PREFACE前　　言后PC時(shí)代的到來(lái)，使得原先基于PC而建立起來(lái)的專(zhuān)業(yè)教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能反映現(xiàn)代社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)要求，原先計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)“程序”設(shè)計(jì)也變?yōu)楦鼜?qiáng)調(diào)“系統(tǒng)”設(shè)計(jì)。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(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)和程序設(shè)計(jì)技術(shù)，從而更多地培養(yǎng)出滿(mǎn)足業(yè)界需求的各類(lèi)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才。不管培養(yǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)哪個(gè)層面的計(jì)算機(jī)技術(shù)人才，計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教育都要重視學(xué)生“系統(tǒng)觀”的培養(yǎng)。
本書(shū)的主要目的就是為加強(qiáng)計(jì)算機(jī)專(zhuān)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)基礎(chǔ)”課程教學(xué)的教材。
1.本書(shū)的寫(xiě)作思路和內(nèi)容組織本書(shū)從程序員視角出發(fā)，重點(diǎn)介紹應(yīng)用程序員如何利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)來(lái)編寫(xiě)更有效的程序。本書(shū)以高級(jí)語(yǔ)言程序的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行過(guò)程為主線(xiàn)，將該過(guò)程中每個(gè)環(huán)節(jié)所涉及的硬件和軟件的基本概念關(guān)聯(lián)起來(lái)，試圖使讀者建立一個(gè)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)的全貌和相關(guān)知識(shí)體系，初步理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的每一個(gè)抽象層及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立高級(jí)語(yǔ)言程序、ISA、OS、編譯器、鏈接器等之間的相互關(guān)聯(lián)；對(duì)指令在硬件上的執(zhí)行過(guò)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)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(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)”“操作系統(tǒng)”“編譯技術(shù)”“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”等課程打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
本書(shū)的具體內(nèi)容包括：程序中處理的數(shù)據(jù)在機(jī)器中的表示和運(yùn)算、程序中各類(lèi)控制語(yǔ)句對(duì)應(yīng)的機(jī)器級(jí)代碼的結(jié)構(gòu)、可執(zhí)行目標(biāo)代碼的鏈接生成、可執(zhí)行目標(biāo)代碼中的指令序列在機(jī)器上的執(zhí)行過(guò)程、存儲(chǔ)訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程、打斷程序正常執(zhí)行的機(jī)制以及程序中的I/O操作功能如何通過(guò)請(qǐng)求操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)來(lái)完成等。
不管構(gòu)建一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各類(lèi)硬件和軟件多么千差萬(wàn)別，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)上的程序轉(zhuǎn)換和執(zhí)行機(jī)理是相通的，因而，本書(shū)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(shū)所用的平臺(tái)為IA-32/x86-64+Linux+GCC+C語(yǔ)言。
本書(shū)共有8章，分兩個(gè)部分。第一部分主要是系統(tǒng)概要并介紹可執(zhí)行目標(biāo)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(biāo)文件的運(yùn)行，包含第5～8章。第1章是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述；第2章和第3章分別介紹高級(jí)語(yǔ)言程序中的數(shù)據(jù)和語(yǔ)句所對(duì)應(yīng)的底層機(jī)器級(jí)表示，展示的是高級(jí)語(yǔ)言程序到機(jī)器級(jí)語(yǔ)言程序的對(duì)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(lái)構(gòu)成可執(zhí)行目標(biāo)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(yùn)行環(huán)節(jié)，包括與程序運(yùn)行密切相關(guān)的硬件部分——CPU及存儲(chǔ)器的組織；第7章介紹打斷程序正常運(yùn)行的事件機(jī)制——異�？刂屏�；第8章主要介紹程序中I/O操作的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。此外，附錄A中還補(bǔ)充了數(shù)字邏輯電路的基礎(chǔ)內(nèi)容，為那些沒(méi)有數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)知識(shí)的讀者閱讀本書(shū)提供方便。
2.讀者所需的背景知識(shí)本書(shū)假定讀者對(duì)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)有一定的基礎(chǔ)，已經(jīng)掌握了C語(yǔ)言的語(yǔ)法和各類(lèi)控制語(yǔ)句、數(shù)據(jù)類(lèi)型及其運(yùn)算、各類(lèi)表達(dá)式、函數(shù)調(diào)用和C語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)等相關(guān)知識(shí)。
此外，本書(shū)對(duì)于程序中指令的執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行了介紹，這涉及布爾代數(shù)、邏輯運(yùn)算電路、存儲(chǔ)部件等內(nèi)容，因而，本書(shū)正文內(nèi)容假定讀者具有數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)知識(shí)。不過(guò)，如果讀者不具備這些背景知識(shí)的話(huà)，可以參看本書(shū)附錄A。
本書(shū)所用的平臺(tái)為IA-32/x86-64+Linux+GCC+C語(yǔ)言。書(shū)中大多數(shù)C語(yǔ)言程序?qū)��?yīng)的機(jī)器級(jí)表示都是基于IA-32+Linux平臺(tái)用GCC編譯器生成的，本書(shū)會(huì)在介紹程序的機(jī)器級(jí)表示之前，先簡(jiǎn)要介紹IA-32的指令集體系結(jié)構(gòu)，包括其機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的介紹，因而，讀者無(wú)須任何機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的背景知識(shí)。
XII3.使用本書(shū)作為教材的課程及教學(xué)建議目前國(guó)內(nèi)大學(xué)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置，大多是按計(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(mén)課程都僅局限在本抽象層，相互之間幾乎沒(méi)有關(guān)聯(lián)，因而學(xué)生對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)過(guò)程就像“瞎子摸象”一樣，很難形成一個(gè)對(duì)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)。雖然國(guó)內(nèi)有些高校也有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)入門(mén)或?qū)д撝��?lèi)的課程，但通常內(nèi)容較廣且結(jié)構(gòu)較松散，基本上是計(jì)算機(jī)課程概論，因而很難使學(xué)生真正形成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)整體框架。
筆者對(duì)美國(guó)幾所頂級(jí)大學(xué)近年來(lái)相關(guān)課程體系進(jìn)行了跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)他們都非常注重計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，都在講完高層的編程語(yǔ)言及程序設(shè)計(jì)課程后開(kāi)設(shè)一門(mén)關(guān)于計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)各抽象層的縱向關(guān)聯(lián)，將高級(jí)語(yǔ)言程序、匯編語(yǔ)言程序、機(jī)器代碼及其執(zhí)行串聯(lián)起來(lái)，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)。
本書(shū)在借鑒國(guó)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(xiě)，適合于在完成程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程后進(jìn)行學(xué)習(xí)。本書(shū)內(nèi)容貫穿計(jì)算機(jī)系