计算机系统基础

计算机系统基础
计算机系统基础，就是描述程序的底层执行机制。

通俗点，软件的程序和硬件的逻辑之间的关系。

计算机系统基础，所包括的能力：
对系统深刻的理解,能够站在系统的高度考虑和解决应用问题,具有系统层面的认知和设计能力,包括:
能够对软,硬件功能进行合理划分
能够对系统不同层次进行抽象和封装
能够对系统的整体性能进行分析和调优
能够对系统各层面的错误进行调试和修正
能够根据系统实现机理对用户程序进行准确的性能评估和优化能够根据不同的应用要求合理构建系统框架等
要达到上述这些在系统层面上的分析,设计,检错和调优等系统能力,显然需要提高学生对整个计算机系统实现机理的认识,包括: 对计算机系统整机概念的认识
对计算机系统层次结构的深刻理解
对高级语言程序,ISA,OS,编译器,链接器等之间关系的深入掌握对指令在硬件上执行过程的理解和认识
对构成计算机硬件的基本电路特性和设计方法等的基本了解等从而能够更深刻地理解时空开销和权衡,抽象和建模,分而治之,缓存和局部性,吞吐率和时延,并发和并行,远程过程调用(RPC),权限和保护等重要的核心概念,掌握现代计算机系统中最核心的技术和实现方
法.
上面是摘自课程中的箴言，是对计算机同学提出的要求。

而对我来说，需要从反面来看这些内容：
计算机系统中CPU的角色是怎样的
计算机系统中CPU和其他部分的联系，尤其是OS、编译器等的关系
他们软件是怎么在CPU上运作的
CPU该怎么做才能发挥性能，让程序运行的更快
CPU和软件之间要承担的任务应当是权衡的，比如有的事让硬件做性能更好，有的事让软件做灵活性更高。

令任务为止。
采用二进制和程序存储
John von Neumann 冯•诺依曼
精品资料
冯·诺依曼计算机结构(jiégòu)注意：其中5-10是个
模型
重复的过程
1
程序+ 数据
10
反 馈 信 号
输入
设备 4
请响
2
求 信
应 信
号 号3
运算器
8
存9
取数
数
（内）存储器
(dìzh ǐ)
7
地
பைடு நூலகம்
指 令
5
址
控制器
操 作 命 令
什么(shén me)是现代计算机？
计算机是一种无须人工干预，能对各种信息进 行存储和快速(kuài sù)处理的电子设备。
现代计算机是电子驱动的，其本质特征是存储 控制，即将事先编好的“程序”（指令和数据） 存入“存储器”中，然后计算机就可以按照程 序步骤自动连续执行。
? 思考：计算器和计算机的区别。
精品资料
4. 主要(zhǔyào)性能指标：
➢ 字长 CPU一次所能处理的数据(shùjù)的二进制位数；CPU字长有8bit，16bit， 32bit，64bit等，目前流行的微机主要采用32bit。
➢ 工作频率
➢ 即CPU每秒所能执行的指令条数，常用主频表示，CPU主频通常以MH （兆赫）和GH（千兆赫）为单位，１MH 指每秒执行１百万条指令。目前 流行的CPU的主频均已达GH 数量级
三大芯片 北桥芯片－决定主板性能高
低(gāodī) 南桥芯片－决定主板功能多
少
精品资料
CPU插座 (chāzuò)
目前CPU均采用Socket插座(chāzuò)，Socket插座 (chāzuò)根据CPU引脚的多少进行编号。

3.3 计算机软件系统
3.3.2 程序设计、语言和源程序 能提供翻译功能的程序称为翻译程序，又称为翻译 器。 目前有三种翻译程序：汇编程序（又称为汇编器）、 编译程序（又称为编译器或翻译器）、解释程序 （又称为解释器）。Biblioteka ogo3.3 计算机软件系统
3.3.2 程序设计、语言和源程序 目前，程序设计语言可分为机器语言、汇编语言、高 级语言、面向对象程序设计语言和脚本语言等多种。 机器语言是以二进制代码“０”和“１”形式表示 指令的低级语言。 机器语言既难理解又难掌握，但 它是计算机唯一能直接执行的语言，其他任何语言 都必须翻译成这种语言才能交付计算机执行。
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3.2 计算机硬件系统
3.2.4 输入/输出设备 输入设备用来把人们能够识别的信息，如声音、文字、 图形、图像甚至控制信号转换成计算机能够识别的二进 制形式并存放在计算机的存储器中。 常见的输入设备有 磁盘、键盘、鼠标、扫描仪、数码相机等。 输出设备能把计算机处理后的信息以人们能够识别的形 式，如声音、文字、图形、图像等形式表示出来。 输出 设备包括磁盘、屏幕、打印机、音箱等。
第３章 计算机系统基础
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目录
3.1 计算机系统的组成
3.2
计算机硬件系统
3.3
计算机软件系统
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3.1 计算机系统的组成
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目录
3.1 计算机系统的组成
3.2
计算机硬件系统
3.3
计算机软件系统
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3.2 计算机硬件系统
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3.2 计算机硬件系统
微型计算机（简称为微机）的各部件之间是用总线相连接 的，系统总线成为计算机内部传输各种信息的通道。

计算机系统基础___本文档旨在介绍《计算机系统基础袁春风》课程的主要内容和目标。

计算机系统基础的基本概念和原理计算机硬件组成和功能计算机软件组成和功能计算机网络和通信操作系统原理和功能数据存储和处理技术计算机体系结构与性能优化了解计算机系统基础的概念和原理掌握计算机硬件和软件组成及其功能理解计算机网络和通信的基本原理熟悉操作系统的原理和功能能够应用数据存储和处理技术掌握计算机体系结构和性能优化的基本方法请注意，本文档仅供参考，具体课程内容可能有所调整。

本课程旨在介绍计算机系统的基本概念和原理，帮助学生建立对计算机硬件、软件和操作系统的基本理解。

课程内容涵盖了计算机体系结构、数字逻辑、处理器设计、内存系统、输入输出设备、操作系统等主题。

第一章：计算机体系结构主题：计算机的层次结构和组成要素研究目标：了解计算机硬件的组成，以及计算机体系结构的层次结构和关键概念。

第二章：数字逻辑主题：布尔逻辑和逻辑门电路研究目标：掌握布尔逻辑理论，理解逻辑门的基本运算和组合逻辑电路的设计。

第三章：处理器设计主题：指令集体系结构和处理器设计原理研究目标：了解指令集体系结构的基本概念，掌握处理器设计的基本原理和技术。

第四章：内存系统主题：主存储器和缓存结构研究目标：了解计算机内存系统的层次结构，掌握主存储器和缓存的基本原理和组织结构。

第五章：输入输出设备主题：输入输出接口和设备控制研究目标：理解计算机输入输出设备的接口原理和设备控制的基本方法。

第六章：操作系统主题：操作系统的功能和原理研究目标：了解操作系统的基本功能和组成部分，理解操作系统的基本原理和调度算法。

通过本课程的研究，学生将能够全面理解计算机系统的各个方面，为进一步研究和研究计算机科学打下坚实的基础。

本文将详细介绍计算机系统基础教学方法，包括授课方式、研究材料和评估方式。

授课方式在教授计算机系统基础课程时，可以采用多种授课方式，以满足不同学生的研究需求和教学目标。

计算机系统基础袁春风第二版课后答案计算机系统基础是计算机科学与技术专业中非常重要的一门课程。

它主要介绍了计算机系统的基本原理、结构和运行机制等内容。

为了帮助同学们更好地理解和掌握这门课程，袁春风老师编写了《计算机系统基础》第二版，并在课后附上了一系列的习题与答案。

本文将就该书第二版的课后答案进行论述和解答。

第一章：计算机系统概述本章主要介绍了计算机系统的概念、发展历程以及计算机硬件和软件的基本组成部分等。

通过学习本章，同学们可以了解到计算机系统的总体结构，为后续章节的学习打下坚实的基础。

第二章：数字逻辑与数字系统本章主要介绍了数字逻辑与数字系统的基本概念和基本形式，如布尔代数、逻辑函数、逻辑门电路等。

同时，还涉及到数字系统的组合逻辑和时序逻辑设计等内容。

通过学习本章，同学们可以更好地理解和掌握数字逻辑与数字系统的相关知识，为后续章节的学习打下坚实的基础。

第三章：存储系统本章主要介绍了计算机存储系统的基本概念、结构和存储器的层次结构等。

同时，还涉及到存储系统的性能指标和存储器的组成原理。

通过学习本章，同学们可以更好地理解和掌握计算机存储系统的相关知识，为后续章节的学习打下坚实的基础。

第四章：指令系统本章主要介绍了计算机的指令系统和指令的执行方式等。

同时，还涉及到指令的寻址方式和指令的编码方式等内容。

通过学习本章，同学们可以更好地理解和掌握计算机的指令系统，为后续章节的学习打下坚实的基础。

第五章：中央处理器本章主要介绍了计算机的中央处理器(CPU)的基本组成和工作原理等。

同时，还涉及到CPU的指令执行过程和数据传输方式等内容。

通过学习本章，同学们可以更好地理解和掌握计算机的中央处理器的相关知识，为后续章节的学习打下坚实的基础。

第六章：总线与I/O系统本章主要介绍了计算机系统中的总线和I/O系统的基本概念和工作原理等。

同时，还涉及到总线的分类和总线的组织方式等内容。

通过学习本章，同学们可以更好地理解和掌握计算机系统中总线和I/O系统的相关知识，为后续章节的学习打下坚实的基础。

计算机系统基础计算机系统基础计算机系统基础是指计算机硬件、软件和操作系统的基本原理和工作方式，涉及到计算机内部各部件的功能、性能和组成结构，以及计算机操作系统的特点和功能。

一、计算机硬件计算机硬件是指计算机内部各部件的组成和结构，包括中央处理器（CPU）、内存、硬盘、键盘、鼠标、显示器、主板等。

其中，CPU是计算机的核心部件，它负责处理各种计算和运算，是计算机的“大脑”。

1. CPUCPU（Central Processing Unit）即中央处理器，是计算机的核心部件，它负责执行各种指令和程序，是计算机的“大脑”。

CPU的主要组成部分包括运算器、控制器和寄存器，其中，运算器负责各种运算和逻辑操作，控制器负责控制指令的执行和数据传输，寄存器用于存储指令和数据等临时变量。

CPU的性能主要由其运行频率和位数决定。

运行频率越高，处理速度越快；位数越高，可以处理更大的数据和指令。

目前，主流的CPU主要分为32位和64位两种，其中64位CPU具备更高的处理能力和运行速度。

2. 内存内存（Memory）是计算机中用于存储程序和数据的临时存储器，它具有快速读写、易于更新和临时存储数据等特点。

内存的容量决定了计算机能够同时运行多少个程序和存储多少数据，因此，内存的大小通常是影响计算机性能的关键因素之一。

目前，主流的内存容量有4GB、8GB、16GB等，可以根据需要选择。

3. 硬盘硬盘（Hard Disk）是计算机中用于存储数据和程序的主要存储器，它具有大容量、持久存储和高速读取等特点。

硬盘的大小决定了计算机能够存储多少数据和程序，因此，硬盘的容量也是影响计算机性能的重要因素之一。

目前，主流的硬盘容量有500GB、1TB、2TB等，可以根据需要选择。

4. 显示器显示器（Monitor）是计算机输出设备的一种，用于显示计算机处理数据和图形的结果。

显示器的大小和分辨率决定了显示效果的清晰度和舒适度，因此，选择合适的显示器对于用户来说是非常重要的。

ouc 计算机系统基础计算机系统基础是计算机科学与技术专业的重要课程之一，它为学生打下了扎实的计算机科学基础。

本文将从人类的视角出发，以自然流畅的语言描述计算机系统基础的相关内容。

计算机系统基础课程主要介绍计算机系统的组成和运行原理，包括硬件、操作系统、网络和软件等方面。

首先，我们来看看计算机的硬件部分。

计算机硬件主要包括中央处理器（CPU）、内存、硬盘、输入输出设备等。

中央处理器是计算机的大脑，负责执行指令和进行计算。

内存是计算机的临时存储空间，用于存储数据和程序。

硬盘则是计算机的永久存储空间，用于存储操作系统和应用程序。

输入输出设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等，用于与计算机进行交互。

在计算机系统中，操作系统扮演着重要的角色。

操作系统是计算机系统的核心软件，它管理计算机的资源和控制程序的执行。

操作系统提供了用户界面，使用户可以方便地使用计算机。

同时，操作系统还负责分配计算机的资源，如内存、处理器和硬盘等，以提高计算机的性能。

常见的操作系统有Windows、Linux和Mac OS等。

除了硬件和操作系统，网络也是计算机系统中的重要组成部分。

网络使得计算机之间可以进行数据传输和通信。

计算机可以通过局域网或互联网与其他计算机进行数据交换，实现信息共享和远程访问。

网络协议是实现计算机之间通信的规则和约定，常见的网络协议有TCP/IP协议。

在计算机系统基础课程中，学生还会学习到软件开发的基本知识。

软件是运行在计算机上的程序，它可以实现各种功能。

软件开发包括需求分析、设计、编码和测试等过程，其中编码是将设计好的算法和逻辑转化为具体的程序代码。

编程语言是实现程序编写的工具，常见的编程语言有C、C++、Java和Python等。

计算机系统基础课程是计算机科学与技术专业的重要基础课程，它为学生提供了深入了解计算机系统组成和运行原理的机会。

通过学习这门课程，学生可以了解计算机硬件、操作系统、网络和软件等方面的知识，为以后的学习和工作打下坚实的基础。

计算机系统基础精品课程计算机系统基础是计算机专业的一门重要课程，它为学生提供了深入理解计算机系统的基本知识和技能。

本文将围绕计算机系统基础的概念、内容、重要性以及学习方法展开阐述。

一、计算机系统基础的概念与内容计算机系统基础是计算机科学与技术专业的一门核心课程，它主要涵盖计算机硬件、操作系统、计算机网络和数据库等方面的基本知识和技能。

通过学习计算机系统基础，学生可以了解计算机系统的组成和工作原理，掌握计算机硬件和软件之间的交互关系，为后续的专业学习打下坚实的基础。

计算机系统基础的内容主要包括以下几个方面：1. 计算机硬件：学习计算机的组成结构，包括中央处理器(CPU)、内存、输入输出设备等，并了解它们的功能和工作原理。

2. 操作系统：学习操作系统的基本概念、功能和分类，包括进程管理、内存管理、文件系统等，了解操作系统对硬件资源的管理和调度。

3. 计算机网络：学习计算机网络的基本原理、协议和体系结构，包括局域网、广域网和互联网等，了解网络的组成和通信方式。

4. 数据库：学习数据库的基本概念、数据模型和查询语言，包括关系型数据库和非关系型数据库等，了解数据库的设计和管理。

二、计算机系统基础的重要性计算机系统基础是计算机专业的基础课程，它为学生打下计算机科学与技术的基本知识和技能。

具体表现在以下几个方面：1. 提供综合性的计算机知识：计算机系统基础涵盖了计算机硬件、操作系统、计算机网络和数据库等方面的知识，使学生能够全面理解计算机系统的组成和工作原理，为后续的专业学习奠定坚实的基础。

2. 培养计算机系统分析和设计的能力：通过学习计算机系统基础，学生可以了解计算机硬件和软件之间的交互关系，掌握计算机系统分析和设计的基本方法和技巧，培养学生的系统思维和问题解决能力。

3. 提高计算机系统管理和维护的能力：计算机系统基础课程还涉及到计算机系统的管理和维护，学生可以学习到计算机系统的安装、配置和故障排除等技能，提高计算机系统管理和维护的能力。

计算机系统基础
计算机系统基础
计算机系统是由硬件和软件两部分组成的。

硬件部分主要包括中央处理器（CPU）、内存、存储设备、输入输出设备等。

软件部分主要包括操作系统、应用程序等。

CPU（Central Processing Unit）是计算机的核心部件，它负责处理计算机的指令和数据。

CPU包括运算器、控制器和寄存器三个部分。

运算器用于执行算术和逻辑运算，控制器用于控制CPU的操作，寄存器用于暂时存储数据和指令。

内存（Random Access Memory）是计算机中最常用的存储设备。

内存的主要作用是存储程序和数据，CPU需要时从内存中读取数据和指令进行计算。

内存分为静态内存和动态内存，其中动态内存速度更快、价格更便宜，但需要定期刷新以保持数据的完整性。

存储设备包括硬盘、光盘、U盘等，它们可以长期存储数据和程序。

硬盘是计算机中最常用的存储设备，它的存储容量大、读写速度快，但价格相对较高。

光盘和U盘都是便携式存储设备，但存储容量相对较小。

输入输出设备用于将用户的输入和计算机的输出进行传递。

常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等，输出设备包括显示器、打印机、喇叭等。

操作系统是计算机系统中的核心软件，它负责管理计算机的硬件资源和软件资源，为应用程序提供基础服务。

常见的操作系统有Windows、macOS、Linux等。

应用程序是计算机系统中最终用户使用的软件。

应用程序包括办公软件、游戏、浏览器等，它们依赖于操作系统和硬件，通过CPU执行指令和读写内存实现功能。

36
1.3.2 指令和指令系统
指令：能被计算机识别并执行的二进制代码， 它规定了计算机能完成的某一种操作。
指令组成：操作码+操作数 指令系统：一台计算机所有指令的集合，包
括数据传送指令，数据处理指令，程序控制 指令，输入/输出指令和其他指令。
37
1.3.2 指令和指令系统
指令的执行：主要由“取指令”，“指令译码”， “指令执行”，“结果写回”四种基本操作构成， 这个过程不断重复进行。
超级计算机集群“红杉”（Sequoia）
21
1.2.2 大型计算机
我国国防科技大学研制的“天河1号”计算机， 2010年11月排名世界500强计算机第1名
“天河1号”计算机性能：
2560个计算节点，6144个3.0GHz的Intel Xeon处理 器，2560片显卡，内存总容量为98TB
点对点通信带宽：40Gbit/s 峰值计算速度：每秒钟2570万亿次。
49
1.4.2 CPU系统
CPU的组成
50
1.4.2 CPU系统
英特尔公司CPU产品
酷睿（Core）系列，主要用于台式微机和笔记本 微机。
至强（Xeon）系列，主要面向PC服务器。 凌动（Atom）系列，主要用于平板微机。
51
1.4.2 CPU系统
CPU技术性能
系统结构，指令系统，处理字长，工作频率，高 速缓存容量，加工线路宽度，工作电压等。
（2）硬盘 机械硬盘和电子硬盘（SSD）
63
1.4.4 存储系统
机械硬盘和电子硬盘的比较
64
1.4.4 存储器系统
硬盘容量
320GB，500GB，1TB，2TB或更高。
硬盘尺寸
3.5英寸、2.5英寸等。

数据挖掘是从大量数据中提取有用的信息和知识的过程，这些信息和知识 是隐藏的、未知的或非平凡的。
数据仓库和数据挖掘是相互关联的，数据挖掘通常在数据仓库中执行，以 发现数据中的模式和关联。
数据仓库和数据挖掘在许多行业中都有应用，例如金融、医疗、零售和市 场营销等，用于分析和预测趋势、客户行为和业务机会等。
总线功能：数据传输、地址寻 址、控制信号传递
接口定义：计算机与外部设备 之间的信息传输接口
03 计算机软件系统
系统软件
系统软件是计算机的基本软件，负责管理计算机的硬件和应用程序，包括操作系统、设备驱 动程序、数据库管理系统等。
系统软件具有高度的可靠性和稳定性，能够保证计算机的正常运行和数据的完整性。
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优势：关系数据库系统能够高效地处理大量数据，支持多种数据类型，提 供强大的数据检索和分析功能，广泛应用于企业级应用和互联网应用。
数据库设计与管理
数据库设计的基本概念和原则
数据库设计的需求分析
数据库的概念设计、逻辑设计 和物理设计
数据库管理系统的功能和特点
数据仓库与数据挖掘
数据仓库是一个大型、集中式、长期存储的数据存储系统，用于支持决策 支持系统和联机分析处理。
计算机系统的组成
硬件：计算机的物理组件，包括中央处理器、内存、存储设备等 软件：运行计算机程序的程序集合，包括系统软件和应用软件 操作系统：管理计算机硬件和软件资源的软件，提供用户界面和系统服务 编程语言：用于编写计算机程序的计算机语言
计算机系统的分类
通用计算机系统： 适用于各种应用和 行业，具有较高的 灵活性和适应性。
接调用
发展：随着计 算机技术的发 展，存储器的 容量和速度也
在不断提升

计算机系统基础本书主要介绍与计算机系统相关的核心概念，解释这些概念如何相互关联并最终影响程序执行的结果和性能。

本书共分8章，主要内容包括数据的表示和运算、程序的转换及机器级表示、程序的链接、程序的执行、存储器层次结构、虚拟存储器、异常控制流和I/O操作的实现等。

本书内容详尽，反映现实，概念清楚，通俗易懂，实例丰富，并提供大量典型习题供读者练习。

本书可以作为计算机专业本科或大专院校学生计算机系统方面的基础性教材，也可以作为有关专业研究生或计算机技术人员的参考书目录信息丛书序言序言前言第一部分系统概述和可执行目标文件的生成第1章计算机系统概述21.1 计算机的发展历程21.1.1 电子计算机的诞生21.1.2 第一代计算机21.1.3 第二代计算机31.1.4 第三代计算机31.1.5 第四代计算机41.2 计算机系统的基本功能和基本组成51.2.1 计算机系统的基本功能51.2.2 计算机硬件61.2.3 计算机软件101.3 程序开发与执行过程111.3.1 从源程序到可执行程序111.3.2 可执行文件的启动和执行12 1.3.3 程序中每条指令的执行131.4 计算机系统的层次结构151.4.1 计算机系统抽象层的转换15 1.4.2 计算机系统的不同用户171.5 计算机系统性能评价191.5.1 计算机性能的定义191.5.2 计算机性能的测试191.5.3 用指令执行速度进行性能评估21 1.5.4 用基准程序进行性能评估23 1.6 本书的主要内容和组织结构24 1.7 小结26习题27第2章数据的机器级表示与处理29 2.1 数制和编码292.1.1 信息的二进制编码292.1.2 进位计数制312.1.3 定点与浮点表示352.1.4 定点数的编码表示352.2 整数的表示402.2.1 无符号整数和带符号整数的表示40 2.2.2 C语言中的整数及其相互转换41 2.3 浮点数的表示432.3.1 浮点数的表示范围432.3.2 浮点数的规格化442.3.3 IEEE 754浮点数标准442.3.4 C语言中的浮点数类型482.4 十进制数的表示502.4.1 用ASCII码字符表示502.4.2 用BCD码表示502.5 非数值数据的编码表示512.5.1 逻辑值512.5.2 西文字符512.5.3 汉字字符522.6 数据的宽度和存储542.6.1 数据的宽度和单位542.6.2 数据的存储和排列顺序552.7 数据的基本运算582.7.1 按位运算和逻辑运算592.7.2 左移运算和右移运算592.7.3 位扩展运算和位截断运算61 2.7.4 整数加减运算612.7.5 整数乘除运算652.7.6 常量的乘除运算672.7.7 浮点数运算692.8 小结73习题74第3章程序的转换及机器级表示82 3.1 程序转换概述823.1.1 机器指令及汇编指令833.1.2 指令集体系结构843.1.3 生成机器代码的过程843.2 IA-32指令系统概述883.2.1 数据类型及其格式893.2.2 寄存器组织和寻址方式90 3.3 IA-32常用指令类型及其操作95 3.3.1 传送指令953.3.2 定点算术运算指令983.3.3 按位运算指令1013.3.4 控制转移指令1023.3.5 x87浮点处理指令1073.3.6 MMX/SSE指令集1083.4 C语言程序的机器级表示110 3.4.1 过程调用的机器级表示110 3.4.2 选择语句的机器级表示121 3.4.3 循环结构的机器级表示125 3.5 复杂数据类型的分配和访问128 3.5.1 数组的分配和访问1283.5.2 结构体数据的分配和访问132 3.5.3 联合体数据的分配和访问135 3.5.4 数据的对齐1373.6 越界访问和缓冲区溢出138 3.6.1 缓冲区溢出攻击1393.6.2 缓冲区溢出攻击的防范141 3.7 兼容IA-32的64位系统143 3.7.1 x86-64的发展简史1433.7.2 x86-64的基本特点1443.7.3 x86-64的基本指令和对齐144 3.8 小结150习题151第4章程序的链接1654.1 编译、汇编和静态链接165 4.1.1 编译和汇编1654.1.2 可执行目标文件的生成166 4.2 目标文件格式1684.2.1 ELF目标文件格式1684.2.2 可重定位目标文件格式170 4.2.3 可执行目标文件格式171 4.3 符号表和符号解析1734.3.1 符号和符号表1734.3.2 符号解析1764.3.3 与静态库的链接1794.4 重定位1814.4.1 重定位信息1824.4.2 重定位过程1824.5 可执行文件的加载1864.6 动态链接1884.6.1 动态链接的特性1884.6.2 程序加载时的动态链接188 4.6.3 程序运行时的动态链接190 4.7 小结191习题192第二部分可执行目标文件的运行第5章程序的执行2005.1 程序执行概述2005.1.1 程序及指令的执行过程200 5.1.2 CPU的基本功能和组成202 5.1.3 打断程序正常执行的事件204 5.2 数据通路基本结构和工作原理205 5.2.1 数据通路基本结构2055.2.2 数据通路的时序控制2065.2.3 数据通路基本工作原理208 5.3 流水线方式下指令的执行213 5.3.1 指令流水线的基本原理213 5.3.2 适合流水线的指令集特征217 5.3.3 CISC和RISC风格指令集217 5.3.4 指令流水线的实现2205.3.5 高级流水线实现技术2245.4 小结225习题226第6章层次结构存储系统2296.1 存储器概述2296.1.1 存储器的分类2296.1.2 主存储器的组成和基本操作231 6.1.3 存储器的主要性能指标231 6.1.4 各类存储元件的特点2326.1.5 存储器的层次结构2336.2 主存与CPU的连接及其读写操作233 6.2.1 主存模块的连接和读写操作2336.2.2 "装入"指令和"存储"指令操作过程237 6.3 磁盘存储器2386.3.1 磁盘存储器的结构2386.3.2 磁盘存储器的性能指标2406.3.3 磁盘存储器的连接2426.3.4 固态硬盘2436.4 高速缓冲存储器2446.4.1 程序访问的局部性2446.4.2 cache的基本工作原理2466.4.3 cache行和主存块的映射2486.4.4 cache中主存块的替换算法2536.4.5 cache一致性问题2546.4.6 影响cache性能的因素2556.4.7 IA-32的cache结构举例2576.4.8 cache和程序性能2586.5 虚拟存储器2616.5.1 虚拟存储器的基本概念2626.5.2 虚拟地址空间2636.5.3 虚拟存储器的实现2646.5.4 存储保护271*6.6 IA-32/Linux中的地址转换272 6.6.1 逻辑地址到线性地址的转换272 6.6.2 线性地址到物理地址的转换277 6.7 小结280习题280第7章异常控制流2877.1 进程与进程的上下文切换287 7.1.1 程序和进程的概念2877.1.2 进程的逻辑控制流2887.1.3 进程的上下文切换2907.1.4 进程的私有地址空间2917.1.5 程序的加载和运行2937.2 异常和中断2957.2.1 基本概念2957.2.2 异常的分类2967.2.3 中断的分类3007.2.4 异常和中断的响应过程301 7.2.5 IA-32的中断向量表3037.2.6 IA-32的中断描述符表3037.2.7 IA-32中异常和中断的处理305 7.2.8 Linux对异常和中断的处理306 7.2.9 IA-32/Linux的系统调用3097.3 小结312习题312第8章I/O操作的实现3158.1 I/O子系统概述3158.2 用户空间I/O软件3188.2.1 用户程序中的I/O函数319 8.2.2 文件的基本概念3208.2.3 系统级I/O函数3228.2.4 C标准I/O库函数324 8.2.5 用户程序中的I/O请求328 8.3 I/O硬件与软件的接口330 8.3.1 I/O设备3308.3.2 设备控制器3318.3.3 I/O端口及其编址3338.3.4 I/O控制方式3348.4 内核空间I/O软件3418.4.1 与设备无关的I/O软件341 8.4.2 设备驱动程序3438.4.3 中断服务程序3448.5 小结346习题347附录A 数字逻辑电路基础352附录B gcc的常用命令行选项366 附录C GDB的常用命令368。

1、内存
短暂地保留数据、其特点是速度快。分为随机存取存 储器（RAM,静态SRAM和动态DRAM）、只读存储 器（ROM）、高速缓冲存储器（Cache)。
注意：
1.地址：存储单元的一个编号，数据的存取须通过该编 号完成。
2.存储容量：内存单元的总数，通常一个单元为一个字 节，1024个单元为1KB，1024×1024个单元为1兆节， 记为1MB。通常为256MB。内存容量实质上指RAM的 容量（因为ROM可存储容量为0 )。 3. RAM：随机存储器，可读写，断电后数据丢失。 4.ROM：只读存储器，不可写，预先存入数据，断电 后数据不丢失。
工作频率
即CPU每秒所能执行的指令条数，常用主频表示，CPU主 频通常以MH（兆赫）和GH（千兆赫）为单位，１MH 指 每秒执行１百万条指令。目前流行的CPU的主频均已达GH 数量级
高速缓存（cache)（128KB～2MB)
高速CPU和低速内存的速度不匹配，如何解决？
高速CPU
高速缓存
低速内存
计算机的硬件系统结构图（总线结构图）如下：
微 处
AB
理
DB
器 CPU
CB
主存储 外存接口 输入输出接口其他I/O口
器
软、硬 盘驱动
器
键盘、 显示器
等
各种外 设
根据总线结构讲解计算机硬件各部分及功能
1.4.2 CPU
1. 中央处理器CPU（核心）：它执行
对信息的处理与控制，是整个微型机的核 心，它是一个大规模集成电路芯片。决定 微机的档次。
5. CPU技术的新发展
多核Cห้องสมุดไป่ตู้U技术 64位CPU 低功耗CPU 嵌入式CPU
1.4.3 主板

其他分类方法对存储器的分类
按信息的可保存性分类 分为易失性存储器和非易失性存储器。断电后存储的 信息交消失的存储器为易失性存储器，RAM即为易失 性存储器；反之则为非易失性存储器，ROM、FLASH 和磁性材料存储器均为非易失性存储器。 按在计算机中的作用分类 分为主存储器(内存)、辅助存储器(外存)和缓冲存储器 等。主存储器速度高，但容量小，位价格高。辅助存 储器速度慢、容量大、价格低。缓冲存储器用于两个 不同工作速度的部件之间，在交换信息过程中起缓冲 作用。
相关公式
硬盘容量=磁头数×柱面数×扇区数×扇区容量(硬盘的 第一面和最后一面是保护用的，计算时要减掉) 磁道数=(外半径-内半径)×道密度×记录面数 非格式化容量=最大位密度×π×最内圈直径×总磁道数 格式化容量=每道扇区数×扇区容量×总磁道数 平均数据传输速率=每道扇区数×扇区容量×盘片容量× 盘片每分钟转数 存取时间=寻道时间+等待时间 (寻道时间为磁头移动到磁 道所需的时间；等待时间为等待读写的扇区转到磁头下 方所用的时间。 磁盘服务总时间=寻道时间+旋转延迟时间+传送时间
存储器的层次结构
把各种不同存储容量、存取速度和价格的存储器按层次 结构组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件有机 组合成统一的整体，使所存放的程序和数据按层次分布 在各种存储器中，形成存储系统的多级层次结构。 目前，在计算机系统中通常采用三级层次结构来构成存 储系统，主要由高速缓冲存储器Cache、主存储器和辅助 存储器组成。 高速缓冲存储器
按存取方式对存储器的分类
1. 只读存储器ROM：一般用来存放微机的系统管理程序、 监控程序等。 2. 随机存取存储器RAM：主要用来存放输入、输出数据及 中间结果并与外存储器交换信息。 3. 顺序存取存储器SAM：只能按照某种次序存取，存取时 间与存储单元的物理位置有关。按顺序读写的特点以及 工作速度较慢，常用作外存存储器，例如磁带就是一种 典型的顺序存储器。 4. 直接存取存储器DAM：DAM在存取数据时不必对存储介 质做完整的顺序搜索而可以直接存取。例如磁盘和光盘 都是典型的直接存取存储器。

计算机系统基础第一篇：计算机系统基础概述计算机系统基础是指计算机的硬件、软件以及其它相关组件的完整结构，是实现计算机运算及数据存储的基础。

计算机系统基础的学习，涉及到计算机的各个方面，也是任何计算机专业学生必修的一门课程。

计算机系统基础主要包括以下几个方面：计算机体系结构、计算机硬件、计算机操作系统、计算机编程语言、计算机网络等。

计算机体系结构是指计算机的硬件和软件被连接起来的方式。

计算机体系结构包括计算机内部结构和外部结构。

计算机内部结构主要是指计算机内部硬件的组成，如处理器、内存、I/O设备等。

计算机外部结构主要是指计算机的外围设备，如打印机、扫描仪、键盘、鼠标等。

计算机硬件是计算机系统的物理部分，包括计算机内部的各种硬件设备，例如：CPU、主板、硬盘、内存等。

计算机硬件的工作原理是通过电路和逻辑门来完成计算机的基本运算。

计算机操作系统是指计算机的管理程序，负责管理计算机的硬件和软件资源，掌握计算机的一切操作和存储。

计算机操作系统的核心是内核，它是操作系统的最重要的部分，负责控制计算机的硬件设备，以及提供进程管理、内存管理、文件系统和安全保护等功能。

有很多种操作系统，常见的有Windows、Linux、Mac OS等。

计算机编程语言是计算机系统基础中非常重要的一部分，是计算机语言的基础。

计算机编程语言是计算机人员与计算机进行通信的工具，可以用来指示计算机要执行的操作。

计算机编程语言的种类很多，常见的有C语言、C++、Java、Python 等。

计算机网络是计算机系统基础的重要组成部分，包括互联网、局域网等。

计算机网络是计算机之间的通信系统，以传递数据为主要目的。

计算机网络的主要工作是提供高效的通信方式，保证数据传输的正确性和可靠性。

总的来说，计算机系统基础是计算机专业学生必须学习的课程，它涉及到计算机的许多基础知识，如计算机体系结构、计算机硬件、计算机操作系统、计算机编程语言和计算机网络等。

蒋炎岩笔记：计算机系统基础一、概述蒋炎岩是一位资深的计算机科学家，他长期从事计算机系统基础研究和教学工作。

在其多年的学术生涯中，蒋炎岩教授撰写了大量的笔记和论文，深入探讨了计算机系统的基础知识和原理。

本文将结合蒋炎岩教授的笔记，深入解析计算机系统的基础知识，带您进入计算机系统的奇妙世界。

二、计算机系统概述1、计算机系统的组成计算机系统由硬件和软件两部分组成。

硬件是计算机的实体部分，包括中央处理器（CPU）、内存、输入设备、输出设备等；软件是指控制计算机硬件工作的程序和数据。

2、计算机系统的工作原理计算机系统是通过执行指令来完成各种任务的。

计算机系统的工作原理可以概括为接收指令、解析指令、执行指令、输出结果的过程。

三、计算机系统的组成与技术1、CPU中央处理器（CPU）是计算机系统的核心部分，负责执行程序指令、控制、运算、逻辑判断等操作。

蒋炎岩教授的笔记中对CPU的结构和工作原理进行了深入剖析，使读者对CPU的工作原理有了更清晰的认识。

2、内存内存是计算机系统中用于存储数据和程序的设备，也是CPU能直接访问的存储空间。

在蒋炎岩教授的笔记中，对内存的类型、存储原理、位置区域空间等方面进行了系统的介绍。

3、输入输出设备输入输出设备是计算机系统与用户交互的接口，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。

在蒋炎岩教授的笔记中，对输入输出设备的工作原理和接口标准等内容进行了详细解析。

四、计算机系统的操作系统1、操作系统的作用操作系统是计算机系统中的核心软件，负责管理计算机的资源、控制程序执行、提供与硬件设备的接口等。

在蒋炎岩教授的笔记中，对操作系统的功能和分类进行了全面的介绍。

2、操作系统的原理操作系统的原理包括进程管理、文件系统、内存管理、设备管理等方面。

蒋炎岩教授的笔记中，对这些原理进行了深入讲解，并结合实例进行了详细说明。

五、计算机系统的网络1、计算机网络的基本概念计算机网络是将多台计算机互相连接起来，共享资源和信息的系统。

目前常用的办公软件有Microsoft公司的Microsoft
Office和我国金山公司的WPS Office。
（2）多媒体制作软件
多媒体制作软件是用于录制、播放、编辑声音
和图形图像等多媒体信息的一组应用程序。 处理声音的软件 Wave studio、Mixer 处理图形图像的软件AutoCAD、PhotoShop 动画制作软件Flash、3DS Max
汇编语言： 第二代计算机程序设计语言 最接近机器指令的一种语言 用便于人们记忆的符号来替代机器指令的操 作码
注意：CPU不能直接理解和执行用汇编语言编写的程 序，必须通过汇编程序将汇编语言的指令翻译成机 器语言指令表示的目标程序才能被机器理解和执行。
例2.2 A=15+10的汇编语言程序如下：
（3）Internet服务软件
Internet服务软件主要包括：
浏览器
电子邮件软件
文件传输软件
（4）娱乐与学习软件 CAI(Computer Assisted Instruction)计算机辅 助教学。
2.1.2 计算机基本工作原理
指令是能被计算机识别并执行的的二进制代码，完成一种操作。
指令
数(位宽)
字长：单位时间内能一次处理的二进制的位数。 通用寄存器的位数：等于字长
BIOS芯片：存有与该主板搭配的基本输入输出系统 程序，能够让主板识别各种硬件，还可以设置引导系 统的设备，调整CPU外频等。 北桥芯片：主板芯片组中起主导作用的最重要的组成 部分，负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI数 据在北桥内部传输。 芯片组的名称就是以北桥芯片的名称命名的，例如 Intel 875芯片组的北桥芯片是82875P。
外部设备
输入设备（鼠标、键盘等）