包邮计算机系统——从应用程序到底层实现

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作者：赵欢杨科华著

出版社：机械工业出版社

本类榜单：教材

分类：教材 > 研究生/本科/专科教材

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ISBN：9787111756439
装帧：平装-胶订
册数：暂无
重量：暂无
开本：16开
页数：286
出版时间：2025-01-01
条形码：9787111756439 ; 978-7-111-75643-9

本书特色

计算机系统能力是指能够利用计算机系统层面的基本原理来构建以计算机技术为核心的应用系统，以及解决实际工程问题的能力。对于计算机专业的学生来说，具备全栈贯通的计算机系统能力迫在眉睫。
本书以提升学生计算机系统能力为目标，从程序员的角度介绍计算机系统的基本原理及底层实现机制。在内容编排上，通过一个自创的原型机系统与编译工具链，建立计算机专业核心课程的衔接关系，帮助学生掌握从源代码到电路级执行全部过程的细节，从而深入理解整个计算机系统。

本书特色：
1.通过一个自创的原型机系统与编译工具链进行知识点的讲解与案例演示，使读者清晰理解代码的底层运行机制，对照数字逻辑电路课程的学习内容，还可以进一步理解指令的电路级行为。
2.本书采用IA-32/x86-64 + Linux + GCC + C 语言平台，包括计算机系统概述、信息的表示与处理、*小系统与原型系统、数据与程序的机器级表示、链接、存储、异常处理、优化、简单CPU设计等内容。基于“快速入门、循序渐进”的原则进行知识点的组织，帮助学生迅速建立整体概念。
　3.针对每个知识点，都提供相应的讲解视频和教学案例，这些教学素材已实际应用于国家级一流本科课程的教学中，取得了良好的效果。

内容简介

本书从程序员的角度来详细说明计算机系统的本质概念，并展示这些概念如何影响应用程序的正确性与性能，强调在实际系统的操作中发现问题、分析问题和解决问题，特别注意引导学生建立“计算机系统”的概念，将程序代码的编写、编译及运行与机器内部特性紧密结合起来。本书将讲解计算机系统中的底层实现过程，引导读者编写更高效的程序，成为更有效率的程序员——能够更有效的找出并消除程序中的bug，能够更好的进行程序性能调忧，并为以后的计算机类“系统级”课程，如编译原理、操作系统、网络原理等的学习打好基础。

前言

前　　言
随着智能技术的飞速发展，计算机系统能力成为解决我国信息技术发展瓶颈和实施大型工程的关键。计算机系统能力是指能够利用计算机系统层面的基本原理来构建以计算机技术为核心的应用系统，以及解决实际工程问题的能力。对于计算机专业的学生来说，具备计算机系统能力是其相对其他非计算机专业学生的一大优势，这一点已得到普遍认可，并已在实践中得到证实。
本书作为“计算机系统”或“计算机系统导论”“计算机系统基础”课程的教材，从程序员的角度说明了计算机系统的基本原理及底层实现机制，期望程序员能够成为：
更有效率的程序员—能有效地找出并消除程序中的bug，更好地进行程序性能调优。
更有“底”气的程序员—能够深入了解计算机系统中的一些底层实现，能够结合计算机的底层实现写出更可靠、更安全的程序。
更为全面的程序员—为后续的计算机“系统”级课程做好准备，提高解决复杂问题、设计复杂系统的能力。前　　言 随着智能技术的飞速发展，计算机系统能力成为解决我国信息技术发展瓶颈和实施大型工程的关键。计算机系统能力是指能够利用计算机系统层面的基本原理来构建以计算机技术为核心的应用系统，以及解决实际工程问题的能力。对于计算机专业的学生来说，具备计算机系统能力是其相对其他非计算机专业学生的一大优势，这一点已得到普遍认可，并已在实践中得到证实。 本书作为“计算机系统”或“计算机系统导论”“计算机系统基础”课程的教材，从程序员的角度说明了计算机系统的基本原理及底层实现机制，期望程序员能够成为： 更有效率的程序员—能有效地找出并消除程序中的bug，更好地进行程序性能调优。 更有“底”气的程序员—能够深入了解计算机系统中的一些底层实现，能够结合计算机的底层实现写出更可靠、更安全的程序。 更为全面的程序员—为后续的计算机“系统”级课程做好准备，提高解决复杂问题、设计复杂系统的能力。 虽然不同计算机系统的硬件和软件千差万别，但计算机系统的构建原理以及在计算机系统上的程序转换和执行机理是相通的，因而，本书仅介绍一种特定计算机系统平台下的相关内容。本书所用的环境为IA-32/x86-64 + Linux + GCC + C 语言。 全书共11章，旨在阐述计算机系统的核心概念。 第1章是计算机系统概论，介绍计算机系统的基本功能和基本组成、程序的开发与执行过程、计算机系统层次结构等内容。 第2章介绍计算机系统是如何用二进制来表示信息的，以及如何通过上下文来将同样的二进制字节序列识别为不同的数据对象。 第3章将实际的计算机系统分别抽象描述成一个*小系统与原型系统，并在这两个系统上讨论程序的执行过程。 第4章介绍汇编语言的概念与特点，并详细讲解了ATT汇编语言的典型指令。 第5章以整数与浮点数为例说明如何利用不同的二进制编码来实现对不同数据的存储和表达。 第6章介绍程序的机器级表示，通过对比C语言代码及其对应的汇编代码，从简单操作与访问、控制、过程、数据结构等多个方面来探索硬件层面的程序行为，从而理解程序在机器中的执行过程。 第7章介绍汇编代码通过链接形成*终的可执行文件的详细过程。 第8章介绍基本的存储技术以及存储器在计算机系统中是如何被组织成层次结构的，在此基础上讨论了程序的局部性问题。 第9章结合进程的生命周期，阐释了源自系统硬件底层及操作系统层面软件形式的异常（信号），及其相关异常处理。 第10章将从虚拟存储器的功能解读开始，阐释虚拟地址的翻译过程、存储器映射，并结合实际案例研究虚拟存储器系统。 第11章探讨如何使用几种不同类型的程序优化技术让程序运行得更快。 此外，附录还介绍了一个简单CPU的设计与实现过程，以及机器级程序（指令）的电路级行为仿真。 本书具体编写分工如下：赵欢、张子兴编写第1章和第2章，杨科华编写第3章和第4章，佘兢克编写第5章和第6章，黄丽达编写第7章、第9章和第10章，肖雄仁编写第8章，谢国琪编写第11章，凌纯清、刘彦编写附录部分，全书由赵欢、杨科华统稿。 本书内容基于“快速入门、循序渐进”的原则，每个知识点都提供了相应的教学视频，读者可以扫描书中的二维码来访问。同时也提供了大量的案例，尽量将每一个知识点融合到具体的案例中，建议读者在阅读本书的过程中按照案例的具体要求进行操作与实践，以加深对各个知识点的理解。 为便于本书教学内容的理解，并利于与先修后续课程“高级语言程序设计”“数字逻辑电路”“汇编语言程序”“计算机组成原理”“操作系统”“编译原理”等的融会贯通，作者通过一个自创的原型机系统与编译工具链来进行演示，使读者可以理解代码的底层运行机制，对照数字逻辑电路课程的学习内容，读者还可以进一步理解指令的电路级行为。但正如前所述，本书主要是为后续的计算机类“系统”级课程做准备，提高读者解决复杂问题、设计复杂系统的能力，因此并没有对这些原理进行深入的阐述，而只对这些内容的联系进行讲解，让读者对计算机系统有整体了解。在后续的“数字系统设计”“操作系统”“编译原理”“计算机体系结构”等课程的学习过程中，读者可以与本书内容相互印证，*终形成比较完整的、密切关联的计算机系统整体概念。

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目　　录
前言
第1章　概论1
1.1　计算机系统的基本功能和基本组成1
1.1.1　计算机系统的基本功能1
1.1.2　计算机硬件2
1.1.3　计算机软件3
1.2　程序的开发与执行过程4
1.2.1　从源程序到可执行程序5
1.2.2　可执行程序的执行过程6
1.2.3　程序中每条指令的执行7
1.3　计算机系统的层次结构9
小结11
第2章　二进制以及信息的组织与表示12
2.1　二进制及进制转换12
2.1.1　二进制的优势12
2.1.2　二进制与其他进制12
2.1.3　进制转换15
2.2　信息的组织与表示17
2.2.1　位、字节、字与双字17
2.2.2　数据与指令18
2.2.3　大小端19
小结19
习题19
第3章　*小系统与原型系统21
3.1　*小系统21
3.1.1　内存21
3.1.2　中央处理器21
3.1.3　*小系统示例22
3.2　原型系统28
小结33
习题33
第4章　ATT汇编语言34
4.1　机器指令、汇编语言与高级语言34
4.2　ATT汇编语言基础知识35
4.2.1　数据格式35
4.2.2　访问信息36
4.2.3　操作数与指示符37
4.2.4　数据传送指令38
4.2.5　算术与逻辑操作41
4.2.6　控制43
小结47
习题47
第5章　数的表示与处理49
5.1　整数的表示49
5.1.1　整型数据类型49
5.1.2　无符号数的编码50
5.1.3　补码编码51
5.1.4　有符号数与无符号数之间
的转换53
5.1.5　扩展与截断55
5.2　整数的运算57
5.2.1　C语言中的相关整型运算57
5.2.2　无符号加法59
5.2.3　补码加法59
5.2.4　无符号乘法61
5.2.5　补码乘法61
5.2.6　除以2的幂62
5.3　浮点数62
5.3.1　二进制小数63
5.3.2　IEEE浮点表示法63
5.3.3　浮点运算66
小结69
习题70
第6章　程序的机器级表示72
6.1　控制72
6.1.1　条件码73
6.1.2　访问条件码73
6.1.3　跳转指令及其编码74
6.1.4　条件分支76
6.1.5　条件传送指令78
6.1.6　循环80
6.1.7　switch语句85
6.2　过程87
6.2.1　栈帧结构88
6.2.2　转移控制89
6.2.3　参数转移91
6.2.4　递归过程95
6.3　数组分配和访问97
6.3.1　基本原则97
6.3.2　多维数组98
6.4　其他数据结构101
6.4.1　结构101
6.4.2　联合104
6.5　存储器越界引用和缓冲区溢出107
小结111
习题111
第7章　链接114
7.1　不应忽略的链接114
7.2　编译系统中的链接器115
7.3　静态链接116
7.4　目标文件117
7.5　可重定位目标文件118
7.6　符号表和符号122
7.7　符号解析124
7.7.1　解析多重定义的符号124
7.7.2　链接静态库126
7.7.3　静态库解析引用的过程129
7.8　重定位130
7.8.1　重定位表项131
7.8.2　重定位符号引用131
7.9　共享库132
小结137
习题138
第8章　存储器层次结构142
8.1　存储技术142
8.1.1　存储器的分类142
8.1.2　半导体存储器143
8.1.3　主存储器144
8.1.4　磁盘存储器152
8.1.5　固态硬盘159
8.1.6　存储技术趋势160
8.2　局部性162
8.2.1　程序数据引用的局部性162
8.2.2　指令引用的局部性164
8.2.3　局部性小结164
8.3　存储器层次结构164
8.3.1　存储器层次结构中的缓存165
8.3.2　概念小结168
8.4　高速缓存169
8.4.1　高速缓存的组织结构169
8.4.2　存储器层次结构的四个问题172
8.4.3　直接映射高速缓存174
8.4.4　组相联高速缓存180
8.4.5　全相联高速缓存181
8.4.6　高速缓存中的写182
8.4.7　Intel Core i7高速缓存层次
结构182
8.4.8　高速缓存的性能指标183
8.4.9　编写高速缓存友好的代码184
小结185
习题185
第9章　异常控制流189
9.1　异常189
9.1.1　异常处理190
9.1.2　异常分类191
9.2　进程193
9.3　进程控制196
9.3.1　获取进程标识符196
9.3.2　进程的创建197
9.3.3　进程的终止200
9.3.4　子进程回收200
9.3.5　加载并运行程序202
9.4　信号203
9.4.1　信号术语205
9.4.2　信号的发送206
9.4.3　信号的接收209
小结210
习题210
第10章　虚拟存储215
10.1　地址空间215
10.1.1　物理地址空间215
10.1.2　虚拟地址空间216
10.2　虚存的功能216
10.2.1　虚存的缓存功能216
10.2.2　虚存的存储管理功能222
10.2.3　虚存的存储保护功能223
10.3　从虚拟地址到物理地址224
10.3.1　高速缓存结合虚拟存储器225
10.3.2　快表225
10.3.3　多级页表226
10.3.4　重看寻址过程227
10.4　Linu

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作者简介

赵欢，湖南大学二级教授、博士生导师，岳麓学者领军岗，湖南省芙蓉教学名师，宝钢优秀教师特等奖、霍英东教育基金会首屈教育教学奖、-华为“智能基座”优秀教师和高校计算机专业优秀教师奖励计划获得者。国家级一流本科专业、国家级一流本科课程、国家精品课程和国家级精品资源共享课负责人，牵头的教学成果获2022年国家级教学成果二等奖，主编国家级规划教材8本。带领团队长期致力于计算机系统能力培养教育教学改革，牵头的“鲲鹏计算机系统能力培养课程群虚拟教研室”获虚拟教研室建设试点，负责的“计算机系统”课程获首批国家级一流本科课程。
杨科华，湖南大学副教授、博士生导师，长期致力于计算机系统能力培养教育教学改革，湖南省一流本科课程、华为智能基座金课负责人，首批华为开发者布道师，获湖南大学优秀教师、湖南大学教学优秀奖等奖项。开发了miniCC工具链、VSPM原型机等教学案例，入选“101计划”实践平台成果手册。

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