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(kāi)計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，計(jì)算機(jī)信息產(chǎn)業(yè)對(duì)我國(guó)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(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)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(zhuān)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(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)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(wú)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(guò)去十多年來(lái)，高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)在全國(guó)開(kāi)展了計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)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(mǎn)足業(yè)界需求的各類(lèi)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才。
雖然不同類(lèi)型高校的計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)有所區(qū)別，例如，對(duì)于應(yīng)用型大學(xué)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，畢業(yè)后絕大部分將從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)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(kāi)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(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)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(lèi)專(zhuān)業(yè)課程體系而設(shè)置。
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)用程序員應(yīng)該如何利用計(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)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(jí)語(yǔ)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(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)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(shū)從高級(jí)語(yǔ)言程序中的變量/常量及其運(yùn)算、控制結(jié)構(gòu)語(yǔ)句和函數(shù)調(diào)用出發(fā)，將C語(yǔ)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(shū)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(lèi)控制語(yǔ)句和函數(shù)調(diào)用對(duì)應(yīng)的機(jī)器級(jí)代碼結(jié)構(gòu)、復(fù)雜數(shù)據(jù)類(lèi)型的分配和訪(fǎng)問(wèn)、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(guò)程等。
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(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)共分8章：第1章是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述；第2章是高級(jí)語(yǔ)言程序；第3章和第4章分別介紹高級(jí)語(yǔ)言程序中數(shù)據(jù)的機(jī)器級(jí)表示及其在機(jī)器中的各類(lèi)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(yǔ)言程序中的函數(shù)調(diào)用和各類(lèi)語(yǔ)句所對(duì)應(yīng)的底層機(jī)器級(jí)表示，展示高級(jí)語(yǔ)言程序與機(jī)器級(jí)語(yǔ)言程序的對(duì)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(lái)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(jiǎn)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(shū)假定讀者有一定的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)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)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(guò)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(mén)電路等基礎(chǔ)知識(shí)，因而本書(shū)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(méi)有關(guān)系，本書(shū)4.1節(jié)對(duì)布爾代數(shù)和數(shù)字邏輯基礎(chǔ)進(jìn)行了簡(jiǎn)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(guò)程等內(nèi)容。
本書(shū)所用平臺(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/x86-64 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/x86-64指令集體系結(jié)構(gòu)，包括其機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，因而，讀者不需要具有任何機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的背景知識(shí)。
對(duì)于gcc工具軟件和GDB調(diào)試軟件的使用方法，本書(shū)附錄中做了簡(jiǎn)要介紹，許多使用上的細(xì)節(jié)問(wèn)題請(qǐng)讀者自行在網(wǎng)上搜索答案。
本書(shū)在課程體系中的位置
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)專(zhuān)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(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)程就像盲人摸象一樣，很難形成對(duì)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)。
本書(shū)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(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)，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(shū)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(shū)作為教材開(kāi)設(shè)的課程適用于所有計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)。使用本書(shū)作為教材開(kāi)設(shè)的課程名稱(chēng)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(jí)語(yǔ)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(lèi)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(lèi)課程的前導(dǎo)課程。
如何閱讀本書(shū)
本書(shū)試圖將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各抽象層涉及的重要概念通過(guò)程序的開(kāi)發(fā)和加載、執(zhí)行為主線(xiàn)串接起來(lái)，因而本書(shū)涉及的所有問(wèn)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(jí)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(guò)程中的異常中斷事件等。從讀者熟悉的程序開(kāi)發(fā)和加載、執(zhí)行出發(fā)來(lái)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(guò)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(shū)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(shū)時(shí)采用整體性學(xué)習(xí)方法：通過(guò)對(duì)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(guò)第2章高級(jí)語(yǔ)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(jí)語(yǔ)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(guò)對(duì)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(lái)，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(shū)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(guò)對(duì)這些示例的分析或驗(yàn)證性實(shí)踐，讀者可以對(duì)基本概念有更加深刻的理解。因此，讀者在閱讀本書(shū)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(guò)具體的程序示例來(lái)對(duì)照基本概念和相關(guān)手冊(cè)中的具體規(guī)定進(jìn)行理解。
本書(shū)提供的小貼士對(duì)理解書(shū)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(jiǎn)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(shū)雖然涉及高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、數(shù)字邏輯電路、匯編語(yǔ)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(shū)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(zhuān)業(yè)書(shū)籍。不過(guò)，若讀者學(xué)完本書(shū)后再去閱讀專(zhuān)業(yè)書(shū)籍，則會(huì)輕松很多。
致謝
衷心感謝在本書(shū)的編寫(xiě)過(guò)程中給予我熱情鼓勵(lì)和中肯建議的各位專(zhuān)家、同事和學(xué)生，正是因?yàn)橛兴麄兊谋薏�、鼓�?lì)和協(xié)助，本書(shū)的編寫(xiě)才能順利完成。
在本書(shū)的編寫(xiě)過(guò)程中，得到了國(guó)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(zhuān)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(duì)本書(shū)提出了許多寶貴的修改意見(jiàn)，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(guó)石油大學(xué)（華東）張瓊聲副教授從書(shū)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(jiàn)，中國(guó)海洋大學(xué)蔣永國(guó)副教授對(duì)本書(shū)的編寫(xiě)修改提出了很好的建議，中國(guó)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(shū)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(mén)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(duì)講稿內(nèi)容與教學(xué)過(guò)程所提出的寶貴反饋和改進(jìn)意見(jiàn)，這使本書(shū)的內(nèi)容得以不斷改進(jìn)和完善。本書(shū)第二作者余子濠博士對(duì)書(shū)中大部分程序進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)書(shū)中相關(guān)內(nèi)容與對(duì)應(yīng)手冊(cè)中的規(guī)定進(jìn)行了詳細(xì)的核對(duì)和審查，對(duì)一些關(guān)鍵內(nèi)容提出了有益的修改意見(jiàn)。
結(jié)束語(yǔ)
本書(shū)廣泛參考了國(guó)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(yǔ)言通俗易懂、實(shí)例深入淺出，并盡量利用圖示和實(shí)例來(lái)解釋和說(shuō)明問(wèn)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(xiě)中難免存在不當(dāng)或遺漏之處，懇請(qǐng)廣大讀者對(duì)本書(shū)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