計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)

目　　錄
叢書序言
序　　言
前　　言
第一部分　系統(tǒng)概述和可執(zhí)行目標(biāo)文件的生成
第1章　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述2　
1.1　計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程2
　　　1.1.1　電子計(jì)算機(jī)的誕生2
　　　1.1.2　第一代計(jì)算機(jī)2
　　　1.1.3　第二代計(jì)算機(jī)3
　　　1.1.4　第三代計(jì)算機(jī)3
　　　1.1.5　第四代計(jì)算機(jī)4
　1.2　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本功能和基本組成5
　　　1.2.1　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本功能5
　　　1.2.2　計(jì)算機(jī)硬件6
　　　1.2.3　計(jì)算機(jī)軟件10
　1.3　程序開(kāi)發(fā)與執(zhí)行過(guò)程11
　　　1.3.1　從源程序到可執(zhí)行程序11
　　　1.3.2　可執(zhí)行文件的啟動(dòng)和執(zhí)行12
　　　1.3.3　程序中每條指令的執(zhí)行13
　1.4　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)15
　　　1.4.1　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)抽象層的轉(zhuǎn)換15
　　　1.4.2　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不同用戶17
　1.5　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)19
　　　1.5.1　計(jì)算機(jī)性能的定義19
　　　1.5.2　計(jì)算機(jī)性能的測(cè)試19
　　　1.5.3　用指令執(zhí)行速度進(jìn)行性能評(píng)估21
　　　1.5.4　用基準(zhǔn)程序進(jìn)行性能評(píng)估23
　1.6　本書的主要內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)24
　1.7　小結(jié)26
　習(xí)題27
第2章　數(shù)據(jù)的機(jī)器級(jí)表示與處理29
　2.1　數(shù)制和編碼29
　　　2.1.1　信息的二進(jìn)制編碼29
　　　2.1.2　進(jìn)位計(jì)數(shù)制31
　　　2.1.3　定點(diǎn)與浮點(diǎn)表示35
　　　2.1.4　定點(diǎn)數(shù)的編碼表示35
　2.2　整數(shù)的表示40
　　　2.2.1　無(wú)符號(hào)整數(shù)和帶符號(hào)整數(shù)的表示40
　　　2.2.2　C語(yǔ)言中的整數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換41
　2.3　浮點(diǎn)數(shù)的表示43
　　　2.3.1　浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍43
　　　2.3.2　浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化44
　　　2.3.3　IEEE 754浮點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)44
　　　2.3.4　C語(yǔ)言中的浮點(diǎn)數(shù)類型48
　2.4　十進(jìn)制數(shù)的表示50
　　　2.4.1　用ASCII碼字符表示50
　　　2.4.2　用BCD碼表示50
　2.5　非數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼表示51
　　　2.5.1　邏輯值51
　　　2.5.2　西文字符51
　　　2.5.3　漢字字符52
　2.6　數(shù)據(jù)的寬度和存儲(chǔ)54
　　　2.6.1　數(shù)據(jù)的寬度和單位54
　　　2.6.2　數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和排列順序55
　2.7　數(shù)據(jù)的基本運(yùn)算58
　　　2.7.1　按位運(yùn)算和邏輯運(yùn)算59
　　　2.7.2　左移運(yùn)算和右移運(yùn)算59
　　　2.7.3　位擴(kuò)展運(yùn)算和位截?cái)噙\(yùn)算61
　　　2.7.4　整數(shù)加減運(yùn)算61
　　　2.7.5　整數(shù)乘除運(yùn)算65
　　　2.7.6　常量的乘除運(yùn)算67
　　　2.7.7　浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算69
　2.8　小結(jié)73
　習(xí)題74
第3章　程序的轉(zhuǎn)換及機(jī)器級(jí)表示82
　3.1　程序轉(zhuǎn)換概述82
　　　3.1.1　機(jī)器指令及匯編指令83
　　　3.1.2　指令集體系結(jié)構(gòu)84
　　　3.1.3　生成機(jī)器代碼的過(guò)程84
　3.2　IA-32指令系統(tǒng)概述88
　　　3.2.1　數(shù)據(jù)類型及其格式89
　　　3.2.2　寄存器組織和尋址方式90
　3.3　IA-32常用指令類型及其操作95
　　　3.3.1　傳送指令95
　　　3.3.2　定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算指令98
　　　3.3.3　按位運(yùn)算指令101
　　　3.3.4　控制轉(zhuǎn)移指令102
　　　3.3.5　x87浮點(diǎn)處理指令107
　　　3.3.6　MMX/SSE指令集108
　3.4　C語(yǔ)言程序的機(jī)器級(jí)表示110
　　　3.4.1　過(guò)程調(diào)用的機(jī)器級(jí)表示110
　　　3.4.2　選擇語(yǔ)句的機(jī)器級(jí)表示121
　　　3.4.3　循環(huán)結(jié)構(gòu)的機(jī)器級(jí)表示125
　3.5　復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的分配和訪問(wèn)128
　　　3.5.1　數(shù)組的分配和訪問(wèn)128
　　　3.5.2　結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)的分配和訪問(wèn)132
　　　3.5.3　聯(lián)合體數(shù)據(jù)的分配和訪問(wèn)135
　　　3.5.4　數(shù)據(jù)的對(duì)齊137
　3.6　越界訪問(wèn)和緩沖區(qū)溢出138
　　　3.6.1　緩沖區(qū)溢出攻擊139
　　　3.6.2　緩沖區(qū)溢出攻擊的防范141
　3.7　兼容IA-32的64位系統(tǒng)143
　　　3.7.1　x86-64的發(fā)展簡(jiǎn)史143
　　　3.7.2　x86-64的基本特點(diǎn)144
　　　3.7.3　x86-64的基本指令和對(duì)齊144
　3.8　小結(jié)150
　習(xí)題151
第4章　程序的鏈接165
　4.1　編譯、匯編和靜態(tài)鏈接165
　　　4.1.1　編譯和匯編165
　　　4.1.2　可執(zhí)行目標(biāo)文件的生成166
　4.2　目標(biāo)文件格式168
　　　4.2.1　ELF目標(biāo)文件格式168
　　　4.2.2　可重定位目標(biāo)文件格式170
　　　4.2.3　可執(zhí)行目標(biāo)文件格式171
　4.3　符號(hào)表和符號(hào)解析173
　　　4.3.1　符號(hào)和符號(hào)表173
　　　4.3.2　符號(hào)解析176
　　　4.3.3　與靜態(tài)庫(kù)的鏈接179
　4.4　重定位181
　　　4.4.1　重定位信息182
　　　4.4.2　重定位過(guò)程182
　4.5　可執(zhí)行文件的加載186
　4.6　動(dòng)態(tài)鏈接188
　　　4.6.1　動(dòng)態(tài)鏈接的特性188
　　　4.6.2　程序加載時(shí)的動(dòng)態(tài)鏈接188
　　　4.6.3　程序運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)鏈接190
　4.7　小結(jié)191
　習(xí)題192
第二部分　可執(zhí)行目標(biāo)文件的運(yùn)行
第5章　程序的執(zhí)行200
　5.1　程序執(zhí)行概述200
　　　5.1.1　程序及指令的執(zhí)行過(guò)程200
　　　5.1.2　CPU的基本功能和組成202
　　　5.1.3　打斷程序正常執(zhí)行的事件204
　5.2　數(shù)據(jù)通路基本結(jié)構(gòu)和工作原理205
　　　5.2.1　數(shù)據(jù)通路基本結(jié)構(gòu)205
　　　5.2.2　數(shù)據(jù)通路的時(shí)序控制206
　　　5.2.3　數(shù)據(jù)通路基本工作原理208
　5.3　流水線方式下指令的執(zhí)行213
　　　5.3.1　指令流水線的基本原理213
　　　5.3.2　適合流水線的指令集特征217
　　　5.3.3　CISC和RISC風(fēng)格指令集217
　　　5.3.4　指令流水線的實(shí)現(xiàn)220
　　　5.3.5　高級(jí)流水線實(shí)現(xiàn)技術(shù)224
　5.4　小結(jié)225
　習(xí)題226
第6章　層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)229
　6.1　存儲(chǔ)器概述229
　　　6.1.1　存儲(chǔ)器的分類229
　　　6.1.2　主存儲(chǔ)器的組成和基本操作231
　　　6.1.3　存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)231
　　　6.1.4　各類存儲(chǔ)元件的特點(diǎn)232
　　　6.1.5　存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)233
　6.2　主存與CPU的連接及其讀寫操作233
　　　6.2.1　主存模塊的連接和讀寫操作233
　　　6.2.2　“裝入”指令和“存儲(chǔ)”指令操作過(guò)程237
　6.3　磁盤存儲(chǔ)器238
　　　6.3.1　磁盤存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)238
　　　6.3.2　磁盤存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)240
　　　6.3.3　磁盤存儲(chǔ)器的連接242
　　　6.3.4　固態(tài)硬盤243
　6.4　高速緩沖存儲(chǔ)器244
　　　6.4.1　程序訪問(wèn)的局部性244
　　　6.4.2　cache的基本工作原理246
　　　6.4.3　cache行和主存塊的映射248
　　　6.4.4　cache中主存塊的替換算法253
　　　6.4.5　cache一致性問(wèn)題254
　　　6.4.6　影響cache性能的因素255
　　　6.4.7　IA-32的cache結(jié)構(gòu)舉例257
　　　6.4.8　cache和程序性能258
　6.5　虛擬存儲(chǔ)器261
　　　6.5.1　虛擬存儲(chǔ)器的基本概念262
　　　6.5.2　虛擬地址空間263
　　　6.5.3　虛擬存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)264
　　　6.5.4　存儲(chǔ)保護(hù)271
*6.6　IA-32/Linux中的地址轉(zhuǎn)換272
　　　6.6.1　邏輯地址到線性地址的轉(zhuǎn)換272
　　　6.6.2　線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換277
　6.7　小結(jié)280
　習(xí)題280
第7章　異常控制流287
　7.1　進(jìn)程與進(jìn)程的上下文切換287
　　　7.1.1　程序和進(jìn)程的概念287
　　　7.1.2　進(jìn)程的邏輯控制流288
　　　7.1.3　進(jìn)程的上下文切換290
　　　7.1.4　進(jìn)程的私有地址空間291
　　　7.1.5　程序的加載和運(yùn)行293
　7.2　異常和中斷295
　　　7.2.1　基本概念295
　　　7.2.2　異常的分類296
　　　7.2.3　中斷的分類300
　　　7.2.4　異常和中斷的響應(yīng)過(guò)程301
　　?7.2.5　IA-32的中斷向量表303
　　?7.2.6　IA-32的中斷描述符表303
　　?7.2.7　IA-32中異常和中斷的處理305
　　?7.2.8　Linux對(duì)異常和中斷的處理306
　　?7.2.9　IA-32/Linux的系統(tǒng)調(diào)用309
　7.3　小結(jié)312
　習(xí)題312
第8章　I/O操作的實(shí)現(xiàn)315
　8.1　I/O子系統(tǒng)概述315
　8.2　用戶空間I/O軟件318
　　　8.2.1　用戶程序中的I/O函數(shù)319
　　　8.2.2　文件的基本概念320
　　　8.2.3　系統(tǒng)級(jí)I/O函數(shù)322
　　　8.2.4　C標(biāo)準(zhǔn)I/O庫(kù)函數(shù)324
　　　8.2.5　用戶程序中的I/O請(qǐng)求328
　8.3　I/O硬件與軟件的接口330
　　　8.3.1　I/O設(shè)備330
　　　8.3.2　設(shè)備控制器331
　　　8.3.3　I/O端口及其編址333
　　　8.3.4　I/O控制方式334
　8.4　內(nèi)核空間I/O軟件341
　　　8.4.1　與設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O軟件341
　　　8.4.2　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序343
　　　8.4.3　中斷服務(wù)程序344
　8.5　小結(jié)346
　習(xí)題347
附錄A　數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)352
附錄B　gcc的常用命令行選項(xiàng)366
附錄C　GDB的常用命令368
參考文獻(xiàn)371