本书从程序员的角度来详细说明计算机系统的本质概念，并展示这些概念如何影响应用程序的正确性与性能，强调在实际系统的操作中发现问题、分析问题和解决问题，特别注意引导学生建立“计算机系统”的概念，将程序代码的编写、编译及运行与机器内部特性紧密结合起来。 本书将讲解计算机系统中的底层实现过程，引导读者编写更高效的程序，成为更有效率的程序员——能够更有效的找出并消除程序中的bug，能够更好的进行程序性能调忧，并为以后的计算机类“系统级”课程，如编译原理、操作系统、网络原理等的学习打好基础。

赵欢，湖南大学二级教授、博士生导师，岳麓学者领军岗，湖南省芙蓉教学名师，宝钢优秀教师特等奖、霍英东教育基金会首屈教育教学奖、教育部-华为“智能基座”优秀教师和高校计算机专业优秀教师奖励计划获得者。国家级一流本科专业、国家级一流本科课程、国家精品课程和国家级精品资源共享课负责人，牵头的教学成果获2022年国家级教学成果二等奖，主编国家级规划教材8本。带领团队长期致力于计算机系统能力培养教育教学改革，牵头的“鲲鹏计算机系统能力培养课程群虚拟教研室”获教育部虚拟教研室建设试点，负责的“计算机系统”课程获首批国家级一流本科课程。
杨科华，湖南大学副教授、博士生导师，长期致力于计算机系统能力培养教育教学改革，湖南省一流本科课程、华为智能基座金课负责人，首批华为开发者布道师，获湖南大学优秀教师、湖南大学教学优秀奖等奖项。开发了miniCC工具链、VSPM原型机等教学案例，入选教育部“101计划”实践平台成果手册。

<br />目　　录<br />前言<br />第1章　概论1<br />1.1　计算机系统的基本功能和基本组成1<br />1.1.1　计算机系统的基本功能1<br />1.1.2　计算机硬件2<br />1.1.3　计算机软件3<br />1.2　程序的开发与执行过程4<br />1.2.1　从源程序到可执行程序5<br />1.2.2　可执行程序的执行过程6<br />1.2.3　程序中每条指令的执行7<br />1.3　计算机系统的层次结构9<br />小结11<br />第2章　二进制以及信息的组织与表示12<br />2.1　二进制及进制转换12<br />2.1.1　二进制的优势12<br />2.1.2　二进制与其他进制12<br />2.1.3　进制转换15<br />2.2　信息的组织与表示17<br />2.2.1　位、字节、字与双字17<br />2.2.2　数据与指令18<br />2.2.3　大小端19<br />小结19<br />习题19<br />第3章　最小系统与原型系统21<br />3.1　最小系统21<br />3.1.1　内存21<br />3.1.2　中央处理器21<br />3.1.3　最小系统示例22<br />3.2　原型系统28<br />小结33<br />习题33<br />第4章　ATT汇编语言34<br />4.1　机器指令、汇编语言与高级语言34<br />4.2　ATT汇编语言基础知识35<br />4.2.1　数据格式35<br />4.2.2　访问信息36<br />4.2.3　操作数与指示符37<br />4.2.4　数据传送指令38<br />4.2.5　算术与逻辑操作41<br />4.2.6　控制43<br />小结47<br />习题47<br />第5章　数的表示与处理49<br />5.1　整数的表示49<br />5.1.1　整型数据类型49<br />5.1.2　无符号数的编码50<br />5.1.3　补码编码51<br />5.1.4　有符号数与无符号数之间<br />的转换53<br />5.1.5　扩展与截断55<br />5.2　整数的运算57<br />5.2.1　C语言中的相关整型运算57<br />5.2.2　无符号加法59<br />5.2.3　补码加法59<br />5.2.4　无符号乘法61<br />5.2.5　补码乘法61<br />5.2.6　除以2的幂62<br />5.3　浮点数62<br />5.3.1　二进制小数63<br />5.3.2　IEEE浮点表示法63<br />5.3.3　浮点运算66<br />小结69<br />习题70<br />第6章　程序的机器级表示72<br />6.1　控制72<br />6.1.1　条件码73<br />6.1.2　访问条件码73<br />6.1.3　跳转指令及其编码74<br />6.1.4　条件分支76<br />6.1.5　条件传送指令78<br />6.1.6　循环80<br />6.1.7　switch语句85<br />6.2　过程87<br />6.2.1　栈帧结构88<br />6.2.2　转移控制89<br />6.2.3　参数转移91<br />6.2.4　递归过程95<br />6.3　数组分配和访问97<br />6.3.1　基本原则97<br />6.3.2　多维数组98<br />6.4　其他数据结构101<br />6.4.1　结构101<br />6.4.2　联合104<br />6.5　存储器越界引用和缓冲区溢出107<br />小结111<br />习题111<br />第7章　链接114<br />7.1　不应忽略的链接114<br />7.2　编译系统中的链接器115<br />7.3　静态链接116<br />7.4　目标文件117<br />7.5　可重定位目标文件118<br />7.6　符号表和符号122<br />7.7　符号解析124<br />7.7.1　解析多重定义的符号124<br />7.7.2　链接静态库126<br />7.7.3　静态库解析引用的过程129<br />7.8　重定位130<br />7.8.1　重定位表项131<br />7.8.2　重定位符号引用131<br />7.9　共享库132<br />小结137<br />习题138<br />第8章　存储器层次结构142<br />8.1　存储技术142<br />8.1.1　存储器的分类142<br />8.1.2　半导体存储器143<br />8.1.3　主存储器144<br />8.1.4　磁盘存储器152<br />8.1.5　固态硬盘159<br />8.1.6　存储技术趋势160<br />8.2　局部性162<br />8.2.1　程序数据引用的局部性162<br />8.2.2　指令引用的局部性164<br />8.2.3　局部性小结164<br />8.3　存储器层次结构164<br />8.3.1　存储器层次结构中的缓存165<br />8.3.2　概念小结168<br />8.4　高速缓存169<br />8.4.1　高速缓存的组织结构169<br />8.4.2　存储器层次结构的四个问题172<br />8.4.3　直接映射高速缓存174<br />8.4.4　组相联高速缓存180<br />8.4.5　全相联高速缓存181<br />8.4.6　高速缓存中的写182<br />8.4.7　Intel Core i7高速缓存层次<br />结构182<br />8.4.8　高速缓存的性能指标183<br />8.4.9　编写高速缓存友好的代码184<br />小结185<br />习题185<br />第9章　异常控制流189<br />9.1　异常189<br />9.1.1　异常处理190<br />9.1.2　异常分类191<br />9.2　进程193<br />9.3　进程控制196<br />9.3.1　获取进程标识符196<br />9.3.2　进程的创建197<br />9.3.3　进程的终止200<br />9.3.4　子进程回收200<br />9.3.5　加载并运行程序202<br />9.4　信号203<br />9.4.1　信号术语205<br />9.4.2　信号的发送206<br />9.4.3　信号的接收209<br />小结210<br />习题210<br />第10章　虚拟存储215<br />10.1　地址空间215<br />10.1.1　物理地址空间215<br />10.1.2　虚拟地址空间216<br />10.2　虚存的功能216<br />10.2.1　虚存的缓存功能216<br />10.2.2　虚存的存储管理功能222<br />10.2.3　虚存的存储保护功能223<br />10.3　从虚拟地址到物理地址224<br />10.3.1　高速缓存结合虚拟存储器225<br />10.3.2　快表225<br />10.3.3　多级页表226<br />10.3.4　重看寻址过程227<br />10.4　Linux的虚存系统227<br />10.5　存储器映射230<br />10.5.1　映射到共享对象230<br />10.5.2　回顾fork函数与execve函数232<br />10.5.3　mmap函数233<br />10.6　动态存储分配器234<br />小结236<br />习题236<br />第11章　程序优化238<br />11.1　计算机系统的功能与性能238<br />11.2　编译器优化代码239<br />11.3　程序性能的度量241<br />11.4　一个程序的进化过程242<br />11.4.1　函数combine1—待优化函数243<br />11.4.2　函数combine2 —代码移动<br />244<br />11.4.3　函数combine3—减少函数<br />调用244<br />11.4.4　函数combine4—使用局部<br />变量246<br />11.5　计算机体系结构与处理器247<br />11.5.1　处理器读取并解释存储在<br /> 存储器中的指令248<br />11.5.2　指令流水线251<br />11.5.3　指令间的相关性254<br />11.5.4　理解现代处理器254<br />11.6　循环展开257<br />11.7　提高并行性258<br />11.7.1　K路并行258<br />11.7.2　重新结合变换261<br />11.8　理解存储器性能264<br />11.8.1　加载的性能264<br />11.8.2　存储的性能265<br />11.9　Amdahl定律与Gustafson定律269<br />小结270<br />习题270<br />附录　VSPM–CPU的设计273