計算機系統(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)行目標文件的生成
第1章　計算機系統(tǒng)概述2　
1.1　計算機的發(fā)展歷程2
　　　1.1.1　電子計算機的誕生2
　　　1.1.2　第一代計算機2
　　　1.1.3　第二代計算機3
　　　1.1.4　第三代計算機3
　　　1.1.5　第四代計算機4
　1.2　計算機系統(tǒng)的基本功能和基本組成5
　　　1.2.1　計算機系統(tǒng)的基本功能5
　　　1.2.2　計算機硬件6
　　　1.2.3　計算機軟件10
　1.3　程序開發(fā)與執(zhí)行過程11
　　　1.3.1　從源程序到可執(zhí)行程序11
　　　1.3.2　可執(zhí)行文件的啟動和執(zhí)行12
　　　1.3.3　程序中每條指令的執(zhí)行13
　1.4　計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)15
　　　1.4.1　計算機系統(tǒng)抽象層的轉(zhuǎn)換15
　　　1.4.2　計算機系統(tǒng)的不同用戶17
　1.5　計算機系統(tǒng)性能評價19
　　　1.5.1　計算機性能的定義19
　　　1.5.2　計算機性能的測試19
　　　1.5.3　用指令執(zhí)行速度進行性能評估21
　　　1.5.4　用基準程序進行性能評估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)的機器級表示與處理29
　2.1　數(shù)制和編碼29
　　　2.1.1　信息的二進制編碼29
　　　2.1.2　進位計數(shù)制31
　　　2.1.3　定點與浮點表示35
　　　2.1.4　定點數(shù)的編碼表示35
　2.2　整數(shù)的表示40
　　　2.2.1　無符號整數(shù)和帶符號整數(shù)的表示40
　　　2.2.2　C語言中的整數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換41
　2.3　浮點數(shù)的表示43
　　　2.3.1　浮點數(shù)的表示范圍43
　　　2.3.2　浮點數(shù)的規(guī)格化44
　　　2.3.3　IEEE 754浮點數(shù)標準44
　　　2.3.4　C語言中的浮點數(shù)類型48
　2.4　十進制數(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)的存儲和排列順序55
　2.7　數(shù)據(jù)的基本運算58
　　　2.7.1　按位運算和邏輯運算59
　　　2.7.2　左移運算和右移運算59
　　　2.7.3　位擴展運算和位截斷運算61
　　　2.7.4　整數(shù)加減運算61
　　　2.7.5　整數(shù)乘除運算65
　　　2.7.6　常量的乘除運算67
　　　2.7.7　浮點數(shù)運算69
　2.8　小結(jié)73
　習(xí)題74
第3章　程序的轉(zhuǎn)換及機器級表示82
　3.1　程序轉(zhuǎn)換概述82
　　　3.1.1　機器指令及匯編指令83
　　　3.1.2　指令集體系結(jié)構(gòu)84
　　　3.1.3　生成機器代碼的過程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　定點算術(shù)運算指令98
　　　3.3.3　按位運算指令101
　　　3.3.4　控制轉(zhuǎn)移指令102
　　　3.3.5　x87浮點處理指令107
　　　3.3.6　MMX/SSE指令集108
　3.4　C語言程序的機器級表示110
　　　3.4.1　過程調(diào)用的機器級表示110
　　　3.4.2　選擇語句的機器級表示121
　　　3.4.3　循環(huán)結(jié)構(gòu)的機器級表示125
　3.5　復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的分配和訪問128
　　　3.5.1　數(shù)組的分配和訪問128
　　　3.5.2　結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)的分配和訪問132
　　　3.5.3　聯(lián)合體數(shù)據(jù)的分配和訪問135
　　　3.5.4　數(shù)據(jù)的對齊137
　3.6　越界訪問和緩沖區(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)展簡史143
　　　3.7.2　x86-64的基本特點144
　　　3.7.3　x86-64的基本指令和對齊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)行目標文件的生成166
　4.2　目標文件格式168
　　　4.2.1　ELF目標文件格式168
　　　4.2.2　可重定位目標文件格式170
　　　4.2.3　可執(zhí)行目標文件格式171
　4.3　符號表和符號解析173
　　　4.3.1　符號和符號表173
　　　4.3.2　符號解析176
　　　4.3.3　與靜態(tài)庫的鏈接179
　4.4　重定位181
　　　4.4.1　重定位信息182
　　　4.4.2　重定位過程182
　4.5　可執(zhí)行文件的加載186
　4.6　動態(tài)鏈接188
　　　4.6.1　動態(tài)鏈接的特性188
　　　4.6.2　程序加載時的動態(tài)鏈接188
　　　4.6.3　程序運行時的動態(tài)鏈接190
　4.7　小結(jié)191
　習(xí)題192
第二部分　可執(zhí)行目標文件的運行
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　指令流水線的實現(xiàn)220
　　　5.3.5　高級流水線實現(xiàn)技術(shù)224
　5.4　小結(jié)225
　習(xí)題226
第6章　層次結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)229
　6.1　存儲器概述229
　　　6.1.1　存儲器的分類229
　　　6.1.2　主存儲器的組成和基本操作231
　　　6.1.3　存儲器的主要性能指標231
　　　6.1.4　各類存儲元件的特點232
　　　6.1.5　存儲器的層次結(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”指令操作過程237
　6.3　磁盤存儲器238
　　　6.3.1　磁盤存儲器的結(jié)構(gòu)238
　　　6.3.2　磁盤存儲器的性能指標240
　　　6.3.3　磁盤存儲器的連接242
　　　6.3.4　固態(tài)硬盤243
　6.4　高速緩沖存儲器244
　　　6.4.1　程序訪問的局部性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　虛擬存儲器261
　　　6.5.1　虛擬存儲器的基本概念262
　　　6.5.2　虛擬地址空間263
　　　6.5.3　虛擬存儲器的實現(xiàn)264
　　　6.5.4　存儲保護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　進程與進程的上下文切換287
　　　7.1.1　程序和進程的概念287
　　　7.1.2　進程的邏輯控制流288
　　　7.1.3　進程的上下文切換290
　　　7.1.4　進程的私有地址空間291
　　　7.1.5　程序的加載和運行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I/O函數(shù)322
　　　8.2.4　C標準I/O庫函數(shù)324
　　　8.2.5　用戶程序中的I/O請求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)備無關(guān)的I/O軟件341
　　　8.4.2　設(shè)備驅(qū)動程序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366
附錄C　GDB的常用命令368
參考文獻371