计算机组成原理（基于x86-64架构）

了解计算机软硬件的工作原理可以为理解复杂代码打下坚实的基础，从而提升对代码的控制力。本书围绕如何将高级语言代码翻译成汇编语言、操作系统硬件资源管理、数据的编码、硬件的十进制数据处理、程序代码和机器代码等主题，解释了现代计算机的工作原理；从内存组织、二进制逻辑和数据类型等基本概念开始，逐步探讨它们在汇编语言层面的实现方式。全书共21章，涵盖了数据存储、逻辑门和晶体管、中央处理器、汇编和机器代码、数据结构、面向对象编程等内容。 本书适合作为高等院校计算机组成原理相关课程的参考教材，也适合有编程基础的人阅读。

罗伯特·G.普兰茨（Robert G. Plantz）曾为双子星座号飞船和阿波罗登月舱设计电子设备。他在加利福尼亚大学伯克利分校获得电气工程博士学位，并在投身教育工作之前担任了8年的软件工程师。他在索诺玛州立大学担任教授20余年。

第 1章　预备知识 1 1.1 计算机子系统 1 1.2 程序执行 2 1.3 编程环境 3 1.4 小结 5 第 2章　数据存储格式 6 2.1 描述开关和开关组 6 2.1.1 使用位表示开关 6 2.1.2 表示位组 7 2.1.3 使用十六进制数码 8 2.2 二进制和十进制的数学等价性 9 2.2.1 了解位置记数法 9 2.2.2 将二进制数转换为无符号十进制数 10 2.2.3 将无符号十进制数转换为二进制数 11 2.3 在存储器中存储数据 13 2.3.1 内存地址的表示方式 14 2.3.2 字符 15 2.3.3 无符号整数 17 2.4 使用C语言探究数据格式 18 2.4.1 C和C++ I/O库 19 2.4.2 编写并执行第 一个C程序 20 2.5 使用调试器检查内存 22 2.5.1 使用调试器 23 2.5.2 理解内存字节存储序 26 2.6 小结 28 第3章　计算机算术 29 3.1 无符号整数的加减 29 3.1.1 十进制数字系统的加法 29 3.1.2 十进制数字系统的减法 30 3.1.3 无符号二进制整数的加法和减法 32 3.2 有符号整数的加减 33 3.2.1 补码 34 3.2.2 计算补码 35 3.2.3 二进制有符号整数的加减 37 3.2.4 整数编码的环性质 39 3.3 小结 41 第4章　布尔代数 42 4.1 基本布尔运算符 42 4.2 布尔表达式 44 4.3 布尔代数法则 44 4.3.1 与初等代数相同的布尔代数法则 45 4.3.2 与初等代数不同的布尔代数法则 46 4.4 布尔函数 48 4.4.1 规范和或最小项之和 49 4.4.2 规范积或最大项之积 50 4.4.3 规范布尔形式的比较 51 4.5 布尔表达式最小化 51 4.5.1 最小表达式 52 4.5.2 使用代数操作实现最小化 53 4.5.3 使用卡诺图进行最小化 55 4.6 组合基本布尔运算符 61 4.7 小结 62 第5章　逻辑门 63 5.1 电子学入门 63 5.1.1 电源和电池 64 5.1.2 无源元件 64 5.2 晶体管 70 5.2.1 MOSFET开关 70 5.2.2 CMOS开关 72 5.3 与非门和或非门 74 5.4 作为万能门的与非门 75 5.5 小结 76 第6章　组合逻辑电路 77 6.1 两类逻辑电路 77 6.2 加法器 78 6.2.1 半加器 78 6.2.2 全加器 78 6.2.3 由两个半加器组成的全加器 79 6.2.4 波动进位加法和减法电路 80 6.3 译码器 82 6.4 复用器 85 6.5 可编程逻辑设备 87 6.5.1 可编程逻辑阵列 87 6.5.2 只读存储器 89 6.5.3 可编程阵列逻辑 90 6.6 小结 91 第7章　时序逻辑电路 92 7.1 锁存器 92 7.1.1 使用或非门的SR锁存器 93 7.1.2 使用与非门的SR锁存器 94 7.1.3 带有Enable的SR锁存器 96 7.1.4 D锁存器 97 7.2 触发器 98 7.2.1 时钟 98 7.2.2 D触发器 99 7.2.3 T触发器 100 7.2.4 JK触发器 101 7.3 设计时序逻辑电路 103 7.3.1 设计计数器 104 7.3.2 设计分支预测器 107 7.4 小结 110 第8章　存储器 112 8.1 存储器层级结构 112 8.1.1 大容量存储器 113 8.1.2 内存 113 8.1.3 缓存 114 8.1.4 寄存器 115 8.2 实现存储器硬件 115 8.2.1 4位寄存器 115 8.2.2 移位寄存器 117 8.2.3 寄存器文件 118 8.2.4 读-写存储器 119 8.2.5 静态随机存取存储器 120 8.2.6 动态随机存取存储器 121 8.3 小结 122 第9章　中央处理单元 123 9.1 CPU概述 123 9.1.1 CPU子系统 123 9.1.2 指令执行周期 125 9.2 x86-64寄存器 126 9.2.1 通用寄存器 127 9.2.2 状态寄存器 129 9.3 C/C++的整数数据类型和寄存器大小 129 9.4 使用gdb查看CPU寄存器 130 9.5 小结 135 第 10章　汇编语言编程 137 10.1 编译C程序 137 10.2 从C到汇编语言 138 10.2.1 我们不会用到的汇编器指令 140 10.2.2 我们会用到的编译器指令 142 10.3 使用汇编语言创建程序 143 10.3.1 汇编语言概述 144 10.3.2 第 一条汇编语言指令 145 10.3.3 函数内的最小化处理 147 10.3.4 使用gdb学习汇编语言 148 10.4 AT&T语法 154 10.5 小结 155 第 11章　深入main函数 156 11.1 write和read系统调用函数 156 11.2 通过寄存器传递参数 157 11.3 位置无关代码 159 11.4 调用栈 160 11.4.1 栈的概述 160 11.4.2 深入函数序言和结语 162 11.5 函数的局部变量 166 11.5.1 栈内变量 166 11.5.2 栈损坏 169 11.6 不使用C运行时环境 172 11.7 小结 173 第 12章　剖析指令 174 12.1 机器码 174 12.2 指令字节 175 12.2.1 操作码字节 176 12.2.2 ModR/M字节 176 12.2.3 REX前缀字节 177 12.3 立即寻址模式 178 12.4 内存寻址模式 179 12.4.1 直接内存寻址 179 12.4.2 带有偏移量的寄存器间接寻址 180 12.4.3 带有索引的寄存器间接寻址 181 12.4.4 SIB字节 182 12.5 跳转指令 182 12.6 汇编器和链接器 184 12.6.1 汇编器 184 12.6.2 链接器 185 12.7 小结 186 第 13章　控制流结构 187 13.1 跳转 187 13.1.1 无条件跳转 187 13.1.2 条件跳转 188 13.2 迭代 189 13.2.1 while循环 189 13.2.2 for循环 194 13.2.3 do-while循环 195 13.3 选择 197 13.3.1 if条件 197 13.3.2 if-then-else条件 199 13.3.3 switch条件 203 13.4 小结 207 第 14章　剖析函数 208 14.1 C语言的变量名作用域 208 14.2 参数传递概述 209 14.3 全局变量 210 14.4 显式传递参数 213 14.4.1 C语言中的参数传递 214 14.4.2 汇编语言实现 215 14.5 处理6个以上的参数 218 14.5.1 将参数压入栈 218 14.5.2 直接在栈内存储参数 222 14.5.3 栈帧用法总结 225 14.6 静态局部变量 227 14.7 小结 236 第 15章　函数的特殊用法 237 15.1 递归 237 15.2 使用汇编语言访问CPU特性 243 15.2.1 使用汇编语言编写的独立函数 243 15.2.2 内联汇编语言 249 15.3 小结 251 第 16章　逻辑位、乘法以及除法指令 252 16.1 位掩码 252 16.1.1 C语言中的位掩码 253 16.1.2 逻辑指令 255 16.1.3 汇编语言中的位掩码 256 16.2 移位 259 16.2.1 C语言中的移位操作 259 16.2.2 移位指令 263 16.2.3 汇编语言中的移位操作 264 16.3 乘法 266 16.3.1 C语言中的乘法 267 16.3.2 乘法指令 269 16.3.3 汇编语言中的乘法 271 16.4 除法 274 16.4.1 C语言中的除法 274 16.4.2 除法指令 277 16.4.3 汇编语言中的除法 279 16.5 小结 283 第 17章　数据结构 284 17.1 数组 284 17.1.1 C语言中的数组 284 17.1.2 汇编语言中的数组 289 17.2 记录 292 17.2.1 C语言中的记录 292 17.2.2 汇编语言中的记录 294 17.2.3 在C语言中向其他函数传递记录 295 17.2.4 在汇编语言中向其他函数传递记录 301 17.3 小结 305 第 18章　面向对象编程 306 18.1 C++中的对象 306 18.1.1 使用C++对象 308 18.1.2 定义类成员函数 311 18.1.3 由编译器生成构造函数和析构函数 315 18.2 汇编语言中的对象 317 18.3 小结 322 第 19章　小数 323 19.1 二进制小数 323 19.2 定点数 324 19.2.1 当小数部分为2的倒数幂之和时 324 19.2.2 当小数部分为十进制时 328 19.3 浮点数 332 19.3.1 浮点表示 333 19.3.2 IEEE 754浮点数标准 333 19.3.3 SSE2浮点数硬件 334 19.3.4 xmm寄存器 335 19.3.5 浮点数编程 336 19.3.6 浮点算术误差 339 19.4 关于数值精确性的一些说明 345 19.5 小结 345 第 20章　输入/输出 347 20.1 时序考量 347 20.1.1 内存时序 347 20.1.2 I/O设备时序 348 20.1.3 总线时序 348 20.2 访问I/O设备 349 20.2.1 端口映射I/O 349 20.2.2 内存映射I/O 350 20.3 I/O编程 351 20.3.1 轮询式I/O 351 20.3.2 中断驱动I/O 351 20.3.3 直接内存访问 352 20.4 轮询式I/O编程算法 352 20.4.1 使用C语言实现UART内存映射I/O 353 20.4.2 使用汇编语言实现UART内存映射I/O 358 20.4.3 UART端口映射I/O 361 20.5 小结 365 第 21章　中断与异常 366 21.1 特权级 366 21.2 CPU响应中断或异常 367 21.2.1 外部中断 368 21.2.2 异常 368 21.2.3 软件中断 369 21.3 系统调用 369 21.3.1 int 0x80软件中断 369 21.3.2 syscall指令 371 21.4 小结 373