计算机系统基础

出版者:机械工业出版社

作者:袁春风

页数:370

出版时间:2014-7-1

价格:CNY 49.00

装帧:平装

isbn号码:9787111464778

丛书系列:计算机类专业系统能力培养系列教材

具体描述

《计算机类专业系统能力培养系列教材:计算机系统基础》主要介绍与计算机系统相关的核心概念，解释这些概念如何相互关联并最终影响程序执行的结果和性能。共分8章，主要内容包括数据的表示和运算、程序的转换及机器级表示、程序的链接、程序的执行、存储器层次结构、虚拟存储器、异常控制流和I/O操作的实现等。内容详尽，反映现实，概念清楚，通俗易懂，实例丰富，并提供大量典型习题供读者练习。本书可以作为计算机专业本科或大专院校学生计算机系统方面的基础性教材，也可以作为有关专业研究生或计算机技术人员的参考书。

作者简介

袁春风，南京大学计算机科学与技术系教授。主要研究领域为大数据计算与并行处理技术、Web信息检索与文本挖掘技术、多媒体文档处理等。在相关领域承担科研项目30多项，发表论文60多篇，在Web信息处理方面获专利近10项，两次获江苏省科技进步二等奖，并获江苏省优秀软件一等奖。主持的“计算机组成原理”和“计算机组成与系统结构”课程被遴选为国家级精品课程、国家级精品资源共享课、江苏省精品课程、教育部-微软精品课程；所负责的“计算机组成与系统结构”课程网站获得江苏省优秀多媒体课件特等奖；独立编写普通高等教育“十一五”国家级规划教材《计算机组成与系统结构》以及《计算机组成与系统结构习题解答与教学指导》，该教材被遴选为江苏省精品教材；所承担的课程群被遴选为江苏省优秀课程群；所负责的“计算机系统专业课程体系”被遴选为2013年教育部-英特尔公司产学合作专业综合改革项目；作为主要成员获2013年江苏省教学成果特等奖。

目录信息

丛书序言
序言
前言
第一部分系统概述和可执行目标文件的生成
第1章计算机系统概述2
1.1计算机的发展历程2
1.1.1电子计算机的诞生2
1.1.2第一代计算机2
1.1.3第二代计算机3
1.1.4第三代计算机3
1.1.5第四代计算机4
1.2计算机系统的基本功能和基本组成5
1.2.1计算机系统的基本功能5
1.2.2计算机硬件6
1.2.3计算机软件10
1.3程序开发与执行过程11
1.3.1从源程序到可执行程序11
1.3.2可执行文件的启动和执行12
1.3.3程序中每条指令的执行13
1.4计算机系统的层次结构15
1.4.1计算机系统抽象层的转换15
1.4.2计算机系统的不同用户17
1.5计算机系统性能评价19
1.5.1计算机性能的定义19
1.5.2计算机性能的测试19
1.5.3用指令执行速度进行性能评估21
1.5.4用基准程序进行性能评估23
1.6本书的主要内容和组织结构24
1.7小结26
习题27
第2章数据的机器级表示与处理29
2.1数制和编码29
2.1.1信息的二进制编码29
2.1.2进位计数制31
2.1.3定点与浮点表示35
2.1.4定点数的编码表示35
2.2整数的表示40
2.2.1无符号整数和带符号整数的表示40
2.2.2C语言中的整数及其相互转换41
2.3浮点数的表示43
2.3.1浮点数的表示范围43
2.3.2浮点数的规格化44
2.3.3IEEE754浮点数标准44
2.3.4C语言中的浮点数类型48
2.4十进制数的表示50
2.4.1用ASCII码字符表示50
2.4.2用BCD码表示50
2.5非数值数据的编码表示51
2.5.1逻辑值51
2.5.2西文字符51
2.5.3汉字字符52
2.6数据的宽度和存储54
2.6.1数据的宽度和单位54
2.6.2数据的存储和排列顺序55
2.7数据的基本运算58
2.7.1按位运算和逻辑运算59
2.7.2左移运算和右移运算59
2.7.3位扩展运算和位截断运算61
2.7.4整数加减运算61
2.7.5整数乘除运算65
2.7.6常量的乘除运算67
2.7.7浮点数运算69
2.8小结73
习题74
第3章程序的转换及机器级表示82
3.1程序转换概述82
3.1.1机器指令及汇编指令83
3.1.2指令集体系结构84
3.1.3生成机器代码的过程84
3.2IA—32指令系统概述88
3.2.1数据类型及其格式89
3.2.2寄存器组织和寻址方式90
3.3IA—32常用指令类型及其操作95
3.3.1传送指令95
3.3.2定点算术运算指令98
3.3.3按位运算指令101
3.3.4控制转移指令102
3.3.5x87浮点处理指令107
3.3.6MMX／SSE指令集108
3.4C语言程序的机器级表示110
3.4.1过程调用的机器级表示110
3.4.2选择语句的机器级表示121
3.4.3循环结构的机器级表示125
3.5复杂数据类型的分配和访问128
3.5.1数组的分配和访问128
3.5.2结构体数据的分配和访问132
3.5.3联合体数据的分配和访问135
3.5.4数据的对齐137
3.6越界访问和缓冲区溢出138
3.6.1缓冲区溢出攻击139
3.6.2缓冲区溢出攻击的防范141
3.7兼容IA—32的64位系统143
3.7.1x86—64的发展简史143
3.7.2x86—64的基本特点144
3.7.3x86—64的基本指令和对齐144
3.8小结150
习题151
第4章程序的链接165
4.1编译、汇编和静态链接165
4.1.1编译和汇编165
4.1.2可执行目标文件的生成166
4.2目标文件格式168
4.2.1ELF目标文件格式168
4.2.2可重定位目标文件格式170
4.2.3可执行目标文件格式171
4.3符号表和符号解析173
4.3.1符号和符号表173
4.3.2符号解析176
4.3.3与静态库的链接179
4.4重定位181
4.4.1重定位信息182
4.4.2重定位过程182
4.5可执行文件的加载186
4.6动态链接188
4.6.1动态链接的特性188
4.6.2程序加载时的动态链接188
4.6.3程序运行时的动态链接190
4.7小结191
习题192
第二部分可执行目标文件的运行
第5章程序的执行200
5.1程序执行概述200
5.1.1程序及指令的执行过程200
5.1.2CPU的基本功能和组成202
5.1.3打断程序正常执行的事件204
5.2数据通路基本结构和工作原理205
5.2.1数据通路基本结构205
5.2.2数据通路的时序控制206
5.2.3数据通路基本工作原理208
5.3流水线方式下指令的执行213
5.3.1指令流水线的基本原理213
5.3.2适合流水线的指令集特征217
5.3.3CISC和RISC风格指令集217
5.3.4指令流水线的实现220
5.3.5高级流水线实现技术224
5.4小结225
习题226
第6章层次结构存储系统229
6.1存储器概述229
6.1.1存储器的分类229
6.1.2主存储器的组成和基本操作231
6.1.3存储器的主要性能指标231
6.1.4各类存储元件的特点232
6.1.5存储器的层次结构233
6.2主存与CPU的连接及其读写操作233
6.2.1主存模块的连接和读写操作233
6.2.2“装入”指令和“存储”指令操作过程237
6.3磁盘存储器238
6.3.1磁盘存储器的结构238
6.3.2磁盘存储器的性能指标240
6.3.3磁盘存储器的连接242
6.3.4固态硬盘243
6.4高速缓冲存储器244
6.4.1程序访问的局部性244
6.4.2cache的基本工作原理246
6.4.3cache行和主存块的映射248
6.4.4cache中主存块的替换算法253
6.4.5cache一致性问题254
6.4.6影响cache性能的因素255
6.4.7IA—32的cache结构举例257
6.4.8cache和程序性能258
6.5虚拟存储器261
6.5.1虚拟存储器的基本概念262
6.5.2虚拟地址空间263
6.5.3虚拟存储器的实现264
6.5.4存储保护271
*6.6IA—32／Linux中的地址转换272
6.6.1逻辑地址到线性地址的转换272
6.6.2线性地址到物理地址的转换277
6.7小结280
习题280
第7章异常控制流287
7.1进程与进程的上下文切换287
7.1.1程序和进程的概念287
7.1.2进程的逻辑控制流288
7.1.3进程的上下文切换290
7.1.4进程的私有地址空间291
7.1.5程序的加载和运行293
7.2异常和中断295
7.2.1基本概念295
7.2.2异常的分类296
7.2.3中断的分类300
7.2.4异常和中断的响应过程301
？7.2.5IA—32的中断向量表303
？7.2.6IA—32的中断描述符表303
？7.2.7IA—32中异常和中断的处理305
？7.2.8Linux对异常和中断的处理306
？7.2.9IA—32／Linux的系统调用309
7.3小结312
习题312
第8章I／O操作的实现315
8.1I／O子系统概述315
8.2用户空间I／O软件318
8.2.1用户程序中的I／O函数319
8.2.2文件的基本概念320
8.2.3系统级I／O函数322
8.2.4C标准I／O库函数324
8.2.5用户程序中的I／O请求328
8.3I／O硬件与软件的接口330
8.3.1I／O设备330
8.3.2设备控制器331
8.3.3I／O端口及其编址333
8.3.4I／O控制方式334
8.4内核空间I／O软件341
8.4.1与设备无关的I／O软件341
8.4.2设备驱动程序343
8.4.3中断服务程序344
8.5小结346
习题347
附录A数字逻辑电路基础352
附录Bgcc的常用命令行选项366
附录CGDB的常用命令368
参考文献371
· · · · · · (收起)

用户评价

翻开《计算机系统基础》这本书，我的第一感觉是，这不像我之前看过的很多计算机技术书籍那样，一开始就抛出一大堆晦涩难懂的术语，然后逼着你硬啃。这本书的切入点非常巧妙，它从最基础的“信息”这个概念开始讲起，然后一步步地引申到计算机是如何处理和存储这些信息的。我印象最深的是它在介绍二进制和数字表示法的时候，作者并没有直接告诉你“计算机用二进制”，而是通过一些生活化的例子，比如电灯的开关、硬币的正反面，来类比二进制的0和1，让你很容易就能理解为什么计算机要使用二进制。而且，它还详细地解释了不同进制之间的转换，以及数字在计算机内部是如何存储的，这对于理解数据的本质非常有帮助。接着，在讲到数据表示的章节，它不仅涵盖了整数、浮点数的表示，还涉及到了字符编码（比如ASCII和Unicode），这一点我非常赞赏。因为在实际编程中，我们经常会遇到乱码问题，而乱码的根源往往就在于对字符编码理解不清。这本书花了很大的篇幅来讲解这些编码的原理和历史，让我对这个问题有了更深入的认识。此外，它在介绍逻辑门和组合逻辑电路的部分，也是循序渐进，从最简单的AND、OR、NOT门开始，然后逐步构建更复杂的电路，比如加法器、寄存器。这部分虽然涉及一些硬件知识，但作者的讲解非常清晰，即使是没有电子工程背景的读者，也能轻松理解。这本书的排版也很舒服，图文并茂，关键的公式和概念都有清晰的解释和推导，阅读起来不会觉得枯燥乏味。我特别喜欢它在每章的结尾都会有总结性的回顾，以及一些拓展阅读的建议，这对于巩固学习成果非常有益。

这本书，嗯，怎么说呢，拿到手的时候，感觉还挺厚实的，封面设计也挺简洁大方的，第一眼看过去就觉得“嗯，这应该是一本讲干货的书”。我一直对计算机底层的东西挺感兴趣的，但是又觉得无从下手，很多概念都模模糊糊的，比如内存、CPU、操作系统之间的关系，这些东西在平常写代码的时候虽然感觉不到，但总觉得不理解透彻的话，就像隔了一层窗户纸，永远无法深入。所以，当我看到《计算机系统基础》这本书的时候，就抱着一种“这次一定要搞懂”的心态，把它从书架上请了回来。拿到书的那几天，我几乎是废寝忘食地在看，每读一章，都会有一种豁然开朗的感觉。作者的语言风格很独特，不是那种枯燥乏味的教科书式的讲解，而是用一种很生动、很有条理的方式，把一些复杂的技术概念拆解开来，再一点点地拼凑起来，让你看的时候感觉就像在听一个经验丰富的老师傅在给你讲故事，而且这个故事还特别有逻辑性。比如说，在讲到CPU的工作原理时，作者并没有直接丢给你一堆术语，而是先从一个很小的、大家都能理解的场景切入，然后慢慢引入指令、寄存器、流水线这些概念，让你在不知不觉中就把这些东西都给吸收进去了。而且，这本书的例子也特别贴切，不是那种空中楼阁式的理论，而是结合了很多实际的例子，让你能体会到这些底层原理是如何影响我们日常使用的软件的。我尤其喜欢它在讲操作系统部分时，对进程、线程、内存管理这些概念的梳理，简直是把我之前那些混乱的认识完全颠覆了，让我觉得原来操作系统并没有那么高深莫测，只要掌握了核心的原理，一切都变得清晰明了。总的来说，这本书给我带来的不仅仅是知识的增长，更是一种学习方法的启发，让我以后再遇到类似的学习任务时，知道该如何去入手，如何去构建自己的知识体系。

说实话，在阅读《计算机系统基础》之前，我对“程序是如何被翻译成机器能理解的代码”这个问题并没有一个清晰的概念。这本书在这方面的内容，简直是为我打开了新世界的大门。它从源代码到机器码的转换过程，从词法分析、语法分析、语义分析，再到代码生成和优化，每一个环节都讲解得非常细致。我尤其喜欢它在介绍编译器的部分，它并没有过于深入到编译器内部的实现细节，而是着重于讲解编译器的基本原理和它的各个阶段所做的工作。比如，它解释了抽象语法树（AST）的作用，以及为什么它在编译器中如此重要。这让我明白，即使是编写简单的程序，背后也经历了一个复杂而精巧的转换过程。更让我印象深刻的是，这本书在讲解“链接”和“加载”这两个概念时，它详细说明了目标文件、可重定位目标文件、共享库这些概念，以及链接器是如何将这些文件组合成最终可执行文件的。这解决了我在实际开发中经常遇到的“未定义引用”等链接错误的一些根本原因。而且，它还讲解了加载器是如何将可执行文件加载到内存中，并进行初始化的。这让我对程序从硬盘到内存，再到CPU执行的整个生命周期都有了一个完整的认识。这本书的逻辑非常严谨，每一步的讲解都建立在前一步的基础上，让人感觉非常顺畅，不会有那种“为什么突然讲到这里”的困惑。

我对《计算机系统基础》这本书在“内存系统”部分的内容非常满意。在读这本书之前，我对内存的理解仅仅停留在“存储数据的地方”，但这本书让我认识到，内存系统是一个多层次、多维度的复杂结构。它从最底层的“存储器芯片”开始讲起，介绍了DRAM和SRAM的工作原理，以及它们在容量、速度和成本上的权衡。接着，它详细阐述了“内存层次结构”，从CPU寄存器，到高速缓存（L1、L2、L3 Cache），再到主内存（RAM），以及最后的二级存储（硬盘）。作者通过形象的比喻和大量的图解，让我对这些不同层级的存储器是如何协同工作，以最优化的方式为CPU提供数据有了清晰的认识。我尤其欣赏它在讲解“高速缓存”时，详细介绍了缓存的组织方式（直接映射、全相联、组相联），以及缓存替换策略（LRU等）。这让我理解了为什么某些程序会因为缓存未命中而导致性能下降。此外，这本书还深入讲解了“虚拟内存”的概念，包括页表、页错误、以及进程隔离等内容。它解释了操作系统是如何通过虚拟内存来管理物理内存，以及为什么虚拟内存能够让程序使用比实际物理内存更大的地址空间。这对于理解操作系统如何调度和管理进程至关重要。

不得不说，《计算机系统基础》这本书的整体架构设计得非常出色。它没有采用那种“流水账”式的技术堆砌，而是将计算机系统这个庞大的概念，分解成了一个个相对独立的模块，然后又将这些模块有机地联系起来，形成一个完整的体系。我一开始对“指令集架构”这个概念感到非常困惑，总觉得它只是一个抽象的概念，离我们实际的编程生活很远。但是，这本书通过讲解指令的格式、寻址方式、以及CPU如何执行指令，让我对指令集架构有了全新的认识。它解释了为什么不同的CPU会有不同的指令集，以及这些指令集是如何影响程序运行效率的。这部分的内容，对于理解程序是如何被CPU执行的，起到了至关重要的作用。更让我惊喜的是，这本书在讲解“处理器”部分时，不仅仅停留在CPU的宏观结构，还深入到了流水线、分支预测、缓存这些更底层的概念。作者通过生动的比喻和详细的图解，让我明白了CPU是如何通过这些技术来提高执行效率的。比如，它在解释流水线时，用了工厂生产线的例子，非常形象地说明了指令执行的并行性。而且，这本书对于“内存系统”的讲解也同样出色，它详细介绍了内存的层次结构，从寄存器到高速缓存，再到主内存，以及它们之间的工作原理和配合方式。它还讲解了虚拟内存的概念，以及页表的作用，这对于理解操作系统如何管理内存至关重要。这本书的语言风格也很有特色，不像是那种死板的教科书，而是充满了作者的思考和见解，读起来非常有启发性。

坦白说，《计算机系统基础》这本书在关于“处理器”的讲解上，给我带来了很多惊喜。我之前对CPU的理解，仅限于它是一个“处理数据的芯片”，但这本书让我看到了CPU内部更加精密的运作机制。它从指令集架构（ISA）开始，详细介绍了不同类型的指令（数据传输、算术逻辑、控制转移等），以及它们是如何被编码和执行的。作者的讲解非常系统，让我明白了CPU并不是简单地一条一条地执行指令，而是通过流水线、分支预测、乱序执行等技术来提高效率。我尤其喜欢它在讲解“流水线”时，用了工厂生产线的比喻，将指令的五个阶段（取指、译码、执行、访存、写回）形象地展示出来，让我对指令的并行处理有了直观的理解。而且，它还详细介绍了“分支预测”和“乱序执行”这两个重要的技术，解释了它们是如何解决流水线中的冲突，进一步提升CPU的性能。这部分内容对于理解现代CPU的设计思路至关重要。此外，这本书还深入讲解了“高速缓存（Cache）”的工作原理，包括它的层次结构（L1、L2、L3 Cache），以及缓存命中和缓存未命中的概念。作者通过详细的图解和例子，让我明白了缓存是如何通过存储常用数据来减少CPU访问主内存的时间，从而提高整体性能的。这本书的讲解逻辑清晰，循序渐进，即使是初学者也能轻松理解这些复杂的概念。

这本书在“操作系统基础”的讲解上，可以说是给我带来了很多启发。我之前总是把操作系统看作是一个“黑盒子”，只知道它负责管理硬件，运行程序，但具体它是怎么做的，以及其中的原理是什么，我一直没有一个清晰的概念。这本书从“进程”和“线程”的概念入手，详细解释了它们之间的区别和联系，以及操作系统是如何创建、调度和管理这些进程和线程的。作者的讲解非常生动，它通过形象的比喻，让我理解了进程上下文切换的开销，以及为什么线程比进程更轻量。我尤其喜欢它在讲解“进程同步”时，对互斥锁、信号量等同步机制的详细介绍，这对于避免竞态条件和死锁至关重要。而且，这本书还深入讲解了“内存管理”部分，包括虚拟内存、页表、页面置换算法等内容。它解释了操作系统是如何为每个进程分配独立的地址空间，以及如何通过页面置换算法来管理物理内存。这让我明白了为什么程序可以运行得比物理内存还大的空间。此外，这本书还介绍了“文件系统”的组织结构，包括文件、目录、inode等概念，以及文件系统的操作（创建、删除、读写）。这让我对数据如何在磁盘上被组织和访问有了更深入的理解。

《计算机系统基础》这本书的“I/O系统”部分，可以说是将我之前对输入输出设备的模糊认知，变得清晰而具体。我之前只知道有键盘、鼠标、显示器这些设备，但它们是如何与计算机进行数据交互的，以及这个过程中涉及哪些关键技术，我一直没有一个完整的概念。这本书从基础的“I/O接口”开始，详细介绍了各种I/O设备是如何通过总线连接到CPU和内存的，以及I/O控制器的作用。作者的讲解非常到位，让我明白了I/O操作并不是直接由CPU来完成的，而是通过专门的I/O控制器来管理。接着，它深入讲解了三种主要的I/O数据传输方式：程序控制I/O、中断驱动I/O和直接存储器访问（DMA）。我尤其喜欢它对“中断”的讲解，它详细解释了中断是如何发生的，中断向量表的作用，以及CPU如何响应中断。这让我对I/O操作的异步性有了更深入的理解。而“DMA”的讲解更是让我惊叹，它说明了DMA控制器如何能够绕过CPU，直接在I/O设备和内存之间进行数据传输，从而大大减轻CPU的负担，提高系统效率。此外，这本书还介绍了磁盘存储的原理，包括扇区、磁道、寻道时间等概念，以及文件系统是如何组织和管理存储在磁盘上的数据的。这让我对数据的持久化存储有了更全面的认识。

《计算机系统基础》这本书在讲解“数据表示”方面，可以说是我看过最全面的。我之前只是知道有整数和浮点数，但具体它们是如何在计算机内部表示的，以及可能存在哪些问题，我一直都没有一个清晰的认识。这本书从最基础的二进制表示开始，详细讲解了无符号整数和带符号整数的表示方法（包括原码、反码、补码），并且通过大量的例子说明了它们之间的转换以及运算时的注意事项。这对于理解计算机的底层算术运算非常有帮助。接着，它深入到浮点数的表示，详细介绍了IEEE 754标准，包括单精度和双精度浮点数的格式，以及它们在存储和计算过程中可能出现的精度问题。作者的讲解非常清晰，即使是对于没有学过相关课程的读者，也能很容易理解。我尤其喜欢它在讲到浮点数表示时，强调了“舍入”和“溢出”的概念，以及它们是如何影响计算结果的。这让我意识到，在计算机进行浮点数运算时，需要格外小心精度问题。此外，这本书还涵盖了字符编码（ASCII、Unicode）以及字符串的表示方法，这在实际编程中也非常重要。它解释了不同编码之间的区别和联系，以及为什么会出现乱码现象。这本书的例子都非常贴切，能够帮助读者将抽象的概念与实际应用联系起来。

《计算机系统基础》这本书在“汇编语言和机器语言”部分的讲解，可以说是我对程序执行过程理解的一个重要转折点。在阅读这本书之前，我一直觉得写C语言或者Python这样的高级语言就足够了，对汇编语言这种低级语言并没有太多关注。但是，这本书让我看到了汇编语言的强大之处，以及它在理解计算机底层运作机制中的重要性。它从最基础的指令集架构（ISA）开始，详细介绍了各种汇编指令的功能，包括数据传输、算术逻辑运算、控制转移等，以及它们是如何映射到机器码的。作者的讲解非常细致，它通过大量的例子，让我理解了如何用汇编语言来编写简单的程序，以及如何将高级语言的代码翻译成汇编代码。我尤其喜欢它在讲解“寄存器”时，详细介绍了通用寄存器、程序计数器（PC）、栈指针（SP）等CPU内部寄存器的作用，以及它们在程序执行中的重要性。这让我明白了CPU是如何通过寄存器来临时存储和处理数据。此外，这本书还深入讲解了“栈”的概念，包括函数调用时的参数传递、局部变量的存储，以及返回地址的保存。这对于理解函数调用和递归的底层实现至关重要。这本书让我意识到，即使是使用高级语言，理解汇编语言的原理也能帮助我们更好地优化代码，解决一些难以捉摸的bug。

国外csapp的中文版本，讲的还是挺清楚的，可以两者结合着看。

难度代表我的星????

是模仿国外的一本深入理解计算机系统的书写的，里面的习题比较详细，感觉作为参考挺不错的。

考研初试用的书…

没错 我就是这么的不要脸