PREFACE前　　言后PC時代的到來，使得原先基于PC而建立起來的專業(yè)教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)遠遠不能反映現(xiàn)代社會對計算機專業(yè)人才的培養(yǎng)要求，原先計算機專業(yè)人才培養(yǎng)強調(diào)“程序”設(shè)計也變?yōu)楦鼜娬{(diào)“系統(tǒng)”設(shè)計。這需要我們重新規(guī)劃教學(xué)課程體系，調(diào)整教學(xué)理念和教學(xué)內(nèi)容，加強學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)，使學(xué)生能夠深刻理解計算機系統(tǒng)整體概念，更好地掌握軟/硬件協(xié)同設(shè)計和程序設(shè)計技術(shù)，從而更多地培養(yǎng)出滿足業(yè)界需求的各類計算機專業(yè)人才。不管培養(yǎng)計算機系統(tǒng)哪個層面的計算機技術(shù)人才，計算機專業(yè)教育都要重視學(xué)生“系統(tǒng)觀”的培養(yǎng)。
本書的主要目的就是為加強計算機專業(yè)學(xué)生的“系統(tǒng)觀”而提供一本關(guān)于“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)的教材。
1.本書的寫作思路和內(nèi)容組織本書從程序員視角出發(fā)，重點介紹應(yīng)用程序員如何利用計算機系統(tǒng)相關(guān)知識來編寫更有效的程序。本書以高級語言程序的開發(fā)和運行過程為主線，將該過程中每個環(huán)節(jié)所涉及的硬件和軟件的基本概念關(guān)聯(lián)起來，試圖使讀者建立一個完整的計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)框架，了解計算機系統(tǒng)的全貌和相關(guān)知識體系，初步理解計算機系統(tǒng)中的每一個抽象層及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立高級語言程序、ISA、OS、編譯器、鏈接器等之間的相互關(guān)聯(lián)；對指令在硬件上的執(zhí)行過程和指令的底層硬件執(zhí)行機制有一定的認識和理解，從而增強讀者在程序的調(diào)試、性能優(yōu)化、移植和健壯性保證等方面的能力，并為后續(xù)的“計算機組成與設(shè)計”“操作系統(tǒng)”“編譯技術(shù)”“計算機體系結(jié)構(gòu)”等課程打下堅實基礎(chǔ)。
本書的具體內(nèi)容包括：程序中處理的數(shù)據(jù)在機器中的表示和運算、程序中各類控制語句對應(yīng)的機器級代碼的結(jié)構(gòu)、可執(zhí)行目標代碼的鏈接生成、可執(zhí)行目標代碼中的指令序列在機器上的執(zhí)行過程、存儲訪問過程、打斷程序正常執(zhí)行的機制以及程序中的I/O操作功能如何通過請求操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)來完成等。
不管構(gòu)建一個計算機系統(tǒng)的各類硬件和軟件多么千差萬別，計算機系統(tǒng)的構(gòu)建原理以及在計算機系統(tǒng)上的程序轉(zhuǎn)換和執(zhí)行機理是相通的，因而，本書僅介紹一種特定計算機系統(tǒng)平臺下的相關(guān)內(nèi)容。本書所用的平臺為IA-32/x86-64+Linux+GCC+C語言。
本書共有8章，分兩個部分。第一部分主要是系統(tǒng)概要并介紹可執(zhí)行目標文件的生成，包含第1～4章；第二部分主要介紹可執(zhí)行目標文件的運行，包含第5～8章。第1章是計算機系統(tǒng)概述；第2章和第3章分別介紹高級語言程序中的數(shù)據(jù)和語句所對應(yīng)的底層機器級表示，展示的是高級語言程序到機器級語言程序的對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系；第4章主要介紹如何將不同的程序模塊鏈接起來構(gòu)成可執(zhí)行目標文件，展示的是程序的鏈接環(huán)節(jié)；第5章和第6章著重介紹程序的運行環(huán)節(jié)，包括與程序運行密切相關(guān)的硬件部分——CPU及存儲器的組織；第7章介紹打斷程序正常運行的事件機制——異�？刂屏�；第8章主要介紹程序中I/O操作的實現(xiàn)機制。此外，附錄A中還補充了數(shù)字邏輯電路的基礎(chǔ)內(nèi)容，為那些沒有數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)知識的讀者閱讀本書提供方便。
2.讀者所需的背景知識本書假定讀者對C語言程序設(shè)計有一定的基礎(chǔ)，已經(jīng)掌握了C語言的語法和各類控制語句、數(shù)據(jù)類型及其運算、各類表達式、函數(shù)調(diào)用和C語言的標準庫函數(shù)等相關(guān)知識。
此外，本書對于程序中指令的執(zhí)行過程進行了介紹，這涉及布爾代數(shù)、邏輯運算電路、存儲部件等內(nèi)容，因而，本書正文內(nèi)容假定讀者具有數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)知識。不過，如果讀者不具備這些背景知識的話，可以參看本書附錄A。
本書所用的平臺為IA-32/x86-64+Linux+GCC+C語言。書中大多數(shù)C語言程序?qū)��?yīng)的機器級表示都是基于IA-32+Linux平臺用GCC編譯器生成的，本書會在介紹程序的機器級表示之前，先簡要介紹IA-32的指令集體系結(jié)構(gòu)，包括其機器語言和匯編語言的介紹，因而，讀者無須任何機器語言和匯編語言的背景知識。
XII3.使用本書作為教材的課程及教學(xué)建議目前國內(nèi)大學(xué)計算機專業(yè)課程設(shè)置，大多是按計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)進行橫向切分，自下而上分解成數(shù)字邏輯電路、計算機組成原理、匯編程序設(shè)計、操作系統(tǒng)、編譯原理、程序設(shè)計等課程，而且，每門課程都僅局限在本抽象層，相互之間幾乎沒有關(guān)聯(lián)，因而學(xué)生對整個計算機系統(tǒng)的認識過程就像“瞎子摸象”一樣，很難形成一個對完整計算機系統(tǒng)的全面認識。雖然國內(nèi)有些高校也有計算機系統(tǒng)概論、計算機系統(tǒng)入門或?qū)д撝�類的課程，但通常內(nèi)容較廣且結(jié)構(gòu)較松散，基本上是計算機課程概論，因而很難使學(xué)生真正形成計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)整體框架。
筆者對美國幾所頂級大學(xué)近年來相關(guān)課程體系進行了跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)他們都非常注重計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，都在講完高層的編程語言及程序設(shè)計課程后開設(shè)一門關(guān)于計算機系統(tǒng)的基礎(chǔ)課程，如MIT的6.004、UC-Berkeley的CS 61C、CMU的CS 213、斯坦福大學(xué)的CS 107等。這些課程在內(nèi)容上特別注重計算機系統(tǒng)各抽象層的縱向關(guān)聯(lián)，將高級語言程序、匯編語言程序、機器代碼及其執(zhí)行串聯(lián)起來，為學(xué)生進一步學(xué)習(xí)后續(xù)相關(guān)課程打下堅實的基礎(chǔ)。
本書在借鑒國外相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容和相關(guān)教材的基礎(chǔ)上編寫，適合于在完成程序設(shè)計基礎(chǔ)課程后進行學(xué)習(xí)。本書內(nèi)容貫穿計算機系