计算机组成原理思维导图
1. 数字逻辑基础
1.1 布尔代数
- 逻辑门（AND/OR/NOT/XOR）
- 卡诺图化简
- 组合逻辑电路设计
1.2 时序逻辑
- 触发器（SR/D/JK）
- 时钟同步机制
- 有限状态机（FSM）
1.3 硬件实现
- 加法器（全加器/超前进位）
- 乘法器（阵列乘法器）
- 多路选择器与译码器
2. 计算机体系结构
2.1 中央处理器（CPU）
- 运算器（ALU）
- 算术运算（补码/浮点运算）
- 逻辑运算（移位/位操作）
- 控制器
- 指令周期（取指/译码/执行）
- 控制信号生成（硬布线/微程序）
- 寄存器组
- 通用寄存器（AX/BX等）
- 专用寄存器（PC/IR/SP）
2.2 指令系统
- 指令格式（操作码/地址码）
- 寻址方式（立即/直接/间接/基址）
- CISC vs RISC架构对比
2.3 总线与中断
- 总线类型（数据/地址/控制总线）
- 总线仲裁机制（集中式/分布式）
- 中断处理流程（请求/响应/恢复）
3. 存储系统
3.1 存储器层次
- SRAM vs DRAM
- Cache映射策略（直接/组相联/全相联）
- 虚拟内存（页表/TLB/缺页处理）
3.2 存储技术
- 磁盘结构（磁道/扇区/柱面）
- RAID技术（0/1/5/10）
- SSD原理（NAND Flash/FTL）
4. 输入输出系统
4.1 I/O接口
- 并行接口（PATA）
- 串行接口（SATA/USB）
- 中断驱动I/O vs DMA传输
4.2 外设控制
- 显示器（帧缓冲/VGA时序）
- 键盘（扫描码/中断处理）
- 打印机（喷墨/激光原理）
5. 高级主题
5.1 流水线技术
- 流水线冒险（结构/数据/控制冒险）
- 超标量与超长指令字（VLIW）
5.2 多核与并行
- 多级缓存一致性（MESI协议）
- 内存屏障与原子操作
5.3 现代架构
- GPU架构（SIMT/流处理器）
- RISC-V开放指令集
知识关联
- → 操作系统：虚拟内存实现、中断处理机制
- → 编译原理：指令选择与代码优化
- → 计算机网络：硬件加速（如网卡DMA）
学习路径建议
- 基础阶段：数字逻辑 → 冯·诺依曼体系 → 单周期CPU设计
- 进阶阶段：流水线CPU → Cache设计 → 虚拟内存模拟
- 实践项目：
- 使用Logisim实现8位ALU
- 用Verilog编写五级流水线CPU
- 模拟Cache替换算法（LRU/FIFO）
核心公式与工具
- 性能公式：
( \text{CPU时间} = \text{指令数} \times \text{CPI} \times \text{时钟周期} ) - 工具链：
- 仿真工具：Logisim/Verilator
- 硬件描述语言：Verilog/VHDL
- 调试工具：GDB（配合QEMU）
推荐资源
- 书籍：
《计算机组成与设计：硬件/软件接口》（Patterson & Hennessy）
《深入理解计算机系统》（CSAPP）第4-6章 - 课程：
MIT 6.004（Computation Structures）
Coursera “Build a Modern Computer from First Principles”
如果需要更细化的某个模块（如CPU流水线设计或Cache一致性协议），可以继续补充细节！ 🎯