數字電子技術與計算機組成原理本課程深入探討數字電子技術和計算機組成原理，涵蓋從基礎數字邏輯到高級計算機架構的廣泛主題。我們將學習數字系統的核心概念、計算機硬件組成以及現代計算機技術。緒論數字電子技術概述介紹數字電子技術的基本概念和應用領域。計算機組成原理簡介概述計算機系統的基本架構和工作原理。課程目標和學習路徑明確本課程的學習目標和主要內容。數制與編碼二進制系統探討二進制數系統的基本原理和運算。其他進制介紹八進制、十六進制等其他數制及其轉換方法。編碼系統講解BCD碼、ASCII碼等常見編碼系統。布爾代數與邏輯門與門介紹與門的符號、真值表和應用。或門講解或門的特性和邏輯功能。非門說明非門的反相作用和使用場景。組合邏輯電路1基本組合邏輯電路2復雜組合邏輯電路3應用實例組合邏輯電路是數字系統的基礎，通過邏輯門的組合實現特定功能。我們將學習從簡單到復雜的組合邏輯電路設計和分析方法。組合邏輯電路分析1電路圖識別學習如何讀懂組合邏輯電路圖。2真值表構建根據電路圖構建真值表。3布爾表達式推導從真值表推導布爾表達式。4功能驗證驗證電路功能是否符合設計要求。組合邏輯電路設計需求分析明確電路的功能要求。真值表設計根據需求設計真值表。邏輯表達式推導從真值表推導邏輯表達式。電路實現根據邏輯表達式繪制電路圖。時序邏輯電路觸發器介紹RS觸發器、D觸發器等基本存儲單元。時鐘信號解釋時鐘信號在時序電路中的作用。狀態轉換講解時序電路的狀態轉換原理。應用實例展示時序邏輯電路在實際中的應用。寄存器與計數器寄存器并行寄存器串行寄存器應用場景計數器同步計數器異步計數器可編程計數器移位寄存器右移寄存器數據向右移動的寄存器類型。左移寄存器數據向左移動的寄存器類型。循環移位寄存器數據循環移動的特殊寄存器。數字系統中的存儲器1隨機存取存儲器(RAM)2只讀存儲器(ROM)3閃存4高速緩存存儲器是計算機系統的關鍵組成部分，用于存儲程序和數據。不同類型的存儲器有各自的特點和應用場景。半導體存儲器1靜態RAM(SRAM)高速、低功耗，但成本高。2動態RAM(DRAM)容量大、成本低，需要刷新。3EEPROM可電擦除的只讀存儲器。4NAND閃存大容量、低成本的非易失性存儲器。存儲器系統存儲器層次結構介紹從寄存器到輔助存儲的多級存儲體系。緩存技術解釋緩存的工作原理和性能提升機制。虛擬內存講解虛擬內存的概念和實現方法。RAID技術介紹磁盤陣列技術及其在數據存儲中的應用。中央處理器CPU基本結構介紹CPU的核心組件，包括控制單元、運算單元和寄存器組。指令執行過程解析CPU執行指令的基本步驟，包括取指、譯碼、執行和寫回。性能指標討論衡量CPU性能的關鍵指標，如時鐘頻率、IPC和MIPS。CPU的結構和功能算術邏輯單元(ALU)執行算術和邏輯運算。控制單元協調各部件工作。寄存器組存儲臨時數據和狀態。指令系統1指令格式解析指令的基本組成部分。2尋址方式介紹常見的操作數尋址方式。3指令類型分類討論不同類型的指令及其功能。4RISCvsCISC比較精簡指令集和復雜指令集架構。指令執行過程取指令從內存中讀取指令。指令譯碼解析指令的操作碼和操作數。執行指令執行指令指定的操作。寫回結果將結果存回寄存器或內存。中斷機制中斷類型介紹硬件中斷和軟件中斷的區別。中斷處理流程解釋中斷發生時CPU的響應過程。中斷優先級討論多個中斷同時發生時的處理策略。中斷向量表說明中斷向量表在中斷處理中的作用。流水線技術1基本概念介紹指令流水線的基本原理。2流水線階段分析典型的五階段RISC流水線。3性能提升討論流水線對CPU性能的影響。4流水線冒險解釋數據冒險、結構冒險和控制冒險。計算機總線系統總線類型數據總線地址總線控制總線總線特性帶寬時序仲裁機制I/O接口串行接口如USB、SATA等。并行接口如PCI、AGP等。無線接口如Wi-Fi、藍牙等。I/O通信協議1異步通信介紹異步通信的基本原理。2同步通信解釋同步通信的工作機制。3DMA傳輸討論直接內存訪問的優勢。4中斷驅動I/O說明中斷在I/O操作中的應用。存儲器層次結構1寄存器2高速緩存3主存4固態硬盤5機械硬盤存儲器層次結構反映了速度、容量和成本的權衡。從頂層到底層，速度遞減，容量增加，每比特成本降低。高速緩存技術緩存映射介紹直接映射、全相聯和組相聯映射。替換算法討論LRU、FIFO等緩存替換策略。寫策略解釋寫直達和寫回策略的區別。多級緩存分析L1、L2、L3緩存的作用。多處理器系統對稱多處理器(SMP)多個處理器共享內存和I/O資源。非一致內存訪問(NUMA)處理器可以訪問非本地內存，但訪問時間不同。集群系統多臺計算機通過網絡連接形成一個系統。并行處理技術SIMD單指令流多數據流。MIMD多指令流多數據流。GPU并行圖形處理器的并行計算。虛擬內存技術1頁表管理解釋虛擬地址到物理地址的映射。2頁面置換算法介紹LRU、FIFO等頁面置換策略。3段頁式管理討論結合段式和頁式的內存管理方法。4TLB說明轉換后備緩沖器的作用。輔助存儲器系統磁盤存儲介紹硬盤的工作原理和性能特征。固態存儲討論SSD的優勢和應用場景。光盤存儲解釋CD、DVD和藍光光盤的存儲原理。磁帶存儲說明磁帶在大容量備份中的應用。操作系統概述進程管理調度和控制進程的執行。內存管理分配和回收內存資源。文件系統組織和管理文件。設備管理控制和協調I/O設備。總線系統設計實例需求分析確定系統性能要求。總線架構選擇選擇適合的