前　　言
隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，早期多人一機(jī)的主機(jī)終端模式發(fā)展為PC（個(gè)人計(jì)算機(jī)）時(shí)代的一人一機(jī)模式，又發(fā)展為如今的人機(jī)物互聯(lián)的智能化大數(shù)據(jù)并行計(jì)算模式�，F(xiàn)如今各行各業(yè)都離不開計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，計(jì)算機(jī)信息產(chǎn)業(yè)對我國現(xiàn)代化戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮著極其重要的支撐作用。這對計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高的要求，原先傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)課程體系和教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能反映現(xiàn)代社會(huì)對計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的培養(yǎng)要求，特別是傳統(tǒng)課程體系按計(jì)算機(jī)系統(tǒng)抽象層劃分課程，不同課程內(nèi)容之間相互割裂，軟件和硬件分離，導(dǎo)致學(xué)生無法形成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，缺乏系統(tǒng)思維。為此，過去十多年來，高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)在全國開展了計(jì)算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)改革，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(qiáng)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)，使學(xué)生能夠深刻理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體概念，更好地掌握軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)和并行程序設(shè)計(jì)技術(shù)，從而更多地培養(yǎng)出滿足業(yè)界需求的各類計(jì)算機(jī)專業(yè)人才。
雖然不同類型高校的計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)有所區(qū)別，例如，對于應(yīng)用型大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生來說，畢業(yè)后絕大部分將從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)工作而不會(huì)直接從事計(jì)算機(jī)硬件和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)工作，但是，不管培養(yǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)哪個(gè)層面的技術(shù)人才，計(jì)算機(jī)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(qiáng)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)觀而提供一本關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論課程教學(xué)的教材，該課程主要面向應(yīng)用型大學(xué)的計(jì)算機(jī)類專業(yè)課程體系而設(shè)置。
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(diǎn)介紹應(yīng)用程序員應(yīng)該如何利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)來編寫更有效的程序。本書以高級語言程序的開發(fā)和運(yùn)行過程為主線，將該過程中每個(gè)環(huán)節(jié)涉及的硬件和軟件的基本概念關(guān)聯(lián)起來，試圖使讀者建立完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)框架，了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)全貌和相關(guān)知識(shí)體系，初步理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中每個(gè)抽象層及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立高級語言程序、ISA（指令集體系結(jié)構(gòu)）、OS（操作系統(tǒng)）、編譯器、鏈接器之間的相互關(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(jī)制有一定的認(rèn)識(shí)和理解，從而增強(qiáng)程序調(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)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
本書從高級語言程序中的變量/常量及其運(yùn)算、控制結(jié)構(gòu)語句和函數(shù)調(diào)用出發(fā)，將C語言程序與后續(xù)各章節(jié)的內(nèi)容建立關(guān)聯(lián)并進(jìn)行導(dǎo)引。本書的具體內(nèi)容包括數(shù)據(jù)在機(jī)器中的表示、數(shù)據(jù)在機(jī)器中的基本運(yùn)算、指令集體系結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容、程序中各類控制語句和函數(shù)調(diào)用對應(yīng)的機(jī)器級代碼結(jié)構(gòu)、復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的分配和訪問、緩沖區(qū)溢出及其攻擊和防范、可執(zhí)行目標(biāo)代碼的鏈接和加載、可執(zhí)行文件中指令序列的基本執(zhí)行過程等。
不管構(gòu)建一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各類硬件和軟件差別有多大，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)建原理以及在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上程序的轉(zhuǎn)換和執(zhí)行機(jī)理都是相通的，因而，本書僅介紹一種特定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)下的相關(guān)內(nèi)容。
本書共分8章：第1章是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述；第2章是高級語言程序；第3章和第4章分別介紹高級語言程序中數(shù)據(jù)的機(jī)器級表示及其在機(jī)器中的各類基本運(yùn)算方法；第5章主要介紹IA-32/x86-64指令系統(tǒng)；第6章介紹C語言程序中的函數(shù)調(diào)用和各類語句所對應(yīng)的底層機(jī)器級表示，展示高級語言程序與機(jī)器級語言程序的對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系；第7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(biāo)文件，展示程序的鏈接環(huán)節(jié)；第8章簡要介紹程序的加載和執(zhí)行，包括進(jìn)程的存儲(chǔ)器映射和進(jìn)程的上下文切換，以及用于執(zhí)行程序的CPU的基本功能和基本組成。
讀者所需的背景知識(shí)
本書假定讀者有一定的C語言程序設(shè)計(jì)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(yùn)算、各類表達(dá)式、函數(shù)調(diào)用和C語言的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)等相關(guān)知識(shí)。
此外，本書介紹了計(jì)算機(jī)中的基本運(yùn)算電路和程序中指令的執(zhí)行過程，理解這些內(nèi)容需要掌握布爾代數(shù)、邏輯表達(dá)式和基本邏輯門電路等基礎(chǔ)知識(shí)，因而本書假定讀者具有數(shù)字邏輯電路課程的基礎(chǔ)。如果讀者不具備這些背景知識(shí)也沒有關(guān)系，本書4.1節(jié)對布爾代數(shù)和數(shù)字邏輯基礎(chǔ)進(jìn)行了簡要介紹，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步學(xué)習(xí)和理解基本運(yùn)算電路與指令執(zhí)行過程等內(nèi)容。
本書所用平臺(tái)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(jī)器級表示都是基于IA-32/x86-64 Linux平臺(tái)用GCC編譯器生成的。本書會(huì)在介紹程序的機(jī)器級表示之前，先簡要介紹IA-32/x86-64指令集體系結(jié)構(gòu)，包括其機(jī)器語言和匯編語言，因而，讀者不需要具有任何機(jī)器語言和匯編語言的背景知識(shí)。
對于gcc工具軟件和GDB調(diào)試軟件的使用方法，本書附錄中做了簡要介紹，許多使用上的細(xì)節(jié)問題請讀者自行在網(wǎng)上搜索答案。
本書在課程體系中的位置
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系設(shè)置多按計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫向切分，自下而上分解成數(shù)字邏輯電路、計(jì)算機(jī)組成原理、匯編程序設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)、編譯原理、程序設(shè)計(jì)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(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)過程就像盲人摸象一樣，很難形成對完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)。
本書在內(nèi)容上注重計(jì)算機(jī)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(jī)器代碼及其執(zhí)行串聯(lián)起來，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)后續(xù)相關(guān)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，適合在完成程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程后進(jìn)行學(xué)習(xí)。本書內(nèi)容貫穿計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)抽象層，是關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最基礎(chǔ)的內(nèi)容，因而使用本書作為教材開設(shè)的課程適用于所有計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)。使用本書作為教材開設(shè)的課程名稱可以是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)等，該課程作為高級語言程序設(shè)計(jì)課程的解疑答惑課程，在程序設(shè)計(jì)課程、講解程序編譯轉(zhuǎn)換及程序運(yùn)行和系統(tǒng)管理機(jī)制等系統(tǒng)類課程之間起著承上啟下的作用，因此該課程可以是后續(xù)所有系統(tǒng)類課程的前導(dǎo)課程。
如何閱讀本書
本書試圖將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各抽象層涉及的重要概念通過程序的開發(fā)和加載、執(zhí)行為主線串接起來，因而本書涉及的所有問題和內(nèi)容都是從程序出發(fā)的，這些內(nèi)容涉及程序中數(shù)據(jù)的表示及運(yùn)算，或者涉及程序?qū)��?yīng)的機(jī)器級表示，或者涉及多個(gè)程序模塊的鏈接，或者涉及程序的加載及執(zhí)行，或者涉及程序執(zhí)行過程中的異常中斷事件等。從讀者熟悉的程序開發(fā)和加載、執(zhí)行出發(fā)來介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本概念，可以使讀者將新學(xué)的概念與已有的知識(shí)建立關(guān)聯(lián)，不斷拓展和深化知識(shí)體系。特別是，因?yàn)樗�有�?nèi)容都從程序出發(fā)，所以所有內(nèi)容都可以通過具體程序進(jìn)行驗(yàn)證，讀者可以在邊學(xué)邊做中將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐能力。
本書雖然涉及內(nèi)容較廣，但所有內(nèi)容之間具有非常緊密的關(guān)聯(lián)，因而，建議讀者在閱讀本書時(shí)采用整體性學(xué)習(xí)方法：通過對第1章的學(xué)習(xí)先建立一個(gè)粗略的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體框架；然后通過第2章高級語言程序的相關(guān)內(nèi)容，一邊回顧前導(dǎo)課程所學(xué)內(nèi)容，一邊將高級語言程序中的相關(guān)內(nèi)容與后續(xù)各章內(nèi)容建立關(guān)聯(lián)；再不斷地通過對后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)，將新的內(nèi)容與前面所學(xué)內(nèi)容貫穿起來，以逐步細(xì)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)框架內(nèi)容，最終形成比較完整的、相互密切關(guān)聯(lián)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體概念。
本書提供了大量的例題和課后習(xí)題，這些題目大多是具體的程序示例，通過對這些示例的分析或驗(yàn)證性實(shí)踐，讀者可以對基本概念有更加深刻的理解。因此，讀者在閱讀本書時(shí)，若遇到一些難以理解的概念，可以先不用仔細(xì)琢磨，而是通過具體的程序示例來對照基本概念和相關(guān)手冊中的具體規(guī)定進(jìn)行理解。
本書提供的小貼士對理解書中的基本概念很有用，由于篇幅有限，這些補(bǔ)充資料不可能占用很大篇幅，大多是簡要內(nèi)容。如果讀者希望了解更多細(xì)節(jié)，可以自行到網(wǎng)上查找。
本書雖然涉及高級語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)字邏輯電路、匯編語言程序、計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯和鏈接等內(nèi)容，但是，本書主要講解它們之間的關(guān)聯(lián)，而不提供其細(xì)節(jié)，如果讀者想要了解更詳細(xì)的關(guān)于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等方面的內(nèi)容，還是要閱讀相關(guān)的專業(yè)書籍。不過，若讀者學(xué)完本書后再去閱讀專業(yè)書籍，則會(huì)輕松很多。
致謝
衷心感謝在本書的編寫過程中給予我熱情鼓勵(lì)和中肯建議的各位專家、同事和學(xué)生，正是因?yàn)橛兴麄兊谋薏摺⒐膭?lì)和協(xié)助，本書的編寫才能順利完成。
在本書的編寫過程中，得到了國防科技大學(xué)王志英教授、北京航空航天大學(xué)馬殿富教授、西北工業(yè)大學(xué)周興社教授、武漢大學(xué)何炎祥教授、北京大學(xué)陳向群教授等各位專家的悉心指導(dǎo)和熱情鼓勵(lì)，浙江大學(xué)城市學(xué)院楊起帆教授對本書提出了許多寶貴的修改意見，西安郵電大學(xué)陳莉君教授、山東大學(xué)楊興強(qiáng)教授和中國石油大學(xué)（華東）張瓊聲副教授從書稿的篇章結(jié)構(gòu)到內(nèi)容各方面都提出了許多寶貴的意見，中國海洋大學(xué)蔣永國副教授對本書的編寫修改提出了很好的建議，中國石油大學(xué)（華東）范志東同學(xué)提供了第7章中某可執(zhí)行文件程序頭表中的部分信息，在此表示衷心的感謝。
本書以我在南京大學(xué)講授的計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)兩門課程的部分講稿內(nèi)容為基礎(chǔ)，感謝南京大學(xué)各位同人和各屆學(xué)生對講稿內(nèi)容與教學(xué)過程所提出的寶貴反饋和改進(jìn)意見，這使本書的內(nèi)容得以不斷改進(jìn)和完善。本書第二作者余子濠博士對書中大部分程序進(jìn)行了驗(yàn)證，并對書中相關(guān)內(nèi)容與對應(yīng)手冊中的規(guī)定進(jìn)行了詳細(xì)的核對和審查，對一些關(guān)鍵內(nèi)容提出了有益的修改意見。
結(jié)束語
本書廣泛參考了國內(nèi)外相關(guān)的經(jīng)典教材和教案，在內(nèi)容上力求做到取材先進(jìn)并反映技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀；在內(nèi)容的組織和描述上力求概念準(zhǔn)確、語言通俗易懂、實(shí)例深入淺出，并盡量利用圖示和實(shí)例來解釋和說明問題。但是，由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)仍在不斷發(fā)展，新的思想、概念、技術(shù)和方法不斷涌現(xiàn)，加之作者水平有限，在編寫中難免存在不當(dāng)或遺漏之處，懇請廣大讀者對本書的不足之處給予指正，以便在后續(xù)的版本中予以改進(jìn)。

袁春風(fēng)　于南京
2023年3月