第4章計算機科學與技術學科知識體系

本章介紹計算機科學與技術學科的知識結構體系，并對其中的有關問題進行簡要說明。

4.1知識體系結構

我們用14個知識領域(area)、若干個知識單元(unit)和一系列知識點(topic)來描述計算機

學科的知識體系。

知識體系結構組織成如下三個層次：知識領域(area)、知識單元(unit)和知識點(topic)。一

個知識領域可以分解成若干個知識單元，一個知識單元又包含若干個知識點。知識體系結構

的最高層是知識領域，表示特定的學科子域。每個知識領域用兩個英文字母的縮寫表示，例

如，OS表示操作系統(tǒng)，PL表示程序設計語言等。知識體系結構的中間層是知識單元，表示

知識領域中獨立的主題(thematic)模塊。每一知識單元用知識領域名后加一個數(shù)字后綴表示，

例如，0S3是操作系統(tǒng)中有關并發(fā)性的知識單元。知識體系結構的最底層是知識點。

表4-1是對計算機科學與技術知識體系的概要總結，它展示了知識領域、知識單元、核

心知識單元及各自所需的最少時間。

表4-1計算機科學與技術學科知識體系

代號知識領域知識單元最少學時

DS離散結構DSI函數(shù)、關系和集合；DS2基本邏輯；DS3證明技巧；72核心學時

DS4計數(shù)基礎；DS5圖與樹

PF程序設計基礎PFI程序設計基本結構；PF2算法與問題求解；PF3基本69核心學時

數(shù)據(jù)結構；PF4遞歸；

PF5事件驅動程序設計

AL算法與復雜性AL1算法分析基礎；AL2算法策略：AL3基本算法：AL454核心學時

分布式算法；AL5可計算性理論基礎；

AR計算機組織與AR1數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)；AR2數(shù)據(jù)的機器級表示；82核心學時

體系結構AR3匯編級機器組織；

AR4存儲系統(tǒng)組織和結構：AR5接口和通信；

AR6功能組織；AR7多處理和其他系統(tǒng)結構；AR8性能

提高技術；AR9網(wǎng)絡與分布式系統(tǒng)結構

OS操作系統(tǒng)0S1操作系統(tǒng)概述；0S2操作系統(tǒng)原理；0S3并發(fā)性；40核心學時

0S4調度與分派；0S5內存管理；0S6設備管理；0S7

安全與保護；0S8文件系統(tǒng)；0S9系統(tǒng)性能評價

PL程序設計語言PL1程序設計語言概論；PL2虛擬機；PL3語言翻譯簡介；54核心學時

PL4聲明和類型；PL5抽象機制;PL6面向對象程序設計;

PL7函數(shù)程序設計：PL8語言翻譯系統(tǒng)；PL9類型系統(tǒng)；

PL10程序設計語言的語義；PL11程序設計語言的設計

HC人機交互HC1人機交互基礎：HC2簡單圖形用戶界面的創(chuàng)建：HC312核心學時

以人為本的軟件評估；HC4以人為本的軟件開發(fā)；HC5

圖形用戶界面的設計；HC6圖形用戶界面的編程；HC7

多媒體系統(tǒng)的人機交互；HC8協(xié)作和通信的人機交互

NC網(wǎng)絡及其計算NC1網(wǎng)絡及其計算介紹；NC2通信與網(wǎng)絡；NC3網(wǎng)絡安48核心學時

全；NC4客戶/服務器計算舉例；NC5構建Web應用；

NC6網(wǎng)絡管理；NC7壓縮與解壓縮；NC8多媒體數(shù)據(jù)技

術；NC9無線和移動計算

GV圖形學和可視GV1圖形學的基本技術；GV2圖形系統(tǒng)；GV3圖形通信；8核心學時

化計算GV4兒何建模；GV5基本的圖形繪制方法；GV6高級的

圖形繪制方法；GV7先進技術；GV8計算機動畫：GV9

可視化：GV10虛擬現(xiàn)實；GVH計算機視覺

IS智能系統(tǒng)IS1智能系統(tǒng)基本問題；1S2搜索和約束滿足：IS3知識表22核心學時

示和知識推理；1S4高級搜索；IS5高級知識表示和知識

推理；IS6主體；IS7自然語言處理技術；IS8機器學習和

神經(jīng)網(wǎng)絡；IS9人工智能規(guī)劃系統(tǒng)；IS10機器人

IM信息系統(tǒng)IM1信息模型和信息系統(tǒng)；IM2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：IM3數(shù)據(jù)模34核心學時

型化；IM4關系數(shù)據(jù)庫；IM5數(shù)據(jù)庫查詢語言；IM6關系

數(shù)據(jù)庫設計；IM7事務處理；IM8分布式數(shù)據(jù)庫；IM9

物理數(shù)據(jù)庫設計；IM10數(shù)據(jù)挖掘；IM11信息存儲和信息

檢索；IM12超文本和超媒體；IM13多媒體信息和系統(tǒng)；

IM14數(shù)字圖書館

SE軟件工程SE1軟件設計；SE2使用API；SE3軟件工具和環(huán)境；SE454核心學時

軟件過程；SE5軟件需求與規(guī)約（規(guī)格說明）；SE6軟件

確認；SE7軟件演化；SE8軟件項目管理；SE9基于構件

的計算；SE10形式化方法；SE1I軟件可靠性；SE12特定

系統(tǒng)開發(fā)

SP社會與職業(yè)問SP1信息技術史；SP2信息技術的社會環(huán)境：SP3分析方11核心學時

題法和分析工具；SP4職業(yè)責任和道德責任；SP5基于計算

機的系統(tǒng)的系統(tǒng)風險和責任；SP6知識產(chǎn)權；SP7隱私和

公民自由；SP8計算機犯罪；SP9與信息技術相關的經(jīng)濟

問題

CN數(shù)值計算科學CN1數(shù)值分析：CN2運籌學：CN3建模與模擬：CN4高

性能計算

4.2知識體系結構簡介

本節(jié)描述計算機科學與技術專業(yè)本科階段課程所包含的知識領域。下面是14個知識領域

（area）及其中的知識單元（units）和知識點（topics）的描述。在知識單元級，我們根據(jù)學科的現(xiàn)狀

及未來發(fā)展的需要，區(qū)分出核心內容和選修內容。凡被列入核心內容的是本學科每個學生所

必須掌握的。它們包含了計算學科的四大分支學科的一些最基礎的內容。所列的選修內容可

以由各校根據(jù)自己的特點、畢'也生的就業(yè)主要面向等因素來選擇。當然，根據(jù)特殊的需要，

各校在實施中甚至還可以強化一些內容、補充一些內容：如通信、商務、經(jīng)濟、信息安全等。

4.2.1離散結構（DS）

1.內容摘要

離散結構是計算機科學的基礎內容。之所以這樣說，是因為很少有專家專門從事離散結

構的研究。但計算機的許多領域都要用到離散結構中的概念。離散結構包括集合論、邏輯學、

圖論和組合學等重要內容。

數(shù)據(jù)結構和算法分析與設計中含有大量離散結構的內容。例如：在形式證明、驗證、密

碼學的研究與學習中要有理解形式證明的能力。圖論中的概念被用于計算機網(wǎng)絡、操作系統(tǒng)

和編譯系統(tǒng)等領域。集合論的概念被用在軟件工程和數(shù)據(jù)庫中。

隨著計算機科學與技術的日益成熟，越來越完善的分析技術被用于實踐，為了理解將來

的計算機科學技術，學生需要對離散結構有深入的理解。

2.知識單元描述

DS1函數(shù)、關系和集合（核心）

知識點學習目標

函數(shù)（滿射，到內的映射，逆函數(shù)，復合函數(shù)）①舉例解釋集合、關系和函數(shù)的基本術語

關系（自反，對稱，傳遞，等價關系）②舉例說明與集合、關系和函數(shù)的有關運算

集合（文氏圖，補集，笛k兒集，鼎集）③將實例與合適的集合、函數(shù)和關系模型關聯(lián)，并解釋有

鴿籠原理關的運算和術語

基數(shù)性和可數(shù)性④舉例說明：基本計數(shù)原理，包括對角線原理和鴿籠原理

的用法

DS2基本邏輯（核心）

知識點學習目標

命題邏輯①使用命題邏輯與謂詞邏輯的形式化方法

邏輯連接詞②說明符號邏輯的形式化工具如何給算法和實際問題建模

真值表③用形式邏輯證明和邏輯推理法解決問題

范式（合取式和析取式）④說明謂詞邏輯的重要性和局限性

永真性

謂詞邏輯

全稱量詞和存在量詞

假言推理、否定式推理

謂詞邏輯的局限性

DS3證明技巧（核心）

知識點學習目標

蘊涵、逆、逆反、置換、非、永假等概念①以實例概述本單元所述的每種證明技巧的基本結構

形式證明結構②論述對給定的問題哪一種證明是最好的

直接證明③將數(shù)學歸納法思想與遞歸及遞歸定義結構相聯(lián)系

反例證法④指出數(shù)學歸納法與強歸納法的差異，并給出相應的應用

逆反式證明法實例

反證法

數(shù)學歸納法

強歸納法

遞歸數(shù)學定義

良序

DS4計數(shù)基礎（核心）

知識點學習目標

計數(shù)變元①計算一個集合的排列和組合，并解釋在特定應用中的意

求和與相乘的規(guī)則義

包含排斥②敘述Master原理的定義

算術和幾何級數(shù)③給出各種遞歸方程的解法

斐波那契（Fibonacci）數(shù)列④分析問題以建立相關的遞歸方程，或指出重要的計數(shù)問

排列組合題

基本定義

恒等式

二項式定理

遞歸關系

實例

Master原理

DS5圖與樹（核心）

知識點學習目標

樹①用實例解釋圖論基本術語、特性和每種特殊情況

無向圖②用實例說明樹和圖遍歷方法的差異

有向圖③用圖和樹給計算機科學中的問題建模

生成樹④圖和樹與數(shù)據(jù)結構、算法和計數(shù)之間的關系

遍歷策略

DS6離散概率（這部分內容由基礎課“概率統(tǒng)計”完成）

知識點學習目標

有限概率空間①對于如偶然性游戲的基本問題計算事件概率和隨機變量

概率度量的期望值

事件②依賴事件與獨立事件的差異

條件概率③二項式定理應用于獨立事件和貝葉斯規(guī)則應用于依賴事

獨立性件

貝葉斯規(guī)則④將概率工具應用于問題的求解，包括如MonteCarlo隨

整型隨機變量機方法、算法平均情況分析和散列法

期望

4.2.2程序設計基礎（PF）

1.內容摘要

熟練掌握程序設計語言是學習計算機科學與技術大多數(shù)內容的前提，教學大綱應要求學

生掌握如何使用一種程序設計語言。建議學生至少應熟練掌握兩種程序設計范例。

程序設計基礎領域的知識由程序設計基本概念和程序設計技巧組成，這些概念和技巧對

于獨立于基本范例的程序設計實踐是重要的。這一領域包括的知識單元有程序設計基本概念、

基本數(shù)據(jù)結構和算法等，這些內容很好地覆蓋了計算機科學與技術專業(yè)的本科生必須了解和

掌握的整個程序設計的知識范圍。其他知識領域如程序設計語言（PL）和軟件工程（SE）一—也

包含有和程序設計相關的知識單元，這些知識單元也是計算機科學與技術專業(yè)本科教學大綱

中的核心課程。一般來說，這些知識單元可以劃歸程序設計基礎，也可以劃歸其他的知識領

域。

2.知識單元描述

PF1程序設計基本結構（核心）

知識點學習目標

變量、類型、表達式和語句①分析解釋由基本程序結構組成的簡單程序（含基本計算、

高級語言的基本語法和語義簡單輸入輸出、條件與重復結構和函數(shù)）

輸入和輸出基礎②修改和擴充簡單程序

順序、條件和循環(huán)控制結構③設計、實現(xiàn)、測試和查錯

函數(shù)定義、函數(shù)調用和參數(shù)傳遞④按給定的程序設計任務，選擇相應的條件和重復結構

程序結構分解基礎⑤應用結構化技術分解程序

⑥掌握參數(shù)的傳遞過程

PF2算法與問題求解（核心）

知識點學習目標

問題求解策略①了解算法在問題求解中的重要性

問題求解算法②了解一個好算法的必要特性

算法實現(xiàn)策略③給簡單問題設計算法

調試策略④解決簡單問題，能用偽代碼或程序設計語言實現(xiàn)算法，

算法的概念和特性并對該算法作測試和查錯

⑤掌握查錯策略

PF3基本數(shù)據(jù)結構（核心）

知識點學習目標

基本類型①了解基本數(shù)據(jù)和復合數(shù)據(jù)的表示和用法

數(shù)組②了解數(shù)據(jù)結構在存儲器中的分配和使用

記錄③掌握各種數(shù)據(jù)結構的常見應用

字符串和字符串處理④掌握高級語言實現(xiàn)用戶定義數(shù)據(jù)結構的方法

數(shù)據(jù)在存儲器中的表示⑤了解數(shù)據(jù)結構實現(xiàn)方法的差異

靜態(tài)分配、棧式分配和堆式分配⑥能用數(shù)組、記錄、字符串、鏈表、棧、隊列和哈希表等

運行時的存儲器管理數(shù)據(jù)結構編寫程序

指針和引用⑦了解動態(tài)數(shù)據(jù)結構和靜態(tài)數(shù)據(jù)結構實現(xiàn)的差異

鏈式結構⑧數(shù)據(jù)結構在問題建模中的應用

棧、隊列和哈希表的實現(xiàn)策略

樹和圖的實現(xiàn)策略

數(shù)據(jù)結構的應用和選擇策略

PF4遞歸(核心)

知識點學習目標

遞歸的概念①解釋遞歸的概念和遞歸應用實例

遞歸數(shù)學函數(shù)②識別遞歸定義問題的基本情況和?般情況

遞歸過程③以類似階乘問題為例，比較循環(huán)和遞歸求解方法的差異

分治法④解釋分治法

回溯法⑤編寫、測試、調試簡單的遞歸函數(shù)和遞歸過程

遞歸的實現(xiàn)⑥解釋如何利用棧實現(xiàn)遞歸

⑦通過實例解釋回溯法的求解過程

⑧能確定何時用遞歸求解

PF5事件驅動程序設計(核心)

知識點學習目標

事件處理方法編寫能響應執(zhí)行中異常情況的代碼

事件傳播

異常處理

4.2.3算法與復雜性(AL)

1.內容摘要

對計算機科學來說，算法(Algorithm)的概念和應用是至關重要的，計算機程序的核心

是算法。算法是描述求解問題方法的操作步驟或過程集合，從計算機程序的角度來講，算法

是由若干條指令組成的有窮序列，且滿足下述兒條性質：

①輸入：有零個或多個由外部提供的量作為算法的輸入；

②輸出：算法產(chǎn)生至少一個量作為輸出；

③確定性：組成算法的每條指令的操作功能是唯一的：

④有限性：算法中每條指令的執(zhí)行次數(shù)和時間是有限的。

早在計算機發(fā)明之前，算法就是數(shù)學家求解問題的工具。數(shù)學家用算法來描述特定問題

的求解方法，例如，數(shù)學家給出求解兩個整數(shù)的最大公約數(shù)的具體算法如下：

①令M為兩個整數(shù)中的較大者，N為兩個整數(shù)中的較小者；

②用M除以N,令R為余數(shù)；

③若R不等于0,則令M等于N,N等于R,返回步驟②繼續(xù)；若R等于0,則N中的

數(shù)值就是兩個整數(shù)的最大公約數(shù)。

算法給出了對求解特定問題方法的指導，人們可以按照算法描述的求解步驟一步一步得

到正確的結果。算法可以在人類之間傳遞智能，如果我們把人類求解問題的方法設計成計算

機能夠理解的算法，然后把這樣的算法傳遞給計算機，并讓計算機執(zhí)行這樣的算法，那么，

計算機就繼承了人類計算智能而求解出問題的結果，計算機執(zhí)行的這個算法就是程序。

算法不等于程序，程序是算法用某種程序設計語言的具體實現(xiàn)。因此，在計算機硬件基

礎上，開發(fā)程序的第一步就是學習求解特定問題的算法。

2.知識單元描述

AL1算法分析基礎（核心）

知識點學習目標

復雜性上界和平均復雜性的漸近分析①解釋記號大0,小0,Q和9的用法，以描述算法所做

最佳、最差和平均情況下的復雜性差異的工作量

大o,小o,Q和e符號②用大o,。和e記號表示算法的時間和空間復雜性的漸

標準復雜性類近上界、下界和嚴格界

性能的經(jīng)驗度量③確定簡單算法的時間和空間復雜性

算法時間、空間復雜性的權衡④推導遞歸關系以描述由遞歸定義的算法的時間復雜性

用遞歸關系分析遞歸算法⑤解決簡單的遞歸關系

AL2算法策略（核心）

知識點學習目標

窮舉算法①描述窮舉法的缺點

貪心算法②對各種算法（窮舉算法，貪心算法，分治算法，回溯法，

分治算法分支界限法和試探法），用人們日常行為的例子來加以說明

回溯法.③實現(xiàn)解決一個合適問題的貪心算法

分支界限法④實現(xiàn)解決?個合適問題的分治算法

試探法⑤用回溯法解決諸如走迷宮這樣的問題

模式匹配和字符串/文本匹配算法⑥描述各種試探法的解題方法

數(shù)值逼近算法⑦用模式匹配算法分析子字符串

⑧用數(shù)值逼近方法解決如求解多項式的根這樣的數(shù)學問題

AL3基本算法（核心）

知識點學習目標

簡單數(shù)值算法①實現(xiàn)最常用的二次排序和0（NlogN）算法

順序查找算法和折半查找算法②對?個應用問題設計一個合適的哈希函數(shù)并加以實現(xiàn)

二次排序算法（選擇排序，插入排序）③對哈希表設計?個解決沖突的算法并加以實現(xiàn)

復雜度為O（NlogN）排序算法（快速排序，堆排④討論排序、搜索和哈希的主要算法的計算效率

序，歸并排序）⑤討論那些與計算效率不同的影響算法選擇的其他因素，

哈希（Hash）表，包括沖突消解策略如編程時間、維護和輸人數(shù)據(jù)中的特殊應用模式

二叉查找樹⑥用基本的圖算法解決問題，包括深度優(yōu)先遍歷和廣度優(yōu)

圖的表示（鄰接表，鄰接矩陣）先遍歷，單源最短路徑和所有的最近點對問路徑，傳遞閉

深度優(yōu)先遍歷、廣度優(yōu)先遍歷包，拓撲排序和至少一種最小生成樹算法

最短路徑算法（Dijkstra和Floyd算法）⑦具有算法評價、選擇合適的算法且給出理由以及在指定

傳遞閉包（Floyd算法）程序設計環(huán)境F實現(xiàn)算法的能力

最小生成樹（Prim算法和Kruskal算法）

拓撲排序

AL4分布式算法（核心）

知識點學習目標

一致性和選擇①解釋分布式范例

終止探測②解釋一個簡單分布式算法

容錯③確定何時使用?致性算法或選擇算法

穩(wěn)定性④區(qū)分邏輯時鐘和物理時鐘

⑤描述分布式算法中的事件相對順序

AL5可計算性理論基礎（核心）

知識點學習目標

有限狀態(tài)自動機①討論有限自動機概念

上下文無關文法②解釋上下文無關文法

易解問題和難解問題③設計?個確定的有限狀態(tài)自動機接受指定語言

不可計算函數(shù)④解釋什么叫“?些問題算法不可解”

停機問題⑤舉例說明不可計算性的概念

不可計算性的含義

AL6復雜性類：P類和NP類（選修）

知識點學習目標

P類和NP類的定義①定義P類，NP類

NP完全性②解釋NP完全性的意義

基本的NP完全問題③通過把已知的NP完全問題歸約成要研究的問題來證明

歸約技術要研究的問題是NP完全的

AL7自動機理論（選修）

知識點學習目標

確定的有限自動機（DFA）①確定一個語言在Chomsky文法分類結構中的位置（正則

非確定的有限自動機（NFA）集，上下文無關，上下文有關和遞歸可列枚舉語言）

DFA和NFA的等價性②證明?個語言在?個特定的類中并且不能在低層的類中

正則表達式③語言的轉換，包括在DFA、NFA和正則表達式間以及

正則表達式的泵引理PDA和CFG之間的相互轉換

下推自動機（PDA）④解釋自頂向卜.分析和自底向上分析算法（至少各解釋一

PDA和上下文無關文法的關系種）

上下文無關文法的特性⑤解釋Church-Hiring論題及其重要性

圖靈機

非確定的圖靈機

集合和語言

Chomsky文法分類

Church-TUring論題

AL8高級算法分析（選修）

知識點學習目標

退火算法分析①為未定數(shù)據(jù)結構的退火分析算法提供一種方法及其相應

聯(lián)機算法和脫機算法的函數(shù)

隨機算法②解釋為何競爭分析是聯(lián)機算法的合適度量標準

動態(tài)程序設計③解釋隨機算法在難以用確定算法或確定的算法更難的設

組合優(yōu)化計問題中的作用

④用動態(tài)程序設計方法實現(xiàn)問題求解

AL9加密算法（選修）

知識點學習目標

密碼學史回顧①描述有效的基本數(shù)論算法，包括最大公約數(shù)算法，模n

私鑰密碼和密鑰交換問題的乘法逆元算法和數(shù)的募次算法

公鑰密碼②描述至少一種公鑰密碼系統(tǒng)，包括對安全必需的復雜性

數(shù)字簽名理論的假設

安全協(xié)議③使用現(xiàn)有的協(xié)議和密碼原語，作密碼協(xié)議的簡單擴充

應用（零知識證明，認證系統(tǒng)等等）

AL10幾何算法（選修）

知識點學習目標

線段的性質和線段相交性①描述和給出至少兩個求凸包算法的時間分析

求凸包算法②驗證求凸包算法的復雜度下限是Omega（NlogN）

③描述至少一種其他的有效幾何算法,如找最近點對算法，

求凸層算法，求最大層算法

AL11并行算法（選修）

知識點學習目標

PRAM模型①描述PRAM上鏈表的實現(xiàn)

互斥讀寫與并發(fā)讀寫②用前置并行操作進行簡單的有效并行計算

指針跳轉③解釋Brent定理和有關方面

Brent定理和工作效率

4.2.4計算機組織與體系結構（AR）

1.內容摘要

本課程介紹計算機系統(tǒng)的組織結構，以馮?諾依曼模型作為教學起點，進而介紹較新的

計算機組織結構體系。作為計算機科學與技術專業(yè)的本科生，應當對計算機的內部結構、功

能部件、功能特征、性能以及交互方式有所了解，而不應當把它看作一個執(zhí)行程序的黑盒子。

學生還應當了解計算機的系統(tǒng)結構，以便在編寫程序時能根據(jù)計算機的特征編寫出更加高效

的程序。在選擇計算機產(chǎn)品方面，應當能夠理解各種部件選擇之間的權衡，如CPU、時鐘頻

率和存儲器容量等。

2.知識單元描述

AR1數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)（核心）

知識點學習目標

計算機發(fā)展歷史回顧①描述計算機系統(tǒng)結構從電子管到超大規(guī)模集成電路的發(fā)

基本的組成元件（邏輯門，觸發(fā)器，計數(shù)器，寄展過程

存器，PLA）②展示計算機的基本模塊的工作原理，及其在計算機系統(tǒng)

邏輯表達式，最小化，寄存器傳輸?shù)谋硎?，物發(fā)展中的歷史作用

理特性（門延遲，扇入，扇出）③使用數(shù)學表達式描述簡單的組合電路和時序電路的功能

計算機的基本組成，硬件結構，軟件的概念，④解釋典型的馮?諾依曼機器的結構及其主要功能模塊

計算機語言及其編譯計算機系統(tǒng)結構的概念，⑤用功能模塊設計一個簡單的電路

性能評價

AR2數(shù)據(jù)的機器級表示（核心）

知識點學習目標

數(shù)值表示和數(shù)制①解釋使用不同數(shù)據(jù)表示方式的理由

定點數(shù)和浮點數(shù)系統(tǒng)②解釋原碼和補碼是如何表示負數(shù)的

有符號數(shù)的表示方法和基本運算方法③數(shù)制及其轉換的原理

非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示（如字符代碼和圖象數(shù)據(jù)）④討論定長數(shù)據(jù)表示如何影響數(shù)據(jù)表示的精度

系統(tǒng)可靠性與糾錯碼⑤描述非數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機內部的表示方法

數(shù)據(jù)運算器的結構⑥描述字符、字符串、記錄和數(shù)組在計算機內部的表示方

法

AR3匯編級機器組織（核心）

知識點學習目標

指令格式①概述機器指令和匯編指令的表示方式

數(shù)據(jù)的存儲方式與尋址方式②解釋不同的指令格式，如不同的地址碼數(shù)量和不同的指

指令集及其分類（數(shù)據(jù)操作，控制，輸入輸出）令的長度

子程序調用和返回機制③編寫簡單的匯編語言程序段

匯編語言和機器語言編程基礎④解釋高級語言的結構如何在機器語言層次上表示

⑤解釋在匯編層次上如何實現(xiàn)子程序的調用

AR4存儲系統(tǒng)組織和結構（核心）

知識點學習目標

存儲器件類型及其工作原理①識別存儲技術的主要類型

主存儲器的組織和操作②解釋訪問存儲的時間延遲效應

存儲器的延遲，工作周期，帶寬提高和交叉存③解釋層次化存儲器在減少實際訪存延遲上的應用

儲技術④描述存儲管理的原理

層次化存儲系統(tǒng)⑤描述cache和虛擬存儲器的作用

高速緩沖存儲器（地址映射，塊大小，替換和更⑥解釋具有虛擬存儲器管理的系統(tǒng)的工作原理

新機制）

虛擬存儲器（頁表，TLB快表）

AR5接口和通信（核心）

知識點學習目標

輸入輸出基本原理，信號交換，緩沖存儲①解釋中斷是如何用于實現(xiàn)I/O控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/p>

程序控制I/O,中斷驅動I/O,DMA②認識計算機系統(tǒng)中的各種類型的總線

中斷結構，向量化和優(yōu)先級化，中斷識別③描述從磁盤上進行數(shù)據(jù)訪問的過程

外部存儲器的物理組織及驅動④描述RAID系統(tǒng)結構的優(yōu)點及其實現(xiàn)方法

總線和總線協(xié)議，仲裁機構和直接存儲器存?、菝枋鼋涌谥腥绾沃С侄嗝襟w數(shù)據(jù)的傳輸

（DMA）

多媒體支持

RAID系統(tǒng)結構

AR6功能組織（核心）

知識點學習目標

簡單的數(shù)據(jù)通路實現(xiàn)①解釋指令在典型的馮?諾依曼計算機上的指令過程

控制單元，硬連線實現(xiàn)和微程序實現(xiàn)②解釋中斷的基本概念

指令讀取、解碼和執(zhí)行③比較各種數(shù)據(jù)通路的構成

異常與中斷④討論控制點的概念，以及用硬連線和微程序生成控制信

指令流水技術，指令級并行（ILP）技術與循環(huán)級號的方法

并行技術⑤解釋基本的指令級并行性，及其數(shù)據(jù)相關性

AR7多處理和其他系統(tǒng)結構（核心）

知識點學習目標

SIMD,MIMD,VLIW和EPIC①討論在傳統(tǒng)的馮?諾依曼上進行并行處理的概念

網(wǎng)絡互聯(lián)（超立方體，混洗交換，網(wǎng)格結構，交②描述其他系統(tǒng)結構，如SIMD、MIMD和超長指令字

叉開關結構）③解釋互連網(wǎng)絡的概念以及各種互連網(wǎng)絡結構的特點

共享存儲系統(tǒng)④討論多處理機系統(tǒng)的特殊問題，包括存儲器管理，描述

cache?致性如何解決這些問題

存儲模型和存儲一致性

AR8性能提高技術（選修）

知識點學習目標

超標量體系結構①描述超標量系統(tǒng)結構及其優(yōu)點

分支預測②解釋分支預測的概念及其效果

指令預?、勖枋鲋噶铑A取的代價及其好處

推測執(zhí)行④解釋推測執(zhí)行的原理

多線程⑤討論多線程系統(tǒng)結構的性能優(yōu)勢及其實現(xiàn)上的困難

AR9網(wǎng)絡與分布式系統(tǒng)結構（選修）

知識點學習目標

LAN與WAN①解釋基本的網(wǎng)絡構成原理，以及LAN與WAN的區(qū)別

網(wǎng)絡的分層協(xié)議②討論網(wǎng)絡層次化協(xié)議的設計問題

分布式算法對系統(tǒng)結構的影響③解釋網(wǎng)絡系統(tǒng)與分布式系統(tǒng)的區(qū)別

網(wǎng)絡計算④討論與網(wǎng)絡計算和分布式多媒體有關的問題。

分布式多媒體

4.2.5操作系統(tǒng)（OS）

1.內容摘要

操作系統(tǒng)是硬件性能的抽象，人們通過它來控制硬件。它也進行計算機用戶間的資源分

配工作。這門課主要講述影響現(xiàn)代操作系統(tǒng)設計的各種因素及實際操作。

近些年來操作系統(tǒng)和其抽象機制相對手應用軟件變得更加復雜，這就要求學生在系統(tǒng)學

習內部算法實現(xiàn)和數(shù)據(jù)結構之前對操作系統(tǒng)有比較深入的理解。因而課程設置不僅強調了操

作系統(tǒng)的使用（外部特性），更強調它的設計和實現(xiàn)（內部特性）。操作系統(tǒng)中的許多思想也可用

于計算機的其他領域，如并發(fā)程序設計、算法設計和實現(xiàn)、虛擬環(huán)境的創(chuàng)建、安全系統(tǒng)的創(chuàng)

建及網(wǎng)絡管理等。

2.知識單元描述

OS1操作系統(tǒng)概述（核心）

知識點學習目標

操作系統(tǒng)的作用和目的①闡述現(xiàn)代操作系統(tǒng)的目標和功能

操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史②介紹操作系統(tǒng)如何從最早的批處理系統(tǒng)發(fā)展成為復雜的

操作系統(tǒng)的特征和功能多用戶系統(tǒng)

支持客戶一服務器模型和手提設備的機制③分析操作系統(tǒng)設計中存在的平衡問題

有關有效性、健壯性、靈活性、可移植性、安④介紹最新操作系統(tǒng)在使用方便、運算效率、演化能力方

全性、兼容性的設計問題面的功能

安全性、網(wǎng)絡化、多媒體、視窗所帶來的影響⑤分析討論網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、客戶——服務器操作系統(tǒng)、分

布式操作系統(tǒng)及它們與單用戶操作系統(tǒng)的不同之處

⑥充分認識對操作系統(tǒng)的潛在威脅，以及所需采取的安全

防范措施

⑦介紹公開源程序和Internet的廣泛使用等方面對操作系

統(tǒng)設計帶來的影響

OS2操作系統(tǒng)原理（核心）

知識點學習目標

結構化方法（整體的、分層的、模塊化的、微內①闡述邏輯層的概念

核模型）②闡述在分層模式下建立抽象層的好處

抽象、進程、資源③說明應用程序接口（API）和中間件的需求

應用程序接口（API）的基本概念④解釋計算資源是如何被應用軟件使用，被系統(tǒng)軟件管理

應用的需求以及軟、硬件技術的發(fā)展⑤比較操作系統(tǒng)中的用戶態(tài)和核心態(tài)

設備的組織⑥論述使用中斷處理的優(yōu)缺點

中斷的方法和實現(xiàn)⑦比較幾種構造操作系統(tǒng)結構的方法，如：面向對象、模

用戶系統(tǒng)狀態(tài)及其保護，以及用戶/系統(tǒng)狀態(tài)轉塊化、微內核、分層

換到核心態(tài)的原理⑧論述設備隊列和輸入輸出驅動隊列的用途

OS3并發(fā)性（核心）

知識點學習目標

狀態(tài)和狀態(tài)圖①闡述操作系統(tǒng)框架中的并發(fā)需求

就緒隊列、進程控制塊等的結構②演示由于并行處理多個獨立任務而可能引起運行問題

調度和狀態(tài)轉換③總結可以使用操作系統(tǒng)去實現(xiàn)并發(fā)系統(tǒng)的機制范圍，并

中斷的作用論述它們的優(yōu)點

并發(fā)執(zhí)行的優(yōu)點和缺點④闡述一個任務所要經(jīng)過的各種不同的狀態(tài)和多任務管理

互斥問題和?些解決的方法所需要的數(shù)據(jù)結構

死鎖的產(chǎn)生、條件及其預防措施⑤總結操作系統(tǒng)中互斥問題的各種解決方法

信號量、監(jiān)控、條件變量、聚集的模型和機制⑥解釋在操作系統(tǒng)中為了支持并發(fā)而采用的中斷、分派、

生產(chǎn)者一消費者問題和同步狀態(tài)轉換的理由

多處理器自旋鎖定和重入的問題⑦為簡單問題域建立狀態(tài)圖和轉換圖

⑧討論在管理并發(fā)過程中使用的數(shù)據(jù)結構（如：堆棧，隊列）

⑨論述產(chǎn)生死鎖的條件

OS4調度與分派（核心）

知識點學習目標

搶占和非搶占調度①比較操作系統(tǒng)中采用的搶占和非搶占的任務調度常用算

調度和策略法，比如：優(yōu)先級、性能比較、平均分配

進程和線程②論述調度算法和應用領域的關系

里程碑和實時問題③論述處理器調度的不同類型，如短期、中期、長期和I/O

④論述進程和線程的區(qū)別

⑤比較靜態(tài)和動態(tài)實時調度方法

⑥論述搶占調度和底線調度的需求

⑦找出邏輯上嵌入在調度算法中可用于其他與計算無關的

領域（如磁盤1/0、網(wǎng)絡調度、工程項目調度，以及其他與

計算無關的問題等）的方法

OS5內存管理（核心）

知識點學習目標

物理內存和內存管理硬件的回顧①闡述內存層次和費用一性能折衷

覆蓋、交換、分區(qū)②論述虛擬內存的原理及如何在硬件和軟件中實現(xiàn)

內存分頁和分段③總結適用于高速緩存、內存分頁、分段虛擬內存的原理

分配和淘汰策略④評估內存（主存、高速緩存、輔存）的大小和處理器速度

工作集和系統(tǒng)顛簸的權衡

高速緩存⑤講解分配內存的不同方法，并舉例說明它們各自的優(yōu)點

⑥論述使用高速緩存的原因

⑦比較內存分頁和分段技術

⑧論述系統(tǒng)顛簸的原理、產(chǎn)生的原因以及發(fā)現(xiàn)和解決問題

的技術

⑨分析幾種不同的內存分配技術，包括：覆蓋、交換、分

配和淘汰策略

OS6設備管理（核心）

知識點學習目標

串行和并行設備的特點①闡述串行和并行設備的主要區(qū)別，并且了解在什么情況

設備的分類卜.用哪種設備更合適

緩沖策略②掌握操作系統(tǒng)中的物理硬件和虛擬設備之間的關系

直接存儲器訪問（DMA）③論述緩沖及其實現(xiàn)方法

故障恢復④區(qū)分從設備（包括：手提設備、網(wǎng)絡、多媒體）到計算機

的接口機制，并闡述它們與操作系統(tǒng)設計相關的部分

⑤論述直接內存訪問的優(yōu)點和缺點，并指出其使用的環(huán)境

⑥認識故障恢復的需求

⑦設計一個簡單的設備驅動器程序

OS7安全與保護（核心）

知識點學習目標

系統(tǒng)安全概論①認識安全和保