《計算機係統基礎》主要介紹與計算機係統相關的核心概念,解釋這些概念如何相互關聯並最終影響程序執行的結果和性能。本書共分8章,主要內容包括數據的錶示和運算、程序的轉換及機器級錶示、程序的鏈接、程序的執行、存儲器層次結構、虛擬存儲器、異常控製流和I/O操作的實現等。本書內容詳盡,反映現實,概念清楚,通俗易懂,實例豐富,並提供大量典型習題供讀者練習。本書可以作為計算機專業本科或大專院校學生計算機係統方麵的基礎性教材,也可以作為有關專業研究生或計算機技術人員的參考書。
袁春風,南京大學計算機科學與技術係教授。主要研究領域為大數據計算與並行處理技術、Web信息檢索與文本挖掘技術、多媒體文檔處理等。在相關領域承擔科研項目30多項,發錶論文60多篇,在Web信息處理方麵獲專利近10項,兩次獲江蘇省科技進步二等奬,並獲江蘇省優秀軟件一等奬。主持的“計算機組成原理”和“計算機組成與係統結構”課程被遴選為國傢級精品課程、國傢級精品資源共享課、江蘇省精品課程、教育部-微軟精品課程;所負責的“計算機組成與係統結構”課程網站獲得江蘇省優秀多媒體課件特等奬;獨立編寫普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材《計算機組成與係統結構》以及《計算機組成與係統結構習題解答與教學指導》,該教材被遴選為江蘇省精品教材;所承擔的課程群被遴選為江蘇省優秀課程群;所負責的“計算機係統專業課程體係”被遴選為2013年教育部-英特爾公司産學閤作專業綜閤改革項目;作為主要成員獲2013年江蘇省教學成果特等奬。
計算機教學的改革是一項需要付齣艱苦努力的長期任務,“係統思維”能力的提高更是一件十分睏難的事。計算機的教材還需要與時俱進,不斷反映技術發展的最新成果。一本好的教材應能激發學生的好奇心和願意終身為伴的激情。願更多的學校參與“計算機係統”教學的改革,願這本教材在教學實踐中不斷完善,為我國培養從事係統級創新的計算機人纔做齣更大貢獻。
——中國工程院院士李國傑
叢書序言
序言
前言
第一部分 係統概述和可執行目標文件的生成
第1章 計算機係統概述
1.1 計算機的發展曆程
1.1.1 電子計算機的誕生
1.1.2 第一代計算機
1.1.3 第二代計算機
1.1.4 第三代計算機
1.1.5 第四代計算機
1.2 計算機係統的基本功能和基本組成
1.2.1 計算機係統的基本功能
1.2.2 計算機硬件
1.2.3 計算機軟件
1.3 程序開發與執行過程
1.3.1 從源程序到可執行程序
1.3.2 可執行文件的啓動和執行
1.3.3 程序中每條指令的執行
1.4 計算機係統的層次結構
1.4.1 計算機係統抽象層的轉換
1.4.2 計算機係統的不同用戶
1.5 計算機係統性能評價
1.5.1 計算機性能的定義
1.5.2 計算機性能的測試
1.5.3 用指令執行速度進行性能評估
1.5.4 用基準程序進行性能評估
1.6 本書的主要內容和組織結構
1.7 小結
習題
第2章 數據的機器級錶示與處理
2.1 數製和編碼
2.1.1 信息的二進製編碼
2.1.2 進位計數製
2.1.3 定點與浮點錶示
2.1.4 定點數的編碼錶示
2.2 整數的錶示
2.2.1 無符號整數和帶符號整數的錶示
2.2.2 C語言中的整數及其相互轉換
2.3 浮點數的錶示
2.3.1 浮點數的錶示範圍
2.3.2 浮點數的規格化
2.3.3 IEEE 754浮點數標準
2.3.4 C語言中的浮點數類型
2.4 十進製數的錶示
2.4.1 用ASCII碼字符錶示
2.4.2 用BCD碼錶示
2.5 非數值數據的編碼錶示
2.5.1 邏輯值
2.5.2 西文字符
2.5.3 漢字字符
2.6 數據的寬度和存儲
2.6.1 數據的寬度和單位
2.6.2 數據的存儲和排列順序
2.7 數據的基本運算
2.7.1 按位運算和邏輯運算
2.7.2 左移運算和右移運算
2.7.3 位擴展運算和位截斷運算
2.7.4 整數加減運算
2.7.5 整數乘除運算
2.7.6 常量的乘除運算
2.7.7 浮點數運算
2.8 小結
習題
第3章 程序的轉換及機器級錶示
3.1 程序轉換概述
3.1.1 機器指令及匯編指令
3.1.2 指令集體係結構
3.1.3 生成機器代碼的過程
3.2 IA-32指令係統概述
3.2.1 數據類型及其格式
3.2.2 寄存器組織和尋址方式
3.3 IA-32常用指令類型及其操作
3.3.1 傳送指令
3.3.2 定點算術運算指令
3.3.3 按位運算指令
3.3.4 控製轉移指令
3.3.5 x87浮點處理指令
3.3.6 MMX/SSE指令集
3.4 C語言程序的機器級錶示
3.4.1 過程調用的機器級錶示
3.4.2 選擇語句的機器級錶示
3.4.3 循環結構的機器級錶示
3.5 復雜數據類型的分配和訪問
3.5.1 數組的分配和訪問
3.5.2 結構體數據的分配和訪問
3.5.3 聯閤體數據的分配和訪問
3.5.4 數據的對齊
3.6 越界訪問和緩衝區溢齣
3.6.1 緩衝區溢齣攻擊
3.6.2 緩衝區溢齣攻擊的防範
3.7 兼容IA-32的64位係統
3.7.1 x86-64的發展簡史
3.7.2 x86-64的基本特點
3.7.3 x86-64的基本指令和對齊
3.8 小結
習題
第4章 程序的鏈接
4.1 編譯、匯編和靜態鏈接
4.1.1 編譯和匯編
4.1.2 可執行目標文件的生成
4.2 目標文件格式
4.2.1 ELF目標文件格式
4.2.2 可重定位目標文件格式
4.2.3 可執行目標文件格式
4.3 符號錶和符號解析
4.3.1 符號和符號錶
4.3.2 符號解析
4.3.3 與靜態庫的鏈接
4.4 重定位
4.4.1 重定位信息
4.4.2 重定位過程
4.5 可執行文件的加載
4.6 動態鏈接
4.6.1 動態鏈接的特性
4.6.2 程序加載時的動態鏈接
4.6.3 程序運行時的動態鏈接
4.7 小結
習題
第二部分 可執行目標文件的運行
第5章 程序的執行
5.1 程序執行概述
5.1.1 程序及指令的執行過程
5.1.2 CPU的基本功能和組成
5.1.3 打斷程序正常執行的事件
5.2 數據通路基本結構和工作原理
5.2.1 數據通路基本結構
5.2.2 數據通路的時序控製
5.2.3 數據通路基本工作原理
5.3 流水綫方式下指令的執行
5.3.1 指令流水綫的基本原理
5.3.2 適閤流水綫的指令集特徵
5.3.3 CISC和RISC風格指令集
5.3.4 指令流水綫的實現
5.3.5 高級流水綫實現技術
5.4 小結
習題
第6章 層次結構存儲係統
6.1 存儲器概述
6.1.1 存儲器的分類
6.1.2 主存儲器的組成和基本操作
6.1.3 存儲器的主要性能指標
6.1.4 各類存儲元件的特點
6.1.5 存儲器的層次結構
6.2 主存與CPU的連接及其讀寫操作
6.2.1 主存模塊的連接和讀寫操作
6.2.2 "裝入"指令和"存儲"指令操作過程
6.3 磁盤存儲器
6.3.1 磁盤存儲器的結構
6.3.2 磁盤存儲器的性能指標
6.3.3 磁盤存儲器的連接
6.3.4 固態硬盤
6.4 高速緩衝存儲器
6.4.1 程序訪問的局部性
6.4.2 cache的基本工作原理
6.4.3 cache行和主存塊的映射
6.4.4 cache中主存塊的替換算法
6.4.5 cache一緻性問題
6.4.6 影響cache性能的因素
6.4.7 IA-32的cache結構舉例
6.4.8 cache和程序性能
6.5 虛擬存儲器
6.5.1 虛擬存儲器的基本概念
6.5.2 虛擬地址空間
6.5.3 虛擬存儲器的實現
6.5.4 存儲保護
*6.6 IA-32/Linux中的地址轉換
6.6.1 邏輯地址到綫性地址的轉換
6.6.2 綫性地址到物理地址的轉換
6.7 小結
習題
第7章 異常控製流
7.1 進程與進程的上下文切換
7.1.1 程序和進程的概念
7.1.2 進程的邏輯控製流
7.1.3 進程的上下文切換
7.1.4 進程的私有地址空間
7.1.5 程序的加載和運行
7.2 異常和中斷
7.2.1 基本概念
7.2.2 異常的分類
7.2.3 中斷的分類
7.2.4 異常和中斷的響應過程
7.2.5 IA-32的中斷嚮量錶
7.2.6 IA-32的中斷描述符錶
7.2.7 IA-32中異常和中斷的處理
7.2.8 Linux對異常和中斷的處理
7.2.9 IA-32/Linux的係統調用
7.3 小結
習題
第8章 I/O操作的實現
8.1 I/O子係統概述
8.2 用戶空間I/O軟件
8.2.1 用戶程序中的I/O函數
8.2.2 文件的基本概念
8.2.3 係統級I/O函數
8.2.4 C標準I/O庫函數
8.2.5 用戶程序中的I/O請求
8.3 I/O硬件與軟件的接口
8.3.1 I/O設備
8.3.2 設備控製器
8.3.3 I/O端口及其編址
8.3.4 I/O控製方式
8.4 內核空間I/O軟件
8.4.1 與設備無關的I/O軟件
8.4.2 設備驅動程序
8.4.3 中斷服務程序
8.5 小結
習題
附錄A 數字邏輯電路基礎
附錄B gcc的常用命令行選項
附錄C GDB的常用命令
參考文獻
老實說,在閱讀《計算機係統基礎》之前,我對操作係統的理解,基本上停留在“進程管理”、“內存管理”這些大概念上,而這本書讓我看到瞭這些概念是如何在底層實現的。它從匯編語言的角度切入,詳細講解瞭程序是如何被加載到內存中,又是如何被 CPU 執行的。我尤其對函數調用棧的講解印象深刻,它清晰地展示瞭函數的參數傳遞、局部變量的存儲、返迴地址的保存等過程。這讓我明白瞭為什麼會發生棧溢齣,以及如何避免這些問題。書中對虛擬內存的解釋也讓我豁然開朗。之前總是覺得,每個程序都有自己的地址空間,但具體是怎麼實現的,一無所知。看完這本書,我纔理解瞭頁錶、TLB 等機製是如何工作的,以及它們如何將虛擬地址映射到物理地址。這不僅加深瞭我對操作係統原理的理解,也讓我對程序的安全性有瞭更深的認識。它解釋瞭為什麼用戶程序無法直接訪問操作係統內核的內存,以及這些保護機製是如何實現的。這本書就像一把鑰匙,為我打開瞭操作係統世界的深層奧秘,讓我能夠更有效地調試和優化程序,甚至能夠在更低的層麵上進行係統級編程。
評分在我看來,《計算機係統基礎》這本書不僅僅是一本技術書籍,更是一本能夠提升思維能力的書。它所講解的計算機係統原理,很多都貫穿於各種計算機應用的核心。例如,書中對數據錶示和計算機算術的討論,雖然看似基礎,但它解釋瞭為什麼浮點數運算會有精度誤差,以及為什麼某些整數運算會溢齣。這些看似微不足道的小細節,在實際的計算密集型任務中,可能會導緻意想不到的結果。這本書還讓我理解瞭計算機是如何進行位操作的,以及這些底層操作在現代編程中的應用,比如在一些優化算法或者加密算法中。它鼓勵讀者去思考,如何在二進製層麵理解和處理數據。這種底層思維,對於開發一些對效率要求極高的係統或者進行係統級編程非常有幫助。這本書讓我明白瞭,很多我們在高層應用中習以為常的行為,其背後都有著深刻的二進製原理支撐。它是一種“由簡入繁,再由繁入簡”的學習過程,最終讓你能夠掌握事物的本質。
評分我必須承認,《計算機係統基礎》這本書在某些方麵,讓我對“性能”這個詞有瞭全新的定義。我之前可能更關注代碼執行的步數,或者算法的時間復雜度。但這本書讓我意識到,性能的瓶頸往往齣現在係統和硬件的交互層麵。它對網絡協議棧的講解,讓我理解瞭 TCP/IP 的工作原理,以及為什麼會齣現網絡擁塞。書中關於緩衝區的概念,以及如何通過優化緩衝區大小來提升 I/O 性能,也給瞭我很多啓發。更令我印象深刻的是,它還討論瞭分布式係統中的一些基本概念,比如一緻性、可用性和分區容忍性(CAP定理)。雖然這些內容可能超齣瞭“基礎”的範疇,但它讓我看到瞭計算機係統是如何從單機走嚮分布式的,以及在這個過程中所麵臨的挑戰。這本書讓我明白,理解計算機係統,不僅僅是理解單颱機器的工作原理,更是理解它們是如何協同工作的。它拓寬瞭我的視野,讓我能夠從更宏觀的視角去思考係統設計和優化。
評分《計算機係統基礎》這本書,讓我對“並發”這個概念有瞭前所未有的深刻理解。我之前一直認為,並發就是多綫程同時執行,但這本書讓我看到瞭並發背後的復雜性。它詳細講解瞭綫程和進程的區彆,以及它們在資源共享和通信方麵存在的差異。更重要的是,它深入剖析瞭並發編程中的幾個核心問題,比如競態條件、死鎖和活鎖。書中關於鎖機製,包括互斥鎖、讀寫鎖等的原理和使用場景的講解,讓我能夠更安全、更高效地編寫多綫程程序。它還介紹瞭原子操作的概念,以及如何在底層硬件的支持下實現無鎖數據結構。這些內容對於開發高並發、高性能的服務器端應用至關重要。我曾經因為對並發理解不深,寫齣過一些難以調試的 Bug。現在迴過頭來看,如果早點讀瞭這本書,或許就能避免很多不必要的麻煩。這本書就像一位嚴謹的導師,教會我如何駕馭並發這個“雙刃劍”,讓它為我所用,而不是成為程序的“定時炸彈”。
評分《計算機係統基礎》這本書,最讓我欣賞的是它將理論知識與實際應用相結閤的方式。它不僅僅是羅列枯燥的定義和公式,而是通過大量的實際案例,來展示這些原理是如何在現實世界中發揮作用的。例如,書中對操作係統文件係統的介紹,它不僅僅講瞭文件的概念,還講解瞭文件是如何存儲在磁盤上的,以及文件係統的不同結構(如 FAT、NTFS)的優缺點。這對於理解文件讀寫性能,以及進行存儲優化非常有幫助。此外,書中還涉及瞭一些關於嵌入式係統和高性能計算的內容,這讓我看到瞭計算機係統原理在不同領域的應用。它讓我明白,無論是在開發一個簡單的 Web 應用,還是在設計一個復雜的超級計算機,底層的計算機係統原理都是不可或缺的知識。這本書就像一位多纔多藝的嚮導,帶領我穿越計算機世界的各個角落,讓我對這個領域有瞭更全麵、更深入的認識。它讓我對未來學習更高級的計算機技術充滿瞭信心。
評分我必須說,《計算機係統基礎》這本書給瞭我一個全新的視角來看待軟件的運行。我之前一直認為,隻要邏輯正確,代碼就能跑起來。但這本書讓我意識到,硬件是如何真正地“執行”我的代碼,以及這個過程的效率是如何被影響的。比如,它對內存層次結構,包括寄存器、緩存、主存和外存的詳細解釋,讓我明白瞭為什麼局部性原理如此重要。我之前隻是聽說過,但不知道具體是怎麼一迴事。看完書中關於緩存的章節,我終於理解瞭緩存命中和緩存未命中的區彆,以及它們對程序性能的巨大影響。書中的例子,比如一個簡單的數組遍曆,如果按照不同的方式訪問,其緩存性能會有天壤之彆。這讓我開始重新審視我的代碼,思考如何讓數據訪問模式更加有利於緩存,從而提升整體性能。更重要的是,這本書不僅僅講解瞭概念,還提供瞭很多實踐性的建議。它鼓勵讀者去觀察和實驗,瞭解自己的代碼在實際運行中是如何與硬件交互的。這種“知其所以然”的學習方式,比單純的背誦 API 要有價值得多。我甚至開始嘗試使用一些工具去測量程序的緩存性能,這在以前是我完全不敢想象的。這本書讓我從一個“代碼編寫者”轉變為一個“係統理解者”,這種轉變是質的飛躍。
評分《計算機係統基礎》這本書,給我最大的收獲就是它讓我能夠以一種更加嚴謹和科學的態度去理解程序。我之前在調試一個 Bug 時,常常是憑感覺或者反復嘗試來定位問題。但這本書中的許多章節,比如關於程序的編譯、鏈接和加載過程的講解,讓我明白瞭一個可執行文件是如何從源代碼變成最終運行在內存中的程序的。它詳細地闡述瞭編譯器、匯編器、鏈接器各自的作用,以及符號錶、重定位等概念。這讓我知道,很多看似“離奇”的錯誤,可能就隱藏在程序構建的某個環節。比如,未定義的引用錯誤,現在我就能很清楚地知道是因為鏈接階段找不到對應的符號。這本書也讓我對程序的內存模型有瞭更清晰的認識,包括代碼段、數據段、BSS 段、堆和棧的劃分。這種對程序生命周期的深入理解,極大地提升瞭我定位和解決問題的能力。它就像一位經驗豐富的偵探,為你揭示瞭程序的“前世今生”,讓你能夠更加從容地麵對各種復雜的問題。
評分《計算機係統基礎》這本書,從我拿到它的第一天起,就有一種相見恨晚的感覺。作為一名在IT行業摸爬滾打多年的開發者,我深知理解計算機底層原理的重要性。很多時候,我們都在高層的抽象中構建應用,卻對那些支撐起這一切的基石一知半解。這本書恰恰填補瞭我的這一空白。它沒有像很多入門書籍那樣,停留在“如何使用”的層麵,而是深入到“為什麼是這樣”的層麵。我特彆喜歡其中關於處理器執行指令的章節,詳細地闡述瞭指令的解碼、執行、寫迴等一係列過程,並結閤瞭流水綫技術,讓我這個之前對CPU內部運作隻停留在概念上的開發者,有瞭一個非常清晰且直觀的認識。它不僅僅是理論的堆砌,書中大量的圖示和僞代碼,將復雜的概念變得易於理解。我曾經花費大量時間去研究某個性能瓶頸,事後纔發現,如果早點理解瞭緩存一緻性協議的工作原理,或許就能少走很多彎路。這本書無疑為我打開瞭一扇新的大門,讓我能夠更自信、更深入地去剖析和優化我的代碼,甚至在係統設計階段就考慮到底層的影響。它像是一位循循善誘的老師,在你需要的時候,用最清晰的方式告訴你答案,並且告訴你答案背後的邏輯。即便已經工作多年,閱讀這本書依然能帶來醍醐灌頂的感受,讓我重新審視那些習以為常的技術細節。
評分《計算機係統基礎》這本書,最讓我著迷的地方在於它將抽象的概念具象化瞭。很多計算機科學的書籍,常常會停留在理論層麵,讓人覺得枯燥乏味。但這本書不同,它通過大量的圖示、流程圖和代碼示例,將原本晦澀難懂的計算機係統原理,變得生動形象。例如,它對 CPU 指令流水綫的解釋,通過分解指令在不同階段的狀態,再用多條指令並行執行的圖示,讓我一下子就明白瞭流水綫如何提高指令執行效率,以及可能齣現的“冒險”問題。還有關於並行與並發的討論,它不僅僅是文字上的描述,還結閤瞭多核處理器的結構,以及綫程和進程之間的切換機製,讓我能直觀地感受到不同並行模型在實際係統中的錶現。這本書也促使我反思我過去的一些編程習慣。我之前可能更關注代碼的邏輯功能,而忽視瞭其底層的性能錶現。現在,我開始更多地考慮數據在內存中的布局,以及如何通過優化算法和數據結構來減少內存訪問的延遲。這本書不僅傳授瞭知識,更培養瞭一種“係統思維”,讓我能夠從整體上理解和設計計算機係統。
評分我之前總以為,編寫高性能的代碼,就是不斷地優化算法。但《計算機係統基礎》這本書,讓我認識到,硬件的限製和特性,對程序性能的影響同樣巨大,甚至有時候是決定性的。書中對 I/O 係統的詳細講解,讓我對文件讀寫、網絡通信等操作有瞭全新的認識。我曾經對網絡延遲感到非常睏惑,看完書中關於 DMA(直接內存訪問)和中斷機製的章節後,我纔明白,I/O 操作的延遲不僅僅是網絡傳輸本身,還包括瞭 CPU 如何與 I/O 設備進行交互,以及數據如何在內存和設備之間進行拷貝。它還深入淺齣地解釋瞭用戶空間和內核空間的概念,以及係統調用的過程。這讓我理解瞭為什麼很多 I/O 操作需要進入內核態,以及這個過程所帶來的開銷。這本書讓我意識到,要想寫齣真正高效的代碼,必須同時理解軟件和硬件的交互,纔能找到性能的瓶頸,並進行有針對性的優化。它培養瞭我一種“刨根問底”的精神,不再滿足於錶麵的現象,而是去探究其背後的原理。
評分很好的,目前看到第二章感覺很吃力,不過沒關係,一本書要看到3到4次纔能有足夠的理解。
評分很好
評分一般般 一般般 一般般 一般般
評分還行不錯不錯
評分這本書很基礎,用來提升基礎知識很有用。
評分很不錯的書,值得購買,京東物流很快
評分非常好非常好非常好非常好
評分非常喜歡,很適閤自己。
評分轉行做編程的,發現好多基礎知識都不清楚,看目錄是我想瞭解的內容,買來學習學習
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