计算机组成原理

 第一章  计算机系统概论

第一节  计算机的分类

模拟计算机和电子计算机以及它们各自的特点。

第二节 计算机的发展简史

计算机的五代变化；半导体存储器的发展；微处理器的发展；计算机的性能指标。

 第三节  计算机的硬件

硬件组成要素：运算器、存储器、控制器、适配器与输入输出设备。

第四节 计算机的软件

软件的组成与分类；软件的发展演变；多级组成的计算机系统；软件与硬件的逻辑等价性。

考核要求：

了解计算机分类、软硬件的层次关系，掌握硬件的组成。

第二章  运算方法和运算器

第一节  数据与文字的表示方法

数据格式（定点数、浮点数）；数的机器码表示（原码、补码、反码、移码）；字符与字符串的表示方法、汉字的表示方法、校验码。

第二节 定点加法、减法运算

补码加法；补码减法；溢出概念与检测方法；基本的二进制加法减法器。

第三节 定点乘法运算

原码并行乘法；直接补码并行乘法。

第四节 定点除法运算

原码除法算法原理；并行除法器。

第五节 定点运算器的组成

逻辑运算、多功能算术逻辑运算单元（ALU）；内部总线；定点运算器的基本结构。

第六节 浮点运算方法和浮点运算器

浮点加法、减法运算；浮点乘法、除法运算；浮点运算流水线、浮点运算器实例。

考核要求：

了解浮点运算方法和浮点运算器、定点除法运算、运算器的组成，掌握硬件的组成数制及其转换，熟练掌握定点加减法运算方法、定点乘法运算。

第三章  存储器体系

第一节 存储器概述

    存储器的分类、存储器的分级、主存储器的技术指标。

第二节 SRAM存储器

基本的静态存储元阵列；基本的SRAM逻辑结构；读写周期波形图。

第三节  DRAM存储器

DRAM存储元的记忆原理；DRAM芯片的逻辑结构；读写周期、刷新周期；存储器容量的扩充； 高级的DRAM结构、DRAM读写的正确性校验。

第四节 只读存储器和闪速存储器

只读存储器ROM的原理和种类；FLASH存储器原理。

第五节 并行存储器

双端口存储器；多模块交叉存储器。

第六节 cache存储器

   cache基本原理；主存与cache的地址映射；替换策略、cache的写操作策略。

第七节 虚拟存储器及奔腾系列机的虚存组织

虚拟存储器的基本概念；页式虚拟存储器；段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器；虚存的替换算法。

考核要求：

了解存储器的分类、存储器的分级、主存储器的技术指标，各类存储器的基本原理，掌握虚拟存储器的基本概念；页式虚拟存储器；段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器；虚存的替换算法。熟练掌握译码电路、存储器的扩展，达到应用。

第四章  指令系统

第一节 指令系统的发展与性能要求

指令系统的发展；指令系统的性能要求；低级语言与硬件结构的关系。

第二节 指令格式

操作码；地址码；指令字长度；指令助记符；指令格式举例。

第三节 操作数类型

一般的数据类型；Pentium数据类型；PowerPC数据类型。

第四节 指令和数据的寻址方式（2学时）

指令的寻址方式；操作数基本寻址方式；寻址方式举例。

第五节 典型指令

指令的分类；基本指令系统的操作；精简指令系统。

第六节 ARM汇编语言

用实例简要介绍ARM汇编语言。

考核要求：

了解令系统的发展与性能要求，掌握指令格式及各部分的功能，数据类型，典型指令系统；熟练掌握指令的寻址方式。

第五章  中央处理器

第一节 CPU的功能和组成 

CPU的功能；CPU的基本组成；CPU中的主要寄存器；操作控制器与时序产生器。

第二节  指令周期

指令周期的基本概念；MOV指令的指令周期、LAD指令的指令周期、ADD指令的指令周期、STO指令的指令周期、JMP指令的指令周期等几个典型指令的周期；用方框图语言表示指令周期。

第三节  时序产生器和控制方式

时序信号的作用和体制；时序信号产生器；控制方式。

第四节 微程序控制器

微程序控制原理；微程序设计技术。

第五节 硬连线控制器

基本思想；指令执行流程；微操作控制信号的产生。

第六节 流水CPU 和RISC CPU

并行处理技术；流水CPU的结构、流水线中的主要问题。

考核要求：

了解流水CPU 和RISC CPU；掌握指令周期、时序产生器和控制方式，硬连线控制器；熟练掌握微程序控制原理、微程序设计技术。

第六章  总线系统

第一节 总线的概念和结构形态

总线的基本概念；总线的连接方式；总线的内部结构；总线结构实例。

第二节 总线接口与总线的仲裁

信息传送方式；总线接口的基本概念；集中式仲裁；分布式仲裁。

第三节 总线的定时和数据传送模式

总线的定时；总线数据传送模式。

第四节 HOST总线和PCI总线

多总线结构、PCI总线信号、总线周期类型、总线周期操作、总线仲裁。

考核要求：

了解总线的基本概念、总线的连接方式、总线的内部结构，HOST总线和PCI总线。掌握总线接口与总线的仲裁。熟练掌握总线的定时，总线数据传送模式。

第七章 外围设备与外部存储

第一节 外围设备概述

外围设备的一般功能；外围设备的分类。

第二节 磁盘存储设备

磁记录原理；磁盘的组成和分类；磁盘驱动器和控制器；磁盘上信息的分布；磁盘存储器的技术指标。

第三节 磁盘存储设备的技术

磁盘cache；磁盘阵列RAID；可移动存储设备；磁带存储设备；

考核要求：

了解外围设备的一般组成。掌握磁盘cache、磁盘阵列RAID、可移动存储设备、磁带存储设备。熟练掌握磁盘设备的原理和方法。

第八章  输入输出系统

第一节 外围设备的速度分级与信息交换方式

    外围设备的速度分级；信息交换方式

第二节 程序查询方式

设备编码；输入/输出指令；程序查询方式的接口；程序查询输入/输出方式。

第三节 程序中断方式

中断的基本概念；程序中断方式的基本I/O接口；单级中断、多级中断；中断控制器；5. Pentium中断机制。

第四节 DMA方式

DMA的基本概念；DMA传送方式；基本的DMA控制器； 选择型和多路型DMA控制器。

第五节 通道方式 

通道的功能；通道的类型；通道结构的发展。

第六节 通用I／O标准接口

并行I/O标准接口SCSI；串行I/O标准接口IEEE1394/262、I/O系统设计。

考核要求：

了解外围设备的速度分级与信息交换方式。掌握通用I／O标准接口。熟练掌握程序查询方式、程序中断方式、DMA方式和通道方式的原理。

第九章  并行组织与结构

第一节  体系结构中的并行性 

   并行性的概念；提高并行性的技术途径；单处理机系统中的并行性；多处理机系统中的并行性；并行处理机的结构。

第二节 多线程与超线程处理机

从指令级并行到线程级并行；同时多线程结构；超线程处理机结构。

第三节 多处理机

多处理机系统的分类；SMP的基本概念和SMP的结构。

第四节 多核处理机及实例 

多核处理机的优势；多核处理机的组织结构；多核处理机的关键技术；ARM多核处理机。

考核要求：

了解多核处理机及实例。掌握并行性的概念和基本方法、多处理机构成。熟练掌握多线程与超线程处理机。

参考书目

白中英等，《计算机组成原理》，科学出版社，2013年，第五版

  西北师范大学计算机科学与工程学院硕士研究生入学考试大纲

操作系统

第一章  操作系统概论

第一节 操作系统及其发展

操作系统的定义和主要特性，了解操作系统的目标；操作系统在计算机系统中的地位、作用和资源管理功能；操作系统的发展历史，理解多道程序设计的原理和优缺点；批处理、分时、实时、个人计算机、嵌入式、网络和分布式等操作系统的概念和特征。

第二节 操作系统的用户接口

 操作系统为用户提供的两大类接口是程序接口和系统调用；程序接口的各种形式；系统调用的概念、实现过程、分类及其与函数调用之间的关系。

第三节 操作系统结构和运行模型

操作系统的构件、结构和运行模型。

第四节 流行操作系统简介

目前主流的操作系统。

考核要求：

了解操作系统的起源和发展。理解操作系统在计算机系统中的地位、作用和资源管理功能，多道程序设计的原理和优缺点，各种类型操作系统的概念和特征，操作系统为用户提供的接口，系统调用的概念、实现过程、分类及其与函数调用之间的关系。掌握操作系统的相关概念和主要特性以及操作系统在计算机系统中的地位。

第二章  处理器管理

第一节 进程及其实现

进程的引入原因；进程的定义和特征，掌握进程与程序的比较；进程控制块PCB的概念、进程的基本状态及其相互转换；进程映像的概念和组成、进程上下文的概念、组成和进程上下文的切换； 访管指令和特权指令；处理器的工作模式，工作模式的切换；原语的概念和特征；进程控制常用的创建、撤消、阻塞和唤醒原语的引起事件和执行过程。

第二节 线程及其实现 

引入线程的动机；线程的概念和特征，线程与进程的关系；线程的实现。

第三节 作业管理

作业的状态及其转换；作业概念、作业与进程的关系、作业的组成；作业控制块JCB的概念、内容和作用。

第四节 处理器调度及其调度算法

处理器调度的层次以及各级调度的主要任务和功能；选择调度算法的原则和各种作业调度和进程调度算法的调度策略：先来先服务调度算法、最短作业优先调度算法、最短剩余时间优先调度算法、响应比最高者优先调度算法、优先级调度算法和轮转调度算法等；实时调度算法和多处理机调度算法。

第五节 Linux进程与线程 

    Linux操作系统中的进程与线程相关概念和实现技术。

考核要求：

了解操作系统引入进程和线程的原因、作业的状态及其转换，处理器调度的层次以及各级调度的主要任务和功能等。理解使用各种作业调度和进程调度算法调度作业和进程，会计算作业的周转时间和带权周转时间。掌握进程的定义和特征，进程与程序的比较、进程控制的原语，进程的三种基本状态及其相互转换，进程控制块PCB的作用，线程的概念和特征，线程与进程的关系，各种作业调度和进程调度算法的调度策略等。

第3章  进程管理

第一节 并发进程

程序顺序执行的概念和特征，程序并发执行的概念和特征，进程的并发性；Berstein条件的和相关问题；并发进程与时间有关的错误；进程并发执行时的两种基本制约关系：竞争和协作；进程互斥和进程同步的概念。

第二节 临界区管理

临界区和临界资源的概念和临界区的调度原则；临界区管理的软件方法和硬件设施。

第三节 信号量与PV操作

同步机制的概念和常用类型；信号量、P操作和V操作原语的执行过程与含义；使用记录型信号量机制描述进程并发执行的过程；同步机制的经典问题——五个哲学家吃通心面问题、生产者与消费者问题、读者与写者问题、理解理发师问题。

第四节 管程 

    管程的概念、一般形式和具体实现。

第五节 进程通信

进程通信的概念、类型和方式，了解信号、管道、消息传递、共享内存通信机制。

第六节 死锁 

死锁产生的原因，掌握死锁的概念和解决方法；死锁产生的4个必要条件，理解死锁防止的策略；死锁避免的概念，熟练掌握银行家算法及其应用，学会解决相关问题；死锁定理，掌握资源分配图及其化简方法；死锁的解除方法。

考核要求：

了解前驱图和Berstein条件的意义和用途，进程并发执行的特征。理解进程的并发性，并发进程与时间有关的错误，竞争和协作，互斥和同步，临界区和临界资源，死锁产生的原因和排除方法，使用银行家算法避免死锁发生。掌握信号量的概念和含义，P操作和V操作的执行过程与含义，记录型信号量机制，用信号量解决问题，使用记录型信号量机制描述进程并发执行的过程，化简资源分配图，临界区的调度原则，哲学家问题，生产者与消费者问题，理发师问题，读者与写者问题，死锁的概念和产生的必要条件等。

第4章  存储管理

第一节 概述  

存储管理的对象和功能；计算机系统存储器的层次结构，了解程序的编译、链接、装入和执行过程；逻辑地址空间和物理地址空间，逻辑地址和物理地址的概念；地址重定位的概念和两种方式；存储保护的概念和方法。

第二节 连续存储空间管理

固定分区存储管理方法的基本原理、内存分配和回收方法以及优缺点；可变分区存储管理方法的基本原理，理解内存分配和回收、地址转换、存储保护和存储共享的方法以及优缺点；可变分区存储管理的内存分配算法并学会解决相关问题；连续存储管理中主存扩充的技术：覆盖、交换和移动。

第三节 分页存储管理

分页存储管理的基本原理，逻辑地址、物理地址，页表和地址转换过程；引入快表的原因和通过快表转换地址的过程；分页存储空间内存的分配和回收方法；页面共享和保护的方法；多级页表和反置页表。

第四节 分段存储管理

分段存储管理的基本原理，包括逻辑地址空间和物理地址空间的划分，段表和地址转换过程，学会计算逻辑地址和物理地址；段的共享和保护方法；分段存储管理的特点、分页和分段存储管理的异同。

第五节 虚拟存储管理

程序局部性原理；虚拟存储器的概念及其容量；分页虚拟存储管理的实现原理，包括页表的结构、地址转换过程、缺页中断和页面置换的概念，熟练掌握页面替换算法的策略和应用，能够解决实际问题；分段虚拟存储管理的实现原理，包括段表的结构、地址转换过程、段的扩充、段的共享和保护等；请求段页式虚拟存储管理的实现原理，包括逻辑地址空间和物理地址空间的划分，逻辑地址的结构、段表的结构、页表的结构、地址转换过程和优缺点等。

考核要求：

了解存储管理的功能，固定分区和可变分区存储管理的基本原理，移动技术，内存共享和保护，请求分页、段页式虚拟存储管理的实现原理等。理解可变分区存储管理的内存分配算法，分页存储管理的地址转换，分段存储管理的地址转换和页面替换算法。掌握逻辑地址空间和物理地址空间的概念，逻辑地址和物理地址的概念，地址重定位的概念和方式，分页和分段存储管理的基本原理、地址转换和优缺点，分页和分段存储管理的比较，虚拟存储器的概念和容量，页面替换算法等。

第5章  文件管理

第一节  文件

文件系统的概念和功能；文件的概念和命名规则；文件的分类和文件属性；文件的存取方法。

第二节 文件目录 

文件系统的分层结构，层次目录结构；文件控制块FCB的概念、内容和作用；文件目录和目录文件的概念；UNIX/Linux系统中引入索引节点inode后文件目录的组织方法； 文件目录的检索方法。

第三节  文件组织与数据存储 

文件逻辑结构的概念和两种基本形式：流式文件和记录式文件，了解记录格式，理解记录、键等概念；文件物理结构的概念和常用的组织方法及其优缺点。

第四节 文件系统其它功能的实现

文件系统调用的实现；文件存储空间的管理方法，包括空闲块的组织方法，空闲块的分配和回收算法等；文件共享的概念和实现方法；虚拟文件系统。

第五节 文件系统实例

Linux文件系统；Windows文件系统（选讲）。

考核要求：

了解文件系统的功能，文件的分类，文件目录的结构和检索，文件存储空间的管理，文件系统调用，文件共享等。理解位示图的组成和计算，文件目录的检索，记录的成组和分解。掌握文件的存取方法，文件的逻辑结构和物理结构。

第6章  设备管理

第一节  I/O硬件原理 

I/O系统的概念，理解设备管理的功能；设备的分类；掌握字符设备和块设备的概念和典型设备等；I/O控制方式，包括控制过程、优缺点及其对比等；设备控制器的概念、组成和功能。

第二节 I/O软件原理和缓冲技术

I/O软件的设计目标和原则、I/O软件的组成和层次；I/O中断处理程序；I/O设备驱动程序的任务和功能；独立于设备的I/O软件的功能，用户空间的I/O软件的种类和功能；引入缓冲的目的，常用的缓冲技术，多缓冲的组织和工作过程。

第三节  驱动调度技术

磁盘的物理结构；循环排序和优化分布；磁道定位和移臂调度算法的调度策略；提前读、延迟写和虚拟盘的概念。

第四节 设备分配

    设备独立性的概念、优点和实现；设备分配的方式、数据结构和分配算法。

第五节 虚拟设备 

虚拟设备、SPOOLing技术的概念；SPOOLing系统的组成、实现和优点。

考核要求：

了解设备管理的功能，设备的分类，I/O软件的设计目标和层次，设备驱动程序的任务和功能。理解通道的工作过程，引入缓冲的目的，设备分配的方式、数据结构和分配算法，SPOOLing系统的组成、实现和优点。掌握字符设备和块设备、I/O控制方式、通道技术、缓冲技术、移臂调度算法、设备独立性、虚拟设备和SPOOLing技术。

第7章  网络与分布式操作系统

第一节  计算机网络和网络计算模式概述

计算机网络的概念、组成、功能，了解网络体系结构和网络协议；网络计算、分布式计算、网格计算、云计算等网络计算模式。

第二节 网络操作系统和分布式操作系统

网络操作系统的概念、特征和类型；分布式系统的概念、特征和功能；分布式系统和网络系统的对比；分布式进程通信、进程同步和进程迁移；分布式资源管理和文件系统。

考核要求：

了解网络和分布式环境操作系统概念。理解网络和分布式环境操作系统特征和主要功能，网络系统资源管理和网络文件系统。掌握分布式进程通信、进程同步和进程迁移的实现。

第8章  操作系统安全

第一节 安全性概述以及安全策略、安全模型和安全机制

操作系统安全的概念；安全需求和安全策略、访问支持策略和访问控制策略；安全模型、安全模型示例；硬件安全机制、认证机制、授权机制、加密机制、审计机制。

第二节 安全操作系统设计和开发

安全操作系统结构和设计原则；安全操作系统的开发；安全系统的评价标准。

第三节Linux安全机制

Linux的基本安全机制；SELinux；Linux安全模块。

考核要求：

了解操作系统安全的意义和作用。理解安全策略、安全模型和安全机制。掌握安全操作系统结构和设计原则。

第9章  多机系统操作系统及操作系统新进展

第一节 多处理器与多计算机系统

并行处理系统分类；对称多处理机、集群系统的概念，以及对操作系统支持的要求。

第二节 多核与超线程

多核处理器结构的出现和技术优势；超线程概念和技术；多核操作系统设计相关概念。

第三节 并行处理环境下的同步与调度

同步粒度的概念；并行计算环境的同步技术和方法；多处理机调度及相关技术。

第四节 其它新兴操作系统技术

考核要求：

了解并行环境下同步与调度的特点和重要性。理解多机系统对操作系统的额外要求。掌握超线程概念。

参考书目

费祥林 等，《操作系统教程》（第五版），高等教育出版社，2014.2