计算机类专业系统能力培养系列教材 计算机系统基础PDF电子书下载

第一部分 系统概述和可执行目标文件的生成 2

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

2.2.2 C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

2.3.3 IEEE 754浮点数标准 44

2.3.4 C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

3.2 IA-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

3.3 IA-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

3.3.5 x87浮点处理指令 107

3.3.6 MMX/SSE指令集 108

3.4 C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

3.7.1 x86-64的发展简史 143

3.7.2 x86-64的基本特点 144

3.7.3 x86-64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

4.2.1 ELF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 200

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

5.1.2 CPU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

5.3.3 CISC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

6.4.2 cache的基本工作原理 246

6.4.3 cache行和主存块的映射 248

6.4.4 cache中主存块的替换算法 253

6.4.5 cache一致性问题 254

6.4.6 影响cache性能的因素 255

6.4.7 IA-32的cache结构举例 257

6.4.8 cache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

6.6 IA-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

7.2.5 IA-32的中断向量表 303

7.2.6 IA-32的中断描述符表 303

7.2.7 IA-32中异常和中断的处理 305

7.2.8 Linux对异常和中断的处理 306

7.2.9 IA-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

8.1 I/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

8.2.4 C标准I/O库函数 324

8.2.5 用户程序中的I/O请求 328

8.3 I/O硬件与软件的接口 330

8.3.1 I/O设备 330

8.3.2 设备控制器 331

8.3.3 I/O端口及其编址 333

8.3.4 I/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B gcc的常用命令行选项 366

附录C GDB的常用命令 368

参考文献 371