EDUVIZ计算机组成原理 教师工作台

计算机组成原理 · 交互式课程

看懂原理，
看见计算。

从一串二进制，到计算机的工作方式。
跟随图解逐步推演，让每一个结果都有依据。

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教材同步 · 课堂讲授 · 课后复习

计算机系统 · 协作示意
计算机系统协作的立体示意中央处理器、存储器与输入输出接口安装在电路板上。沿连接线流动的光点表示数据传送，连接为概念示意。 CPU 处理器存储器输入输出
数据流动，连接每一个部件。
01

先明确条件位宽、编码、适用范围

02

再跟随推演观察每一步发生了什么

03

最后独立验证改变条件，解释结果

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6 章 / 124 个学习单元

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01第1章 · 计算机系统概述从信息与程序出发，认识一台计算机。8 单元
1.1计算机的基本概念3 个单元
1.1.1 · 教材 3—6 页

信息、代码与数字信号

区分信息含义、编码约定与承载它的物理信号。

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1.1.2 · 教材 6—7 页

存储程序与自动执行

跟随指令地址，解释顺序执行和转移。

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1.1.3 · 教材 7—9 页

计算机分类与任务选择

按处理制式、用途及规模选择分类依据。

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1.2计算机的诞生和发展1 个单元
1.2.1 · 教材 9—14 页

体系结构与计算机的发展

区分硬件器件演进与体系结构思想，并说明发展中的权衡。

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1.3计算机系统的组织3 个单元
1.3.1 · 教材 14—19 页

五大部件怎样协作

说清输入、存储、控制、运算、输出的职责及数据方向。

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1.3.2 · 教材 19—21 页

程序、系统软件与应用软件

解释编译、连接、装入以及系统软件提供的支持。

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1.3.3 · 教材 21—25 页

计算机的层次与软硬件接口

沿层次追踪一次操作，理解指令系统作为软硬件接口。

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1.4计算机性能的评价指标1 个单元
1.4 · 教材 25—28 页

用执行时间评价性能

从指令数、平均每指令周期数、时钟频率计算CPU时间。

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02第2章 · 数据的表示、运算和校验从二进制编码，到运算与差错校验。37 单元
2.1.1进位计数制4 个单元
2.1.1 · 教材 31—33 页

进制、数码与位权

按位权展开整数与小数，理解基数和合法数码。

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2.1.1 · 教材 33—35 页

整数转换：除基数取余

用商与余数解释每一位的来源，完成整数转换。

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2.1.1 · 教材 34—37 页

小数转换与二八十六进制分组

逐步提取小数数码，并利用三位或四位分组转换。

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2.1.1 · 教材 34—37 页

减权定位与逐次乘除基

比较减权定位与逐次乘基、除基法，解释处理方向。

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2.1.2带符号数的表示2 个单元
2.1.2 · 教材 37—42 页

原码、反码与补码的编码

在指定字长下编码并读回正负数，区分三种编码。

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2.1.2 · 教材 40—43 页

零、表示范围与移码入门

从代码分配解释零、范围及标准移码的偏置。

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2.1.3定点数和浮点数4 个单元
2.1.3 · 教材 43—44 页

定点：小数点在哪里

通过隐含小数点和位权说明定点数范围与精度。

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2.1.3 · 教材 44—45 页

原理性浮点格式：阶数与尾数

将数写成尾数乘基数的阶数次方，区分数值与格式。

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2.1.3 · 教材 45—48 页

IEEE754：从真值到32位浮点数

按符号、偏置阶码、尾数字段完成正规数编码与解码。

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2.1.3 · 教材 46—48 页

浮点特殊值与表示边界

识别零、非正规数、无穷和NaN，理解渐进下溢。

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2.2字符型数据3 个单元
2.2 · 教材 48—49 页

字符与数值：ASCII编码

查ASCII表并区分数值运算与字符表示。

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2.2 · 教材 50 页

区位码、交换码与机内码

沿GB2312的区位、国标交换码、常用机内码关系换算。

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2.2 · 教材 49—50 页

汉字编码与字符传输

区分字符、编码编号、存储字节与字形，并说明编码一致性。

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2.3数据代码的处理和存储5 个单元
2.3 · 教材 50—51 页

移位操作

观察逻辑移位与正负补码左右移，掌握补位规则，并检查溢出和精度。

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2.3 · 教材 51—52 页

舍入处理

找准保留位与舍弃位，比较两种舍入规则。

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2.3 · 教材 52 页

代码扩展与压缩

根据编码选择扩展方式，先判断范围再压缩。

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2.3 · 教材 52—53 页

大小端存储

按字节拆分数据，明确权重与地址的方向。

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2.3 · 教材 53—54 页

存储对齐

根据指定边界安排起点，区分填充与数据字节。

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2.4.1定点加减运算5 个单元
2.4.1 · 教材 54—56 页

补码加减运算

逐位追踪进位，理解减法怎样复用加法器。

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2.4.1 · 教材 56—57 页

溢出判断

区分进位与溢出，用符号或进位关系判断。

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2.4.1 · 教材 57—58 页

原码加减对照

分开处理符号和绝对值，避免套用补码规则。

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2.4.1 · 教材 58 页

标准移码运算

理解真值加8编码、减8解码，再说明加减运算的偏置修正。

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2.4.1 · 教材 58—59 页

偏置127的运算

数清偏置份数，推导加减修正而非死记常数。

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2.4.2定点乘法运算3 个单元
2.4.2 · 教材 59—61 页

原码一位乘法

从笔算部分积进入寄存器，逐步理解判断、累加与整体移位，再独立验证。

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2.4.2 · 教材 59—66 页

补码一位乘法

按相邻位决定加减，完成带符号的补码一位乘。

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2.4.2 · 教材 59—66 页

原码两位乘法与欠账

区分普通两位分组与带符号重编码，按4倍位权累加部分积。

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2.4.3定点除法运算3 个单元
2.4.3 · 教材 66—68 页

恢复余数除法

用6/16÷10/16逐轮试减、恢复并生成商，区分工作余数与实际余数。

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2.4.3 · 教材 66—68 页

原码不恢复余数除法

推导恢复与下一轮合并的依据，分清旧余数选操作、新余数定商位和末轮恢复。

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2.4.3 · 教材 68—70 页

补码不恢复余数除法

只改变除数符号，比较同异号规则，完成假商符、末位校正与余数核验。

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2.4.4IEEE754 浮点数四则运算3 个单元
2.4.4 · 教材 71—74 页

浮点加减：对阶与规格化

解释对阶的必要性，完成尾数加减及结果规格化。

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2.4.4 · 教材 71—74 页

浮点乘除：尾数与阶码

完成浮点乘除，解释偏置修正和规格化后的指数变化。

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2.4.4 · 教材 71—74 页

浮点舍入与特殊情况

使用保护信息判断舍入，区分正常数运算与特殊值规则。

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2.5.1奇偶校验1 个单元
2.5.1 · 教材 74—75 页

奇偶校验：发现错误与漏检

配置奇偶校验位，理解检错能力与不能纠错的限制。

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2.5.2海明校验2 个单元
2.5.2 · 教材 75—77 页

海明码编码与校验分组

安排数据与校验位置，求出发送码字。

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2.5.2 · 教材 75—77 页

海明码检错与纠错

用指误字定位单错，理解普通与扩展海明码的能力。

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2.5.3循环冗余校验2 个单元
2.5.3 · 教材 77—80 页

CRC编码：补零与模2除

逐步做异或除法并生成校验码。

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2.5.3 · 教材 77—80 页

CRC检错与能力边界

检查接收码字，解释漏检与单错定位条件。

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03第3章 · CPU子系统跟随一条指令，理解处理器的工作。32 单元
3.1CPU 概述3 个单元
3.1.1 · 教材 84—90 页

CPU里的寄存器各管什么

能沿着一次读取，区分地址、数据、指令和运算结果。

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3.1.2 · 教材 91—97 页

一条指令怎样走完一个周期

能把取指、译码、执行和写回连成可解释的状态变化。

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3.1.3 · 教材 97—99 页

CPU发展：从集中运算到片上协同

能把集成化、流水化、缓存和多核与其解决的问题联系起来，区分历史演进与当前产品评价。

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3.2指令系统6 个单元
3.2.1 · 教材 100—101 页

指令系统与实现：CISC、RISC的取舍

能区分指令系统和处理器实现，并用总执行时间比较设计。

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3.2.2 · 教材 101—106 页

指令格式：位数怎样分给操作和地址

能按字段解释机器指令，并计算固定字段可编码的数量。

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3.2.3 · 教材 106—112 页

寻址方式：这个数是数据还是地址

能按立即、直接、间接与寄存器寻址一步步找到操作数。

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3.2.3 · 教材 112—118 页

基址、变址、相对寻址与栈

能计算有效地址，区分基址、变址、相对寻址和栈顶操作。

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3.2.4 · 教材 118—125 页

指令功能与程序控制流

能从状态变化识别数据传送、运算、转移、调用和返回。

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3.2.5 · 教材 126—129 页

高级语言怎样变成机器级步骤

能解释编译、汇编、链接与运行的不同任务，并跟踪变量位置。

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3.3加法器和运算部件3 个单元
3.3.1 · 教材 130—134 页

全加器与进位：为什么高位需要等

能逐位计算和位与进位，并解释串行进位和并行进位的差别。

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3.3.2 · 教材 134—137 页

ALU：同一组输入怎样选择不同运算

能解释功能选择信号、结果通路和零/负/进位/溢出标志的作用。

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3.3.3 · 教材 137—139 页

运算器组织：单总线为何需要暂存

能比较单总线、双总线和三总线数据通路的资源与步骤。

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3.4X86架构模型机 CPU设计5 个单元
3.4.1 · 教材 139—144 页

教材模型机：16位指令与寻址字段

能按教材模型机约定拆分指令，并跟踪自增/自减寻址。

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3.4.2 · 教材 144—148 页

模型机的数据通路：从连线到一次读写

能把寄存器、选择器、ALU和存储接口串成合法数据通路。

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3.4.3 · 教材 148—162 页

指令流程与微操作：一步必须做对什么

能区分机器指令、微操作和微命令，并排列依赖关系。

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3.4.4 · 教材 162—173 页

组合逻辑控制：控制信号怎样产生

能从指令、当前时序状态和条件生成控制信号，理解有限状态控制。

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3.4.5 · 教材 173—192 页

微程序控制：用控制字组织指令步骤

能区分机器程序与微程序，解释控制存储器、微地址与后继选择。

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3.5MIPS32 架构 CPU设计实例6 个单元
3.5.1 · 教材 193—199 页

MIPS32：把R型、I型、J型切成字段

能拆分R/I/J格式，分清编号位数、数据宽度与立即数字段。

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3.5.1 · 教材 195—199 页

MIPS32地址：PC+4、分支偏移与跳转拼接

能按地址单位推导顺序、基址、分支与伪直接跳转地址。

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3.5.2 · 教材 199—202 页

MIPS数据通路部件：选择、扩展与写入

能解释寄存器堆、选择器、扩展器和ALU各自的输入输出。

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3.5.3 · 教材 202—214 页

单周期CPU：一条lw经过哪些部件

能沿完整加载通路跟踪地址与数据，解释最长路径限制时钟。

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3.5.4 · 教材 214—233 页

多周期CPU：复用部件，保存中间结果

能跟踪lw的多周期执行，理解IR、暂存器和ALU结果寄存器的必要性。

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3.5.5 · 教材 233—238 页

指令时间：单周期、多周期如何公平比较

能从部件延迟、周期数与指令比例计算完整程序执行时间。

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3.6CPU 的异常和中断处理1 个单元
3.6 · 教材 238—240 页

异常与中断：CPU如何暂时改变工作路线

能区分同步异常与异步中断，说明检测、保存、转移、处理和恢复。

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3.7流水线处理器5 个单元
3.7.1 · 教材 240—244 页

流水线：一条不一定更快，多条可以重叠

能画时空表，区分单条延迟、吞吐率和理想加速比。

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3.7.2 · 教材 244—248 页

流水级之间要保存的不只是数据

能解释级间寄存器保存数据、目的编号和控制信息的必要性。

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3.7.3 · 教材 248—252 页

数据冒险：结果算出来与写回不是同一时刻

能识别先写后读依赖，理解转发能解决什么、为什么加载使用仍可能停顿。

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3.7.3 · 教材 248—252 页

结构与控制冒险：资源冲突和走错路线

能区分结构冒险与控制冒险，解释停顿和清空错误路径的作用。

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3.7.4 · 教材 252—254 页

超标量与更深流水线：并行宽度也有限制

能区分加宽与加深，识别依赖、资源和分支代价对收益的限制。

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3.8CPU 的其他增强技术3 个单元
3.8.1 · 教材 254—255 页

同步多线程：共享一个核心怎样补空位

能区分线程状态与共享执行资源，解释SMT收益及资源竞争。

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3.8.2 · 教材 255—258 页

多核：可以并行的部分才会一起变快

能区分核心数与可并行比例，计算理想加速上限并考虑共享资源。

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3.8.3 · 教材 258—259 页

多处理器：并行计算还要协同

能区分指令流/数据流分类，并解释共享数据更新为什么需要同步。

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04第4章 · 存储子系统理解数据如何存放、查找与访问。23 单元
4.1存储子系统概述2 个单元
4.1.1 · 教材 265—271 页

为什么需要多层存储

沿一次程序运行，分清寄存器、缓存、内存、外存的任务。

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4.1.3 · 教材 272—273 页

容量、延迟、周期与带宽

会区分容量、存取时间、存取周期，并在单位一致时计算带宽。

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4.2半导体存储器原理及芯片5 个单元
4.2.1 · 教材 273—277 页

静态存储单元与SRAM读写

理解静态存储单元的保持、选中、读出、写入及芯片组织。

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4.2.2 · 教材 277—284 页

动态存储、行列地址与刷新

沿单管电容模型解释泄漏、读出恢复、地址复用和刷新间隔。

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4.2.3 · 教材 284—287 页

突发传输、DDR与先进先出缓冲

用突发传输、双沿传输与FIFO说明外围组织如何改善数据流。

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4.2.4 · 教材 287—291 页

只读存储器为什么也能改写

按写入、擦除方式区分掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM和Flash。

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4.2.5 · 教材 291—292 页

SSD改写：逻辑地址不等于物理位置

沿一次NAND闪存更新解释页写入、块擦除、地址映射与垃圾回收。

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4.3主存储器的组织2 个单元
4.3.1 · 教材 292—298 页

用小芯片组成更大的内存

分别完成位扩展、字扩展，再验证容量和地址范围。

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4.3.3 · 教材 298—301 页

地址译码、片选与读写控制

从地址范围生成片选条件，并按读写方向检查总线状态。

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4.4磁表面存储原理1 个单元
4.4.1 · 教材 301—308 页

磁记录：从磁化方向到可辨识的位

把磁性保持、写入翻转与记录编码联系起来，理解同步的必要性。

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4.5磁盘存储器及其接口1 个单元
4.5.1 · 教材 309—322 页

磁盘读取：定位、等待、传输与校验

沿一个扇区读取过程理解磁道/扇区/柱面、寻道、旋转等待和控制器作用。

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4.6光存储原理及器件1 个单元
4.6.1 · 教材 322—328 页

光存储：写入、反射与读出

比较形变、相变与磁光机制，沿光驱数据路径解释编码和读写条件。

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4.7计算机的三级存储体系7 个单元
4.7.1 · 教材 328—330 页

局部性与平均访问时间

通过访问序列理解时间/空间局部性，按明确时间模型计算平均访问时间。

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4.7.2 · 教材 330—333 页

直接映射：地址怎样找到缓存行

分解标记、行号、块内偏移，并用有效位与标记共同判断命中。

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4.7.2 · 教材 333—336 页

全相联与组相联：减少冲突的代价

用同一访问序列比较直接、全相联和二路组相联的放置约束。

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4.7.2 · 教材 336—337 页

FIFO与LRU：满了以后换走谁

逐次维护FIFO与LRU次序，说明命中会怎样影响替换判断。

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4.7.2 · 教材 336—337 页

缓存写入：何时更新主存

分清写直达、写回与写未命中时的分配策略，解释脏位。

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4.7.3 · 教材 337—340 页

分页虚存：页号改变，页内位置不变

按页表完成虚实地址转换，并区分有效映射、缺页与非法访问。

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4.7.3 · 教材 339—343 页

快表、分段与段页式地址转换

区分快表未命中与缺页，并比较分页、分段和段页式的转换路径。

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4.8高性能存储系统介绍4 个单元
4.8.1 · 教材 343—344 页

多端口：两个请求怎样同时访问

区分多端口与多个独立存储器，并辨认同地址读写冲突。

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4.8.2 · 教材 344—345 页

磁盘阵列：条带、镜像与校验恢复

用逐位异或演示单块恢复，比较常见RAID组织的容量与容错。

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4.8.3 · 教材 345—349 页

交叉编址：让多个存储体轮流接力

用体号与体内地址说明交叉存储的流水条件、步长冲突及并行系统的共享限制。

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4.8.4 · 教材 349—350 页

联想存储：按内容找到位置

通过并行比较、匹配向量与掩码说明按内容寻址及代价。

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05第5章 · 总线与输入/输出子系统看懂部件之间的连接与数据传送。16 单元
5.1输入/输出子系统概述1 个单元
5.1 · 教材 355—361 页

从设备到主机：接口与控制层次

能区分设备、接口、总线，以及命令、状态和数据三类信息。

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5.2计算机系统中的总线5 个单元
5.2.1 · 教材 361—366 页

总线分类与地址、数据、控制信号

能解释总线的三类信号、层次分类和技术规范约束。

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5.2.3 · 教材 366—368 页

总线带宽：理论值与有效值

能带单位计算带宽，并把寻址开销计入有效带宽。

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5.2.3 · 教材 368—370 页

同步、异步与请求应答

能跟随等待时钟及全互锁握手说明数据接收时机。

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5.2.3 · 教材 370—372 页

总线仲裁：同一时刻谁先使用

能用同一组请求比较链式、计数查询和独立请求的分配结果。

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5.2.4 · 教材 372—377 页

PCI Express：链路、通道与编码开销

能解释点到点、双向通道、分层封装，并计算指定版本的编码后速率。

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5.3直接程序传送模式1 个单元
5.3 · 教材 377—379 页

程序查询：CPU怎样等设备

能按忙位和完成位追踪查询循环，并解释CPU时间开销。

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5.4中断处理模式4 个单元
5.4.1 · 教材 379—383 页

中断：暂停程序但保留返回位置

能区分中断请求、响应、服务和返回，以及断点与现场。

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5.4.2 · 教材 383—389 页

中断请求、屏蔽与优先级

能分开判断请求有效性、响应优先级与嵌套时的处理顺序。

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5.4.3 · 教材 389—395 页

从中断向量到服务程序与返回

能用向量表定位入口，并按顺序解释保护、服务、恢复与返回。

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5.4.4 · 教材 395—399 页

中断接口：地址、命令、状态与数据

能根据端口地址和读写方向解释一次输入中断接口操作。

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5.5直接存储器访问模式与接口4 个单元
5.5.1 · 教材 399—402 页

DMA：谁搬数据，谁负责开始和结束

能说明DMA、CPU与设备的分工，以及周期挪用和连续传输的区别。

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5.5.2 · 教材 402—409 页

DMA控制器的连接与任务寄存器

能追踪地址和剩余数量，并区分DMA控制器与设备接口的职责。

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5.5.4 · 教材 409—410 页

DMA传输过程：申请、接管、归还

能跟踪DMA请求、总线交接与一次输入传输的控制次序。

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5.5.5 · 教材 406—416 页

实例读图：8237与磁盘适配器分工

能按主机接口、设备控制、DMA搬运三层读图，并解释8位端口写16位地址。

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5.6输入/输出处理器和外部处理机模式1 个单元
5.6 · 教材 416—421 页

通道：用I/O程序组织多设备传输

能解释通道程序、CPU分工，并比较三种通道的共享粒度。

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06第6章 · 输入/输出设备把数字信息与真实世界联系起来。8 单元
6.1输入/输出设备概述1 个单元
6.1 · 教材 423—427 页

设备信息怎样编码与串行传输

能识别设备功能分类，解释串行帧的起始、数据和停止位，并计算有效速率。

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6.2键盘1 个单元
6.2 · 教材 427—434 页

键盘扫描：从行列位置到按键编码

能走完矩阵扫描、消抖与查表，并区分扫描位置码和字符编码。

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6.3显示设备3 个单元
6.3.2 · 教材 434—442 页

像素、显存与扫描刷新

能计算像素地址、一帧容量和给定刷新率所需的数据量。

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6.3.3 · 教材 442—449 页

LCD：从像素代码到透光强弱

能沿背光、偏振、液晶控光与彩色滤光解释一个像素的显示。

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6.3.4 · 教材 449—451 页

显示适配器与模拟、数字接口

能追踪显存到显示器的路径，区分显示控制功能与接口传输形式。

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6.4打印设备3 个单元
6.4.2 · 教材 451—456 页

点阵针式打印：把位图变成纸上的点

能区分字符码、字库点阵和打印头动作，并解释分辨率指标。

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6.4.3 · 教材 456—461 页

喷墨与激光：两种非击打成像过程

能顺序解释喷墨喷射和激光电子摄影，并找出显影、转印、定影的区别。

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6.4.5 · 教材 461—462 页

3D打印：数字模型怎样逐层成形

能说明建模、切片、路径控制与逐层成形，并计算层数和理想打印时间。

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