能现代桌面处理器通常有核，服务器处理器可达核或更多4-1664共享内存与分布式内存共享内存系统中，所有处理器访问同一物理内存空间，通信开销低但扩展性有限；分布式内存系统中，每个处理器有私有内存，通过消息传递通信，扩展性好但编程难度更高混合架构结合两者优点，在集群内部采用共享内存，集群间采用分布式内存并行编程模型提供基于编译器指令的共享内存并行编程框架，适合多核系统；消息传递接口OpenMP MPI支持分布式内存系统的并行编程，通过显式消息传递实现进程通信；和则针CUDA OpenCL对并行计算优化选择适当的并行模型对性能至关重要GPU加速比与效率加速比是衡量并行系统性能的关键指标，定义为串行执行时间与并行执行时间之比理想情况下，个处理器可获得倍加速，但实际受串行部分、通信开销和负载不均衡影响并行效N N率是实际加速比与处理器数量之比，反映硬件利用率向量处理与SIMD向量处理器架构指令集扩展计算模型SIMD GPU向量处理器专为处理数据向量现代通用处理器通过扩图形处理器是典型的SIMD GPU设计，通过单一指令对多个数展实现向量处理能力架构，包含数千个简单Intel SIMD据元素执行相同操作它包含的和指令集允许处核心，每个时钟周期可执行数SSE AVX专用向量寄存器（通常能存储理器同时处理个浮点或万线程现代通过2-16GPU个元素）和流水线整数值这些指令极大加速了、等框架支持128-512CUDA OpenCL向量运算单元，能高效处理规媒体处理、科学计算等数据密通用计算，在深度GPGPU则数据结构集型应用学习、科学模拟等领域表现优异并行数据处理应用图像和视频处理非常适合架构，如滤镜应用、矩SIMD阵变换和编解码都能高效并行化同样，机器学习中的神经网络计算、物理模拟中的粒子系统也能充分利用向量处理能力计算机系统的性能评估基准测试性能指标基准测试是评估和比较计算机系统性能的标准化工具（每周期指令数）是微架构效率的关键指标，现代高端SPEC IPCCPU（标准性能评估公司）开发的基准套件是业界标准，包括处理器可达（每秒百万指令数）和（每IPC2-4MIPS FLOPS、图形、功耗等多个测试集用于评估高性能计算秒浮点运算次数）则衡量整体计算能力，顶级超算已达百亿亿次CPU Linpack系统，是超级计算机排名的基础（百）TOP500FLOPS ExaFLOPS好的基准测试应代表真实工作负载，可重复执行，并提供清晰的阿姆达尔定律指出，系统加速比受串行部分限制如果程序有评分机制系统厂商经常针对特定基准优化设计，因此实际应用不可并行化，则无论使用多少处理器，最大加速比仅为10%10性能可能与基准结果有差异倍在多核时代，功耗与性能平衡日益重要，性能每瓦特成为关键设计指标performance/watt机器指令与汇编语言指令类型示例指令功能说明数据传送将寄存器的内容复制到MOV ax,bx bxax算术运算将立即数加到寄存器ADD eax,55eax逻辑运算与按位与，结果存回AND al,0Fh al0F al控制转移无条件跳转到标签位置JMP label子程序调用子程序，保存返回地址CALL func机器指令是处理器能直接识别和执行的二进制代码，每种处理器架构都有自己的指令集指令通常包含操作码（指定操作类型）和操作数（指定操作的数据或位置）不同架构的指令长度可能固定或可变，如架构通常使用固定长度（位）指令，而使用可变长度（字节）指令RISC32x861-15汇编语言是机器码的符号表示，使用助记符替代二进制编码，大大提高了可读性和编程效率汇编语言与特定处理器架构紧密绑定，如汇编、汇编等汇编器将汇编代码转换为机器码，执行x86ARM符号解析、地址计算和指令编码等工作现代系统很少直接使用汇编语言开发应用，但在系统底层、驱动程序和性能关键部分仍有重要应用汇编语言程序设计;简单的x86汇编程序示例section.datamsg dbHello,World!,0Ah;消息字符串，0Ah为换行符len equ$-msg;计算字符串长度section.textglobal_start;声明程序入口点_start:;系统调用:write1,msg,lenmov eax,4;系统调用号sys_writemov ebx,1;文件描述符stdoutmov ecx,msg;消息地址mov edx,len;消息长度int80h;调用内核;系统调用:exit0mov eax,1;系统调用号sys_exitxor ebx,ebx;退出码0int80h;调用内核汇编语言程序设计要求深入理解处理器架构和指令集子程序调用是汇编程序的重要机制，通过指令保存返回地址并跳转到子CALL程序，子程序执行完毕后通过指令返回堆栈在子程序调用、参数传递和局部变量存储中扮演核心角色，通过和指令RET PUSHPOP操作中断处理程序是响应硬件或软件中断的特殊子程序，需要保存和恢复处理器状态，处理特定事件后返回中断点继续执行汇编语言虽然效率高、控制精确，但开发成本高、可移植性差、难以维护现代开发中，汇编通常用于优化关键代码段、实现底层功能或与硬件直接交互的场景编译器工作原理词法分析将源代码文本分解为标记，如关键字、标识符、运算符tokens语法分析根据语言文法构建语法树，验证程序结构的正确性语义分析检查类型一致性，建立符号表，执行上下文相关验证中间代码生成与优化生成平台无关的中间表示，执行各种优化变换目标代码生成转换为特定处理器架构的机器代码，执行寄存器分配等优化操作系统基础内存管理进程管理分配和回收内存空间，实现虚拟内存，提供内存保护和共享机制创建、调度和终止进程，分配时间，协调CPU进程间通信和同步文件系统组织和管理存储设备上的文件，提供文件创建、访问和保护功能用户接口设备管理向用户提供命令行或图形界面，实现交互功能控制外部设备，提供设备驱动程序接口，优化操作性能I/O操作系统是计算机系统中最基本的系统软件，管理硬件资源并为应用程序提供共同的服务它位于硬件和应用程序之间，充当资源调度者和协调者的角色操作系统的核心部分称为内核，直接运行在硬件之上，享有最高执行权限现代操作系统的主要类型包括个人计算机操作系统、移动设备操作系统、服务器操作系统Windows,macOS,Linux Android,iOS WindowsServer,和嵌入式操作系统无论类型如何，所有操作系统都提供抽象层，隐藏硬件细节，简化应用程序开发，并确保系统安全、稳定和高效运行Linux RTOS进程与线程进程控制线程与通信进程是程序的执行实例，包含代码、数据段和执行状态每个进线程是进程内的执行流，共享进程的地址空间和资源，但拥有独程拥有独立的地址空间，通过进程控制块管理储存立的执行栈和寄存器状态多线程模型减少了上下文切换开销，PCB PCB进程标识符、状态信息、寄存器值、内存管理信息等关键数据提高资源利用率，但引入了同步与互斥问题进程间通信机制包括管道、消息队列、共享内存、信号IPC进程可处于运行、就绪、阻塞等状态，状态转换由操作系统控量和套接字等共享内存最快但需要显式同步；消息传递更安全制上下文切换是保存当前进程状态并恢复另一进程状态的过但效率较低；管道提供单向数据流；信号量用于同步访问共享资程，每次切换需要微秒，是系统开销的重要来源源选择合适的通信机制对系统性能至关重要1-10内存管理技术虚拟内存提供逻辑地址空间与物理内存分离的抽象机制分页技术将内存分割为固定大小的页面，灵活分配物理内存分段技术根据程序的逻辑结构划分内存段，支持共享和保护分区分配将物理内存划分为变长分区，按需分配给进程内存管理是操作系统的核心功能之一，负责高效分配和回收内存资源分区分配算法包括首次适应、最佳适应和最差适应，各有优缺点首次适应查找速度快但易造成空间碎片；最佳适应减少碎片但查找开销大；最差适应利用大空闲区但可能导致大量小碎片虚拟内存是现代操作系统的关键技术，允许程序使用超过物理内存大小的地址空间它通过按需分页技术，仅将活跃使用的内存页加载到物理内存中当程序访问未在物理内存的页面时触发缺页中断，系统将所需页面从磁盘加载到内存页表存储虚拟页与物理页的映射关系，而转换后备缓冲区缓存常用映射以加速地址转换页面置换TLB算法如最近最少使用、先进先出和算法决定当内存满时替换哪个页面LRUFIFOClock文件系统原理应用程序接口文件操作打开、读写、关闭API文件组织文件结构、属性和访问方法目录管理目录结构和文件元数据管理存储管理物理存储空间分配和回收设备驱动物理设备交互和控制I/O文件系统是操作系统管理持久化数据的核心组件文件组织方式决定了数据在物理介质上的存储结构，主要包括顺序文件（适合批量访问）、索引文件（支持快速随机访问）和哈希文件（适合精确匹配查询）文件系统通过目录结构组织文件，形式可以是单级、两级或分层树状结构文件分配策略包括连续分配（性能高但碎片多）、链接分配（无外部碎片但随机访问慢）和索引分配（灵活高效但有额外开销）常见文件系统如（简单但缺乏安全特性）、（支持高FAT NTFS级安全和大容量）和（标准文件系统，高性能高可靠）各有特点文件系统性能优化技术包括缓存和预读、日志技术、延迟写入和碎片整理等，平衡了访问速度、可靠性和空间利用ext4Linux率计算机网络基础应用层1提供应用程序的网络服务，如网页、邮件、文件传输和HTTPSMTPFTP域名解析DNS传输层提供端到端连接和可靠性，主要协议有面向连接和无连接TCPUDP网络层负责数据包路由和转发，协议是互联网的核心IP数据链路层负责相邻节点间的数据传输，处理帧封装和错误检测物理层定义电信号、光信号或电磁波传输的物理特性计算机网络是连接计算机系统的通信基础设施七层参考模型是网络通信的概念框架，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层而实际互联网主要基OSI于四层模型实现，简化了模型，将会话层、表示层和应用层合并为应用层TCP/IP OSI网络拓扑描述了节点连接方式，常见类型包括总线型、星型、环型和网状拓扑互联网核心协议包括网络层，负责寻址和路由、传输层，提供可靠连接、传输层，提供无IPTCPUDP连接服务、应用层，网页访问和应用层，域名解析等这些协议相互配合，实现了全球计算机系统的互联互通HTTPDNS数据通信原理数据传输编码数据在传输前需要转换为适合传输媒介的信号形式常见编码方式包括非归零编码、曼彻斯特编码NRZ和差分曼彻斯特编码简单但时钟恢复困难；曼彻斯特编码在每个比特周期中间有一次电平跳变，NRZ便于时钟恢复但带宽需求高；差分曼彻斯特编码通过电平变化表示和，抗干扰能力强01信道容量与香农定理香农定理定义了噪声信道的理论最大传输速率₂，其中是信道容量比特C=B*log1+S/N C/秒，是带宽，是信噪比这个定理揭示了带宽、信噪比和传输速率的根本关系，指导了现代通B HzS/N信系统设计例如，带宽为且信噪比为的信道，理论最大传输速率约为4kHz30dB40kbps调制与解调技术调制是将数字信号转换为适合传输的模拟信号基本调制技术包括振幅调制、频率调制和相位AM FM调制现代数字通信系统常用的复合调制技术如正交幅度调制结合了振幅和相位调制，大幅PM QAM提高频谱效率解调是调制的逆过程，从接收到的模拟信号中恢复原始数字信息纠错与检错编码通信中不可避免存在错误，检错编码如奇偶校验、循环冗余校验可以检测错误；纠错编码如CRC码、卷积码和码不仅能检测还能自动纠正一定数量的错误这些技术对确保Hamming Reed-Solomon数据传输的可靠性至关重要，特别是在无线通信等易受干扰的环境中计算机安全基础安全威胁类型加密与解密安全防护方法计算机系统面临多种安全威胁恶意软件包括加密技术将可读信息转换为看似随机的密文，网络安全防护采用纵深防御策略防火墙监控病毒（附加到其他程序）、蠕虫（自我复只有拥有正确密钥的接收者才能解密现代密并过滤网络流量；入侵检测系统识别可IDS制）、特洛伊木马（伪装成有用程序）和勒索码学分为对称加密（使用相同密钥加解密）和疑活动；加密确保安全远程访问；访问VPN软件（加密数据并要求赎金）常见攻击方式非对称加密（使用公钥私钥对）哈希函数控制限制资源使用；安全审计跟踪系统活动-还有拒绝服务攻击（，使服务不可用）、生成数据的固定长度指纹，用于完整性验最佳实践还包括定期安全更新、用户安全意识DoS中间人攻击（截取通信）和社会工程学攻击证这些技术共同构成了信息安全的基础，保培训、多因素认证和最小权限原则这些措施（利用人为弱点）内部威胁和数据泄露也是护数据的机密性、完整性和可用性（三要结合形成全面的安全架构，防范各种威胁CIA重要安全问题素）密码学基础加密技术安全应用对称加密算法如（数据加密标准）和（高级加密标准）使用相同密钥加解散列函数（如、）生成消息的固定长度摘要，任何变化都会导DES AESSHA-256SHA-3密，速度快但密钥分发困难支持位密钥，是当前最广泛使致完全不同的散列值，用于完整性验证和密码存储虽然速度快但已不安全，AES128/192/256MD5用的对称加密标准不应在安全场景使用非对称加密算法如和椭圆曲线密码使用公钥私钥对，解决了密钥分发数字签名结合散列和非对称加密，提供认证、完整性和不可否认性密钥管理涉及RSA ECC-问题基于大整数因数分解难题，则基于椭圆曲线离散对数问题，提供相密钥生成、分发、存储、更新和撤销的完整生命周期，是密码系统安全的关键环节RSA ECC当安全性但更高效率现代（公钥基础设施）通过数字证书和证书颁发机构管理公钥，支撑网络安全PKI应用数据结构在计算机系统中的应用数组与链表数组在内存中连续存储，支持随机访问（时间复杂度），广泛用于操作系统的进程表、文件描述O1符表和内存分配表链表通过指针连接非连续内存块，插入删除高效，常用于操作系统的空闲内存块链表、文件系统的目录实现和进程调度队列选择合适的基础数据结构对系统性能有显著影响栈与队列栈的后进先出特性使其成为函数调用、中断处理和表达式求值的理想结构执行时维护调LIFO CPU用栈，保存返回地址和局部变量；编译器使用栈进行语法分析；浏览器的历史记录也通常基于栈实现队列的先进先出特性适用于任务调度、消息缓冲和输入输出请求管理，是操作系统中不可或缺FIFO/的组件树与图结构树结构广泛应用于文件系统目录（层次化组织）、数据库索引（加速查询）和编译器的语法分析（抽象语法树）特别是树和树在磁盘数据结构中非常重要，减少操作次数图结构则用于网络路由B B+I/O算法、依赖管理（如包管理器）和社交网络分析，其复杂性使得高效图算法实现成为研究热点哈希表与缓存哈希表提供接近的查找、插入和删除性能，在符号表、缓存实现和数据库索引中广泛使用操作O1系统的页表、虚拟内存管理、文件系统的索引节点查找都依赖哈希技术缓存是提升系统性能的关键机制，采用、等替换算法，应用于缓存、磁盘缓存、缓存和数据库缓存，大幅减少访LRU LFUCPU Web问延迟算法设计与分析复杂度名称实例算法处理规模n=10⁶常数时间哈希表查找操作O11对数时间二分查找约操作Olog n20On线性时间顺序查找10⁶操作线性对数快速排序约×操作On logn210⁷平方时间冒泡排序操作On²10¹²指数时间旅行商问题无法计算O2ⁿ算法设计是解决计算问题的核心，良好的算法能显著提升系统性能算法复杂度分析使用大表示法描述O算法运行时间或空间需求与输入规模的关系表示常数时间；表示对数时间，每次操作将O1Olog n问题规模减半；表示线性时间，时间与输入成正比；等更高阶复杂度在大规模输入时表现较On On²差常见的算法设计策略包括分治法（将问题分解为子问题，如归并排序和快速排序）；动态规划（通过子问题重叠性质优化递归，如最短路径和背包问题）；贪心算法（每步选择当前最优解，如算Dijkstra法）排序算法（如快速排序、归并排序、堆排序）和搜索算法（如二分查找、深度优先搜索、广度优先搜索）是基础算法中最常用的类型算法优化技术包括缓存敏感设计、并行化和启发式方法等数据库系统原理应用程序使用数据库的客户端应用1查询处理解析、优化和执行计划SQL事务管理属性保证和并发控制ACID存储引擎数据文件组织和访问方法物理存储磁盘空间管理和优化I/O数据库系统是管理结构化数据的专用软件关系数据库基于关系模型，将数据组织为表、行和列，使用结构化查询语言进行操作包含数据定义语言用于创建和修改结构，数据SQLSQL DDL操作语言用于查询和更新数据，以及数据控制语言管理权限DML DCL事务是不可分割的工作单元，具有属性原子性，全部完成或全部取消、一致性，保持数据完整性、隔离性，事务间互不干扰和持久性ACID AtomicityConsistencyIsolation，提交后永久保存数据库索引类似书的目录，加速查询但增加写入开销常见索引结构包括树适合范围查询和哈希索引适合等值查询查询优化器分析语句，选择最高DurabilityB+SQL效的执行计划，是数据库性能的关键组件人工智能与机器学习基础1早期发展1950s-1980s人工智能概念提出，专家系统和符号推理为主要方法2机器学习崛起1990s-2000s统计学习方法发展，支持向量机和决策树取得成功3深度学习突破2010s神经网络复兴，卷积网络和循环网络在视觉和语言任务中表现卓越4大模型时代2020s-架构主导，预训练大模型展现强大通用能力Transformer人工智能是让机器模拟人类智能行为的科学机器学习是的核心技术，使计算机能从数据中学AI AI习而无需显式编程根据学习方式，机器学习模型分为监督学习（使用标记数据训练）、无监督学习（发现数据中的隐藏模式）和强化学习（通过奖惩机制学习行为策略）深度学习是基于多层神经网络的机器学习分支，能自动提取特征并处理复杂问题典型神经网络架构包括前馈网络（基础结构）、卷积神经网络（，擅长图像处理）、循环神经网络（，适合CNN RNN序列数据）和（现代自然语言处理基础）芯片如、和神经网络处理器通Transformer AIGPU TPU过并行计算加速深度学习，推动了从云到边缘的应用部署AI计算机图形学基础建模3D创建物体的数学表示几何（顶点、边、面）和材质属性变换旋转、平移和缩放物体，应用视角变换渲染生成图像，应用光照、材质和纹理2D显示将渲染图像输出到显示设备计算机图形学是创建、处理和显示视觉内容的科学图形渲染管线是生成图像的标准流程，包括顶点处理、光栅化和像素处理阶段现代图形处理单元通过大规模并行架构加速这一过程，使复杂场GPU3D景的实时渲染成为可能建模技术包括多边形建模（使用三角形和四边形网格）、（非均匀有理样条）和细分曲面，3D NURBSB不同技术适合不同应用场景光线追踪是高质量渲染技术，模拟光在场景中的物理传播，可生成逼真的反射、折射和阴影效果，但计算成本高图形如、和提供硬件抽象层，简化图API OpenGLDirectX Vulkan形程序开发，支持跨平台和跨设备图形应用嵌入式系统嵌入式处理器开发与应用嵌入式系统使用专用处理器，如系列这些处理实时操作系统是嵌入式系统的核心软件组件，提供确定ARM CortexRTOS器针对低功耗、实时响应和特定应用场景优化性任务调度、低延迟中断响应和精确定时控制常见包括ARM Cortex-RTOS系列适用于微控制器级应用，功耗低、成本低；系、和等嵌入式软件开发需要特M Cortex-A FreeRTOSVxWorks RTLinux列支持高性能应用；系列专为实时系统设计，具有确殊工具链，包括交叉编译器、仿真器和调试器Cortex-R JTAG定性响应时间嵌入式系统广泛应用于物联网领域，提供传感器数据采集、本地与通用处理器相比，嵌入式处理器通常集成更多外设接口和专用处理和网络连接功能低功耗设计至关重要，技术包括动态电压功能单元，如转换器、控制器、通信接口等，频率调整、睡眠模式管理和高效电源转换，延长电池寿命边缘ADC/DAC GPIO减少外部组件需求，降低系统复杂度计算是新兴趋势，在设备端处理数据，减少云传输延迟和带宽需求量子计算导论量子比特与叠加态量子门与电路量子算法量子比特是量子计算的量子门是量子操作的基本单元，算法能有效分解大整数，qubit Shor基本单位，与经典比特不同，如门创建叠加态，威胁当前公钥密码系统；Hadamard可以同时处于多个状态的叠加门实现条件操作，算法提供平方级加速搜CNOT Grover这种量子叠加使量子计算机能门执行单比特旋索；量子模拟算法可模拟量子Pauli-X/Y/Z在个量子比特上同时处理转量子电路通过组合这些基系统行为这些算法展示了量n2^n种状态，潜在计算能力呈指数本门实现复杂算法，量子态的子计算在特定问题上的显著优级增长演化由酉变换描述势量子计算机现状、和其他机构已建IBM Google立噪声中等规模量子处NISQ理器，量子比特数量从几十到几百不等在年Google2019宣称实现量子霸权，完成经典超级计算机难以处理的任务云计算与分布式系统云服务模型基础设施即服务提供虚拟化计算资源，用户管理操作系统和应用；平台即服务IaaSPaaS提供开发和部署环境，简化应用管理；软件即服务直接提供在线应用，用户无需关心SaaS底层基础设施各模型满足不同需求，从完全控制到最大便利性虚拟化技术虚拟化是云计算的核心技术，将物理资源抽象为虚拟资源硬件虚拟化使用虚拟机监视器如、创建多个虚拟机；容器虚拟化如共享操作系统内核，提供轻量级隔离；KVM XenDocker网络虚拟化和存储虚拟化使资源池化和动态分配成为可能SDN容器与微服务容器技术打包应用及其依赖，确保一致运行环境等容器编排平台管理容器生命Kubernetes周期、扩展和服务发现微服务架构将应用拆分为独立服务，各自开发和部署，提高灵活性和可扩展性，但增加了分布式系统复杂性云安全考虑云安全面临数据保护、身份管理、合规性等挑战多租户环境需要强隔离机制防止信息泄露；身份和访问管理控制资源访问权限；数据加密保护存储和传输数据；合规性框架如IAM、规定数据处理要求安全责任在云提供商和用户间共享GDPR HIPAA大数据处理技术数据存储数据采集使用分布式文件系统和数据库存储NoSQL从各种来源收集结构化和非结构化数据数据处理批处理和流处理框架分析数据5数据可视化直观呈现分析结果和发现数据分析4使用数据挖掘和机器学习提取见解大数据处理技术解决传统数据库无法有效处理的超大规模数据集大数据特征包括体量，数据规模庞大、速度，数据生成和处理迅速、多样性VolumeVelocity，数据类型多样，以及可变性、真实性和价值等这些特性要求专门的技术和架构Variety模型将处理分为映射和归约两个阶段，适合大规模并行处理实现了和分布式文件系统，是早期大数据平台的MapReduce MapReduce HadoopMapReduce HDFS核心通过内存计算提供更高性能，支持批处理、流处理和机器学习流处理架构如和处理实时数据流，提供低延迟分析大数据存储系统包Spark FlinkKafka Streams括分布式文件系统、列式数据库和数据库，优化不同访问模式数据分析平台集成这些技术，提供端到端解决方案NoSQL边缘计算与物联网边缘计算架构通信协议应用场景边缘计算将计算能力部署在数据源附近，减少物联网设备间通信协议多样化，适应不同需边缘计算与物联网结合创造广泛应用场景工云端传输延迟它采用分层架构设备层（传求短距离协议包括蓝牙低功耗、业物联网通过实时监控和预测性维护提BLE IIoT感器和执行器）收集数据并执行基本处理；边和，适合智能家居；中距离升生产效率；智慧城市使用传感器网络优化交Zigbee Z-Wave缘层（网关和边缘服务器）提供本地分析和决协议如提供高带宽连接；低功耗广域网通、能源和安全；智能家居集成各种家用设Wi-Fi策；云层提供全局分析和长期存储这种分布如和则支持大备，提供自动化和舒适体验；智慧农业利用传LPWAN LoRaWANNB-IoT式架构平衡了实时响应和全局优化需求范围、低功耗应用应用层协议如和感器和分析优化灌溉和作物管理；车联网则实MQTT针对资源受限设备优化，提供轻量级通现车辆间通信，提高道路安全和交通效率CoAP信机制绿色计算与能效

1.67平均值PUE全球数据中心平均电能使用效率50%能耗降低潜力通过优化可实现的数据中心能耗减少2%全球碳排放占比信息技术行业贡献的全球碳排放量10%年增长率数据中心能源需求年均增长绿色计算致力于减少计算系统的环境影响能耗评估指标中，电能使用效率是关键指标，定义为总设施能耗与设备能耗之比，理想值为；实际数PUEIT

1.0据中心通常在之间数据中心基础设施效率是的倒数，表示为百分比PUE

1.2-

2.0DCIEPUE动态功率管理技术包括动态电压频率调整、低功耗模式和智能休眠策略节能优化策略涵盖硬件层面（高效电源、液冷技术）、系统层面（虚拟化整DVFS合、工作负载平衡）和应用层面（能效编程、数据压缩）可持续计算中心设计整合可再生能源、自然冷却和模块化架构，典型案例如谷歌和的北Facebook欧数据中心碳足迹减少方法包括购买绿色能源、参与碳抵消项目和延长设备生命周期高性能计算（）HPC计算机系统故障与容错故障类型与分析计算机系统故障可分为硬件故障（组件物理损坏）、软件故障（程序错误和设计缺陷）和操作故障（人为错误和环境问题）按表现可分为永久性故障、间歇性故障和瞬态故障故障树分析和故障模式与FTA影响分析是系统性识别和评估故障风险的方法，帮助设计防护措施FMEA冗余设计技术冗余是容错系统的基础，包括硬件冗余（多份相同组件）、软件冗余（多版本编程）和信息冗余（错误检测码）模冗余系统使用奇数个相同模块和投票机制，如三模冗余广泛用于航空航天和N-NMR TMR核电系统冷备份和热备份策略平衡了可靠性和成本，热备份提供无缝切换但成本更高存储技术RAID冗余磁盘阵列通过多磁盘组合提高性能和可靠性（条带化）提高性能但不提供冗余；RAID RAID0（镜像）提供完全数据冗余；实现奇偶校验分布，平衡性能和冗余；增加双重RAID1RAID5RAID6校验，抵抗双盘故障企业通常结合使用多种级别，如（镜像条带）RAID RAID10+容错系统与灾难恢复容错系统架构如双机热备、集群和分布式系统提供不同级别的可用性关键特性包括故障检测、故障隔离和系统恢复灾难恢复策略定义（恢复时间目标）和（恢复点目标），实现方法包括备份、复RTO RPO制和异地容灾中心云计算使小型企业也能实施高可用性和灾难恢复方案软件工程与计算机系统需求分析与规范识别利益相关者需求，定义系统功能和非功能需求需求规格说明书记录详细要求，建立评估标准计算机系统开发需特别关注性能、安全性和可扩展性等非功能需求，确保满足硬件限制和系统约束系统设计与架构软件架构决定系统组件及其关系常见架构包括分层、微服务、事件驱动和领域驱动设计计算机系统设计需考虑硬件软件接口、通信协议和资源利用架构决策影响系统-性能、可维护性和扩展性，设计模式提供解决常见问题的方法实现与测试根据设计文档编写代码，遵循编码标准和最佳实践测试包括单元测试、集成测试、系统测试和验收测试计算机系统测试特别关注性能测试（负载、压力、耐久性）和安全测试（渗透测试、漏洞扫描）测试自动化提高效率和一致性持续集成与部署实践打破开发和运维之间的壁垒流水线自动化构建、测试和部DevOps CI/CD署过程，减少人为错误，加快交付速度容器技术和基础设施即代码确保环IaC境一致性监控和日志收集提供系统运行洞察，支持快速问题诊断和性能优化计算机伦理与社会责任数据隐私与安全人工智能与社会影响随着数据收集和分析能力的增长，个人隐私面临前所未有的挑战计算机专业人员技术快速发展引发伦理挑战，包括算法偏见、自动化对就业的影响及自主系统的AI必须了解并遵守、等隐私法规，采用隐私设计原则开发系统数据收责任问题伦理准则强调透明度、可解释性和公平性，、等公司制GDPR CCPAAI IBM Google集应限于必要信息，透明告知用户，并获得知情同意定了开发准则AI数据安全是保护隐私的基础，应采用加密、访问控制和安全开发实践数据伦理考数字鸿沟是信息时代的不平等现象，城乡、贫富、年龄间存在技术获取和使用能力虑数据使用的道德维度，防止歧视性算法和不当数据利用差距缩小数字鸿沟需要基础设施投资、教育计划和普惠性设计可持续技术发展关注环境影响，推动电子垃圾回收、能效提升和可再生能源使用，为子孙后代保护地球资源计算机原理实验教学硬件实验平台软件模拟工具实验项目与评分本课程使用多种硬件平台进行实验教学，包为补充硬件实验，课程采用多种软件模拟工实验项目分为基础实验和设计性实验两类括数字逻辑实验箱、开发板具用于数字电路仿真；和基础实验包括组合逻辑电路设计、时序电路FPGA XilinxLogisim MARS和微处理器实验系统支持汇编程序开发和调试；实现、简单设计等；设计性实验要求Artix-7ARM SPIMMIPS CPU这些平台允许学生从基础数和提供处理器性能模学生自主完成流水线实现、缓存模拟Cortex-M4GEM5SimpleScalar CPU字电路到复杂处理器进行全面实践，将理论拟；和用于设计和器开发等挑战性任务评分标准包括功能完Quartus VivadoFPGA知识转化为实际技能验证这些工具让学生能在不受硬件限制的成度、实验报告质量和创新性50%30%情况下探索更复杂的概念，鼓励学生深入思考而非简单操作20%实验教学是计算机原理课程的重要组成部分，通过亲身实践加深对抽象概念的理解学生将在实验中经历从电路设计到处理器实现的完整过程，建立从底层到高层的系统性认识前沿技术与未来发展类脑计算量子计算进展通信与新型计算6G类脑计算模拟人脑神经元和突触结构，开发全量子计算正从理论走向实用、通信技术研究已经启动，目标传输速率达IBMGoogle6G新计算架构神经形态芯片如的和中国科学院等机构已展示超过量子比到，延迟降至微秒级，并整合通信、IBM1001Tbps和英特尔的通过模拟神经元特的处理器，并在特定问题上实现量子优势计算和感知功能增强现实和虚拟现实TrueNorth LoihiAR网络实现高效并行处理，特别适合模式识别和量子纠错技术取得突破，为构建容错量子计算技术将实现更沉浸式体验，与脑机接口VR机器学习任务这种计算范式有望解决传统机铺平道路潜在应用包括密码学、材料科学结合创造新交互方式下一代计算架构探索非冯诺依曼架构面临的能效瓶颈，为人工智能和药物发现，有望解决经典计算机难以处理的冯诺依曼模型，包括数据流架构、光计算和··提供更自然的硬件支持复杂问题分子计算，寻求性能和能效的质变课程总结与展望基础知识掌握理解计算机系统的层次结构、数字系统、架构和存储原理CPU高级概念理解掌握流水线、缓存、并行计算和系统性能评估方法前沿技术认知了解人工智能、量子计算和新型计算架构的发展趋势职业发展规划将所学知识应用于软硬件开发、系统架构设计或研究创新通过本课程，我们系统学习了计算机系统从底层硬件到高层软件的完整知识体系核心知识点包括数字逻辑、处理器架构、存储体系、并行计算和系统评估等，这些是计算机科学的坚实基础持续学习对计算机专业人员至关重要，推荐资源包括《计算机体系结构量化研究方法》、《深入理解计算机系统》等经典教材，以及主要会议和期刊进阶学习路径可选择硬件方向（芯片设计、嵌入式系统）、ACM/IEEE系统方向（操作系统、分布式系统）或应用方向（人工智能、高性能计算）计算机原理的扎实掌握将为各种就业方向奠定基础，无论是大型科技公司、创业企业还是研究机构，都需要了解计算机底层工作原理的人才。