🎯 学习目标

• 主线：从硬件体系结构到 Linux 内核源码的系统性掌握
• 覆盖：（计组 →OS→ 数据结构 → 计网）完整知识体系
• 深度：硬件原理到软件实现，底层机制到上层应用

📅 整体时间规划

• 阶段一：硬件基础（3-4 个月）- 计算机组成原理

• 阶段二：系统软件（3-4 个月）- 操作系统 + Linux 内核

• 阶段三：算法基础（2-3 个月）- 数据结构 + Linux 内核数据结构

• 阶段四：网络系统（2-3 个月）- 计算机网络 + Linux 网络栈

• 阶段五：综合实战（1-2 个月）- 项目实践 + 408 冲刺

🔧 阶段一：硬件基础 - 计算机组成原理（3-4 个月）

1.1 数字逻辑与电路基础

理论学习：

• 数字电路、布尔代数、逻辑门电路
• 组合逻辑电路、时序逻辑电路
• 编码器、译码器、多路选择器
• 触发器、寄存器、计数器

硬件实践：

• 使用 Logisim/Digital 搭建简单 CPU
• Verilog HDL 基础实验
• FPGA 开发板实验（可选）

1.2 计算机硬件系统

CPU 体系结构：

• 冯·诺依曼体系结构 vs 哈佛体系结构
• CISC vs RISC 指令集架构
• x86/x64 体系结构深入分析
• ARM 体系结构对比学习

指令系统：

• 机器指令格式、寻址方式
• 指令类型：数据传输、运算、控制转移
• 汇编语言与机器语言对应关系
• RISC-V 指令集学习（开源架构）

Linux 结合：

• 分析 Linux 在 x86 架构上的启动过程
• 理解 Linux 内核的架构相关代码(arch/x86/)
• 学习内联汇编在 Linux 内核中的使用

1.3 处理器设计原理

CPU 内部结构：

• 运算器（ALU）设计原理
• 控制器设计：硬布线 vs 微程序控制
• 寄存器组织、程序计数器、状态寄存器
• 指令流水线设计与优化

高级 CPU 技术：

• 超标量、超流水线技术
• 分支预测、乱序执行
• 多核处理器架构
• 缓存一致性协议

实践项目：

• 设计并实现简单的 CPU 模拟器
• 分析 Linux 内核中的 SMP（对称多处理）支持
• 研究 Linux 调度器如何利用多核架构

1.4 存储器系统

存储器层次结构：

• CPU 寄存器、高速缓存、主存、辅存
• 缓存设计：直接映射、组相联、全相联
• 缓存替换算法：LRU、FIFO、随机替换
• 写策略：写回 vs 写直达

主存储器：

• SRAM vs DRAM 工作原理
• 内存控制器设计
• 虚拟存储器概念引入
• 内存映射 I/O 机制

Linux 内存管理基础：

• 分析/proc/cpuinfo和/proc/meminfo
• 理解 Linux 内存布局
• 学习内存屏障和缓存同步

1.5 输入输出系统

I/O 接口技术：

• I/O 端口编址方式
• 程序查询、中断、DMA 三种 I/O 方式
• 中断系统设计：中断向量、中断优先级
• 总线系统：系统总线、I/O 总线

存储设备原理：

• 机械硬盘结构与工作原理
• 固态硬盘（SSD）技术
• 磁盘调度算法：FCFS、SSTF、SCAN 等

Linux 设备管理预览：

• Linux 设备模型概述
• 字符设备 vs 块设备概念
• 中断处理机制初步理解

💻 阶段二：系统软件 - 操作系统 + Linux 内核（3-4 个月）

2.1 操作系统核心理论（408 重点）

基础概念：

• 操作系统定义、功能、分类
• 系统调用机制与用户态/内核态切换
• 操作系统内核结构：宏内核 vs 微内核

关键机制：

• 中断和异常处理机制
• 系统引导过程详解
• 内核数据结构设计

2.2 进程管理深入

进程理论：

• 进程概念、进程控制块（PCB）
• 进程状态转换图
• 进程创建、终止、切换机制
• 线程概念与实现模型

进程调度：

• 调度算法：FCFS、SJF、RR、优先级调度
• 多级反馈队列调度
• 实时调度算法
• 多处理器调度

Linux 进程管理实战：

• 分析task_struct结构体
• 进程创建：kernel/fork.c源码分析
• CFS（完全公平调度器）原理与实现
• Linux 进程调度类（scheduling classes）

2.3 进程同步与通信

同步理论：

• 临界区、竞态条件、原子操作
• 互斥锁、信号量、条件变量
• 经典同步问题：生产者消费者、读者写者、哲学家就餐

进程间通信：

• 管道、命名管道（FIFO）
• 消息队列、共享内存、信号量
• 信号机制详解
• Socket 进程间通信

Linux 同步机制：

• Linux 内核同步原语：spinlock、mutex、semaphore
• RCU（读-复制-更新）机制
• 内核抢占与 SMP 安全
• futex（快速用户态互斥体）实现

2.4 内存管理系统

内存管理理论：

• 内存分配策略：连续分配、分页、分段
• 虚拟内存机制：请求分页、页面置换
• 页面置换算法：FIFO、LRU、Clock 算法
• 工作集理论与局部性原理

Linux 内存管理：

• Linux 虚拟内存布局
• 页面分配器：伙伴算法实现
• Slab 分配器原理与实现
• 内存映射与页表管理
• OOM（内存不足）处理机制

2.5 文件系统

文件系统理论：

• 文件概念、文件属性、文件操作
• 目录结构：单级、两级、树形、图形目录
• 文件分配方法：连续、链接、索引分配
• 磁盘空间管理：空闲表、位图、链表

Linux 文件系统：

• VFS（虚拟文件系统）架构
• ext4 文件系统详解
• 文件缓存机制（page cache）
• 日志文件系统原理

📊 阶段三：算法基础 - 数据结构 + Linux 内核数据结构（2-3 个月）

3.1 基础数据结构与 Linux 实现

线性结构：

• 数组与链表：Linux 内核链表实现分析（list.h）
• 栈与队列：内核中的栈使用（中断栈、进程栈）
• 字符串处理：内核字符串操作函数

Linux 内核链表深入：

• 侵入式链表设计哲学
• list_head结构体巧妙设计
• 双向链表操作宏定义分析
• RCU 保护的链表操作

3.2 树形结构与内核应用

二叉树理论：

• 二叉搜索树、AVL 树、红黑树
• B 树、B+树（数据库索引常用）
• Trie 树（前缀树）应用

Linux 内核中的树结构：

• 红黑树：rbtree.c实现分析，CFS 调度器中的应用
• 基数树：页面缓存中的基数树使用
• B+树索引：ext4 文件系统目录索引

实践项目：

• 实现红黑树并对比内核实现
• 分析 CFS 如何使用红黑树管理进程

3.3 哈希表与 Linux 实现

哈希理论：

• 哈希函数设计
• 冲突解决：开放寻址、链地址法
• 动态哈希表扩容机制

Linux 内核哈希表：

• 内核哈希表实现（hashtable.h）
• 进程哈希表：PID 到 task_struct 的映射
• 页面缓存中的哈希应用
• 网络协议栈中的哈希表使用

3.4 高级数据结构

图结构与算法：

• 图的存储表示
• 深度优先搜索（DFS）、广度优先搜索（BFS）
• 最短路径算法：Dijkstra、Floyd 算法
• 最小生成树：Prim、Kruskal 算法

Linux 网络中的图算法：

• 路由表实现与最短路径
• 网络拓扑发现算法

排序算法深入：

• 内排序算法复杂度分析
• 外排序算法设计
• Linux 内核排序函数分析

🌐 阶段四：网络系统 - 计算机网络 + Linux 网络栈（2-3 个月）

4.1 网络协议基础理论

网络体系结构：

• OSI 七层模型 vs TCP/IP 四层模型
• 协议栈设计原理
• 网络服务质量（QoS）概念

物理层与数据链路层：

• 信号传输、调制解调
• 以太网协议、MAC 地址
• 交换机工作原理、VLAN 技术
• PPP 协议、HDLC 协议

4.2 网络层深入分析

IP 协议详解：

• IPv4 报文格式、地址分类
• 子网划分与 CIDR
• IPv6 协议特点与迁移
• NAT 技术原理与实现

路由算法：

• 距离向量算法（RIP）
• 链路状态算法（OSPF）
• 边界网关协议（BGP）
• 路由表查找算法优化

Linux 网络层实现：

• IP 报文处理流程分析
• 路由表实现：net/ipv4/route.c
• netfilter 框架与 iptables
• 网络命名空间实现

4.3 传输层核心机制

TCP 协议深入：

• TCP 报文段格式详解
• 连接建立：三次握手机制
• 连接释放：四次挥手过程
• 流量控制：滑动窗口机制
• 拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传

UDP 协议分析：

• UDP 特点与适用场景
• UDP 报文格式
• UDP 与 TCP 性能对比

Linux 传输层实现：

• Socket 层实现分析
• TCP 状态机在内核中的实现
• TCP 拥塞控制算法：Cubic、BBR 等
• 高性能网络 I/O：epoll 实现原理

4.4 应用层协议与编程

常用应用层协议：

• HTTP/HTTPS 协议详解
• DNS 域名解析系统
• SMTP/POP3/IMAP 邮件协议
• FTP 文件传输协议

Linux 网络编程实战：

• Socket 编程：TCP/UDP 服务器实现
• 高并发服务器模型：多进程、多线程、异步 I/O
• 网络性能优化技术
• 负载均衡与反向代理实现

🚀 阶段五：综合实战 - 项目实践 + 408 冲刺（1-2 个月）

5.1 大型项目实践

项目一：简化操作系统内核

• 实现基本的进程调度器
• 设计简单的内存管理系统
• 实现基本的文件系统
• 支持基本的系统调用

项目二：网络协议栈实现

• 用户态 TCP/IP 协议栈实现
• 支持基本的 Socket 接口
• 实现 ARP、ICMP 协议
• 性能测试与优化

项目三：分布式存储系统

• 设计分布式文件系统
• 实现数据分片与复制
• 一致性哈希算法应用
• 故障检测与恢复机制

5.2 Linux 内核贡献准备

内核开发环境：

• 内核编译与调试环境搭建
• Git 版本控制与内核补丁制作
• 内核编码规范学习
• 邮件列表参与方式

内核模块开发：

• 高级字符设备驱动
• 块设备驱动开发
• 网络设备驱动
• 内核调试技术

5.3 408 考研冲刺复习

知识体系梳理：

• 四门课程核心概念总结
• 跨学科知识点关联分析
• 高频考点专项突破
• 计算题型专项训练

应试技巧训练：

• 历年真题套题练习
• 时间分配策略制定
• 答题规范与技巧
• 模拟考试与查漏补缺

📚 学习资源

硬件基础书籍

• 《计算机组成原理》- 唐朔飞（408 考试指定）
• 《深入理解计算机系统》(CSAPP) - 必读经典
• 《计算机体系结构：量化研究方法》- Patterson & Hennessy
• 《数字设计和计算机体系结构》- Harris & Harris

操作系统与 Linux

• 《计算机操作系统》- 汤小丹（408 考试）
• 《操作系统概念》- Silberschatz（经典教材）
• 《深入理解 Linux 内核》- Bovet & Cesati
• 《Linux 内核设计与实现》- Robert Love
• 《Linux 设备驱动程序》- Rubini

数据结构与算法

• 《数据结构》- 严蔚敏（408 考试）
• 《算法导论》- CLRS（算法圣经）
• 《数据结构与算法分析》- Weiss

计算机网络

• 《计算机网络》- 谢希仁（408 考试）
• 《TCP/IP 详解》三卷本 - Stevens（网络编程经典）
• 《计算机网络：自顶向下方法》- Kurose

在线资源

• Linux 内核官方：kernel.org
• 内核开发社区：LWN.net
• 在线源码浏览：elixir.bootlin.com
• RISC-V 学习：riscv.org
• 开源硬件设计：opencores.org

🛠️ 实验环境搭建

硬件仿真环境

• CPU 设计：Logisim-Evolution、Digital
• FPGA 开发：Vivado、Quartus（可选）
• 硬件调试：GDB + QEMU

Linux 开发环境

• 虚拟机：QEMU/KVM、VMware
• 容器：Docker 开发环境
• 调试工具：GDB、SystemTap、perf、ftrace
• 源码管理：Git、Vim/VSCode

网络实验环境

• 网络仿真：Mininet、GNS3
• 抓包分析：Wireshark、tcpdump
• 性能测试：iperf3、netperf

🎯 学习方法建议

硬件到软件的渐进式学习

1. 硬件基础扎实：深入理解硬件原理，为软件学习打基础
2. 理论结合实践：每个概念都要有对应的 Linux 实现分析
3. 源码驱动学习：通过阅读源码加深对理论的理解
4. 项目验证知识：通过实际项目检验学习成果

系统性思维培养

• 层次化思考：理解各层之间的接口和交互
• 全栈视野：从硬件到应用的完整技术栈理解
• 性能意识：时刻考虑性能影响因素
• 工程实践：注重可维护性和可扩展性

🏆 预期学习成果

完成这个学习路线后，将获得：

理论深度

• 408 考研：四门课程的深入理解和应试能力
• 系统原理：从硬件到软件的完整知识体系
• 性能优化：基于硬件特性的软件优化能力

实践能力

• 内核开发：Linux 内核模块和驱动开发能力
• 系统编程：高性能系统软件开发能力
• 网络编程：大规模网络应用开发能力
• 性能调优：系统级性能分析和优化能力