计算机系统原理（2023年版）

书是全国高等教育自学考试指导委员会组编的计算机科学与技术、软件工程、网络工程、信息安全4个本科专业自学考试指定教材，包括自学考试大纲和教材的所有内容。 本书介绍与计算机系统相关的核心概念和基础内容，主要包括数据的表示和运算、程序的机器级表示、程序的链接和加载执行、存储器层次结构和虚拟存储器、程序中的I/O操作实现。 本书概念清楚、通俗易懂、实例丰富，提供了大量典型习题供读者练习，除了基本术语解释和简答题以外，大部分习题都在教辅资源中给出了习题参考答案。 本书既可以作为计算机专业本科或大专院校学生计算机系统导论课程的教材，也可以作为有关专业研究生或计算机技术人员的参考书。

南开大学教师

目录 组编前言 计算机系统原理自学考试大纲 大纲前言 Ⅰ 课程性质与课程目标 Ⅱ 考核目标 Ⅲ 课程内容与考核要求 Ⅳ 关于大纲的说明与考核实施要求 Ⅴ 题型举例 Ⅵ 题型举例参考答案 后记 计算机系统原理 编者的话 第1章计算机系统概述 11计算机基本工作原理 111冯·诺依曼结构基本思想 112程序和指令的执行过程 12程序的开发与运行 121程序设计语言和翻译程序 122从源程序到可执行文件 123可执行文件的启动和执行 13计算机系统的层次结构 131计算机系统抽象层的转换 132计算机系统的不同用户 133计算机系统核心层之间的 关联 14计算机系统性能评价 141计算机性能的测试 142用指令执行速度进行性能 评估 143用基准程序进行性能评估 本章小结 习题 第2章数据的表示和运算 21数制和编码 211信息的二进制编码 212进位记数制 213定点数的编码表示 22整数的表示 221无符号整数的表示 222带符号整数的表示 223C语言中的整数类型 23实数的表示 231浮点数的表示格式 232IEEE 754浮点数标准 233C语言中的浮点数类型 24非数值数据的编码表示 241逻辑值 242西文字符 243汉字字符 25数据的长度单位与排列 251数据的宽度和单位 252数据的存储和排列顺序 26加法器和算术逻辑部件 261全加器和加法器 262带标志加法器 263补码加减运算器 264算术逻辑部件 27定点数乘除运算 271无符号数乘法运算 272原码乘法运算 273补码乘法运算 274无符号数除法运算 275原码除法运算 276补码除法运算 277整数的乘除运算 28浮点数运算 281浮点数加减运算 282浮点数乘除运算 本章小结 习题 第3章程序的转换及机器级表示 31程序转换概述 311机器指令及汇编指令 312指令集体系结构 313指令系统设计风格 314生成机器代码的过程 32IA-32指令系统概述 321数据类型及其格式 322寄存器组织和寻址方式 323机器指令格式 33IA-32常用指令类型及其操作 331传送指令 332定点算术运算指令 333按位运算指令 334程序执行流控制指令 34C语言程序的机器级表示 341过程调用的机器级表示 342选择语句的机器级表示 343循环结构的机器级表示 35复杂数据类型的分配和访问 351数组的分配和访问 352结构体数据的分配和访问 353联合体数据的分配和访问 354数据的对齐方式 36兼容IA-32的64位系统 361x86-64的基本特点 362x86-64的过程调用 363x86-64的基本指令和 对齐 本章小结 习题 第4章可执行文件的生成与加载 执行 41可执行文件生成概述 411预处理、编译和汇编 412程序的链接过程 42目标文件格式 421ELF目标文件格式 422可重定位目标文件格式 423可执行目标文件格式 424可执行文件的存储器映像 43符号解析与重定位 431符号和符号表 432符号解析和静态链接 433重定位过程 434动态链接 44可执行文件的加载 441程序和进程的概念 442进程的虚拟地址空间 443execve函数和main函数 444fork函数和程序的启动 加载 45程序的执行和中央处理器 451 程序及指令的执行过程 452CPU的基本功能和组成 453打断程序正常执行的事件 454异常和中断的响应过程 455指令流水线的基本概念 本章小结 习题 第5章程序的存储访问 51存储器概述 511存储器的分类 512主存储器的组成和基本 操作 513存储器的层次化结构 514程序访问的局部性 52主存与CPU的连接及读/写 操作 521主存芯片技术 522主存与CPU的连接 523装入/存储指令的操作 过程 53硬盘存储器 531 磁盘存储器的结构 532磁盘存储器的性能指标 533磁盘存储器的连接 *534闪速存储器和U盘 *535固态硬盘 54高速缓冲存储器 541cache的基本工作原理 542cache行和主存块之间的 映射方式 543cache中主存块的替换 算法 544cache的写策略 545cache和程序性能 55虚拟存储器 551虚拟存储器的基本概念 552虚拟地址空间 553虚拟存储器的实现 554存储保护 *56实例：Intel Core i7+Linux存储 系统 561Core i7的层次化存储器 结构 562Core i7的地址转换机制 563Linux系统的虚拟存储 管理 本章小结 习题 第6章程序中I/O操作的实现 61I/O子系统概述 62用户空间I/O软件 621用户程序中的I/O函数 622文件的基本概念 623系统级I/O函数 624C标准I/O库函数 63内核空间I/O软件 631设备无关I/O软件层 632设备驱动程序 633中断服务程序 64I/O硬件与软件的接口 641输入/输出设备 642基于总线的互连结构 643I/O接口的功能和结构 644I/O端口及其编址 645中断系统 本章小结 习题 参考文献 后记