描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787111616849
美国三大计算机系统基础教材之一
覆盖CS2013 ICS(系统基础）全部知识点
讲解计算机系统的核心概念及实现方法
本书以计算机系统的七层结构为主线，涵盖逻辑门、微代码、指令集架构、操作系统、汇编、高级语言和应用，全面介绍计算机组成、汇编语言和计算机体系结构的核心思想及软硬件实现方法。新版采用Pep/9虚拟机，清晰地阐释了经典冯·诺依曼机器的基本概念，同时包含完整的程序示例和丰富的习题，在理论与实践相结合的基础上，注重内容的广度和深度。
本书适合作为高等院校计算机专业的课程教材，也可供相关技术人员阅读参考。
Computer Systems, Fifth Edition
出版者的话
译者序
前言
部分 应用层（第7层）
第1章 计算机系统 2
1.1 抽象层次 2
1.1.1 艺术中的抽象 3
1.1.2 文档中的抽象 4
1.1.3 机构中的抽象 5
1.1.4 机器中的抽象 6
1.1.5 计算机系统中的抽象 6
1.2 硬件
7
1.2.1 中央处理单元 8
1.2.2 主存储器 9
1.2.3 磁盘
10
1.3 软件
11
1.3.1 操作系统 12
1.3.2 软件分析与设计 13
1.4 数字信息 14
1.4.1 空间量化 14
1.4.2 时间量化 16
1.4.3 快速响应码 18
1.4.4 图像
21
1.5 数据库系统 27
1.5.1 关系
27
1.5.2 查询
28
1.5.3 语言结构 30
本章小结 31
练习
32
第二部分 高级语言层（第6层）
第2章 C 36
2.1 变量
36
2.1.1 C编译器 36
2.1.2 机器无关性 37
2.1.3 C的内存模型 37
2.1.4 全局变量和赋值语句 38
2.1.5 局部变量 40
2.2 控制流 42
2.2.1 if/else语句 42
2.2.2 switch语句 43
2.2.3 while循环 44
2.2.4 do循环 44
2.2.5 数组和for循环 45
2.3 函数
46
2.3.1 空函数和传值调用的参数 46
2.3.2 函数的例子 48
2.3.3 传引用调用的参数 48
2.4 递归
51
2.4.1 阶乘函数 52
2.4.2 递归的思考方式 55
2.4.3 递归加法 55
2.4.4 二项式系数函数 57
2.4.5 逆转数组元素顺序 61
2.4.6 汉诺塔 61
2.4.7 相互递归 63
2.4.8 递归的成本 64
2.5 动态内存分配 65
2.5.1 指针
65
2.5.2 结构
67
2.5.3 链式数据结构 68
本章小结 69
练习
70
编程题
71
第三部分 指令集架构层（第3层）
第3章 信息的表示 76
3.1 无符号二进制表示 76
3.1.1 二进制存储 76
3.1.2 整数
77
3.1.3 基数转换 78
3.1.4 无符号整数的范围 80
3.1.5 无符号加法 80
3.1.6 进位位 81
3.2 二进制补码表示 81
3.2.1 补码的表数范围 83
3.2.2 基数转换 84
3.2.3 数轴
85
3.2.4 溢出位 86
3.2.5 负数和零位 87
3.3 二进制运算 88
3.3.1 逻辑运算符 88
3.3.2 寄存器传送语言 89
3.3.3 算术运算符 90
3.3.4 循环移位运算符 91
3.4 十六进制与字符表示 92
3.4.1 十六进制 92
3.4.2 基数转换 92
3.4.3 ASCII字符 94
3.4.4 Unicode字符 97
3.5 浮点数表示 100
3.5.1 二进制小数 100
3.5.2 余码表示 102
3.5.3 隐藏位 103
3.5.4 特殊值 104
3.5.5 IEEE 754浮点数标准 108
3.6 模型
109
本章小结 111
练习
111
编程题
117
第4章 计算机体系结构 120
4.1 硬件
120
4.1.1 中央处理单元 120
4.1.2 主存储器 121
4.1.3 输入/输出设备 122
4.1.4 数据和控制 123
4.1.5 指令格式 123
4.2 直接寻址 126
4.2.1 停止指令 126
4.2.2 字装入指令 126
4.2.3 字存储指令 127
4.2.4 加法指令 128
4.2.5 减法指令 128
4.2.6 与和或指令 129
4.2.7 按位取反和取负指令 130
4.2.8 字节装入和字节存储指令 131
4.2.9 输入和输出设备 132
4.2.10 大端顺序和小端顺序 133
4.3 冯·诺依曼机器 134
4.3.1 冯·诺依曼执行周期 134
4.3.2 一个字符输出程序 135
4.3.3 冯·诺依曼漏洞 138
4.3.4 一个字符输入程序 139
4.3.5 十进制转换为ASCII 139
4.3.6 一个自我修改程序 140
4.4 ISA3层的编程 142
4.4.1 只读存储器 143
4.4.2 Pep/9操作系统 144
4.4.3 使用Pep/9系统 145
本章小结 146
练习
146
编程题
148
第四部分 汇编层（第5层）
第5章 汇编语言 150
5.1 汇编程序 150
5.1.1 指令助记符 150
5.1.2 伪操作 152
5.1.3 .ASCII和.END伪操作 153
5.1.4 汇编器 154
5.1.5 .BLOCK伪操作 155
5.1.6 .WORD和.BYTE伪操作 155
5.1.7 使用Pep/9汇编器 156
5.1.8 交叉汇编器 157
5.2 立即数寻址和陷阱指令 158
5.2.1 立即数寻址 158
5.2.2 DECI、DECO和BR指令
159
5.2.3 STRO指令 161
5.2.4 解释位模式：HEXO指令 162
5.2.5 反汇编器 163
5.3 符号
165
5.3.1 带符号的程序 165
5.3.2 一个冯·诺依曼示例 166
5.4 从HOL6层翻译 168
5.4.1 Printf()函数 169
5.4.2 变量和类型 170
5.4.3 全局变量和赋值语句 171
5.4.4 类型兼容 174
5.4.5 Pep/9符号跟踪器 175
5.4.6 算术移位和循环移位指令 175
5.4.7 常量和.EQUATE 176
5.4.8 指令与数据的放置 178
本章小结 179
练习
180
编程题
182
第6章 编译到汇编层 185
6.1 栈寻址和局部变量 185
6.1.1 栈相对寻址 185
6.1.2 访问运行时栈 186
6.1.3 局部变量 188
6.2 分支指令和控制流 190
6.2.1 翻译if语句 191
6.2.2 优化编译器 192
6.2.3 翻译if/else语句 192
6.2.4 翻译while循环 194
6.2.5 翻译do循环 195
6.2.6 翻译for循环 197
6.2.7 面条代码 198
6.2.8 早期语言的控制流 199
6.2.9 结构化编程定律 200
6.2.10 goto争论 200
6.3 函数调用和参数 201
6.3.1 翻译函数调用 201
6.3.2 用全局变量翻译传值调用参数 204
6.3.3 用局部变量翻译传值调用参数 207
6.3.4 翻译非空函数调用 209
6.3.5 用全局变量翻译传引用调用参数 211
6.3.6 用局部变量翻译传引用调用参数 215
6.3.7 翻译布尔类型 218
6.4 变址寻址和数组 220
6.4.1 翻译全局数组 221
6.4.2 翻译局部数组 224
6.4.3 翻译作为参数传递的数组 226
6.4.4 翻译switch语句 230
6.5 动态内存分配 235
6.5.1 翻译全局指针 235
6.5.2 翻译局部指针 240
6.5.3 翻译结构 243
6.5.4 翻译链式数据结构 246
本章小结 250
练习
251
编程题
251
第7章 语言翻译原理 259
7.1 语言、语法和语法分析 259
7.1.1 连接
260
7.1.2 语言
260
7.1.3 语法
261
7.1.4 C标识符的语法 262
7.1.5 有符号整数的语法 263
7.1.6 上下文相关的语法 264
7.1.7 语法分析问题 264
7.1.8 表达式的语法 265
7.1.9 C语法的一部分 266
7.1.10 C的上下文相关性 269
7.2 有限状态机 270
7.2.1 用有限状态机分析标识符 270
7.2.2 简化的有限状态机 271
7.2.3 非确定性有限状态机 271
7.2.4 具有空转换的状态机 272
7.2.5 多语言符号识别器 274
7.2.6 语法与有限状态机 276
7.3 实现有限状态机 277
7.3.1 编译过程 278
7.3.2 查找表分析器 278
7.3.3 直接编码分析器 280
7.3.4 输入缓冲区类 282
7.3.5 多语言符号分析器 283
7.4 代码生成 288
7.4.1 语言翻译器 288
7.4.2 语法分析器特性 302
本章小结 303
练习
303
编程题
306
第五部分 操作系统（第4层）
第8章 进程管理 312
8.1 装载器 312
8.1.1 Pep/9操作系统 312
8.1.2 Pep/9装载器 314
8.1.3 程序的终止 315
8.2 陷阱
315
8.2.1 陷阱机制 316
8.2.2 RETTR指令 317
8.2.3 陷阱处理程序 317
8.2.4 陷阱寻址方式断言 319
8.2.5 陷阱操作数地址计算 320
8.2.6 空操作陷阱处理程序 323
8.2.7 DECI陷阱处理程序 324
8.2.8 DECO陷阱处理程序 329
8.2.9 HEXO和STRO陷阱处理程序和操作系统向量 332
8.3 并发进程 334
8.3.1 异步中断 334
8.3.2 操作系统中的进程 335
8.3.3 多处理 336
8.3.4 并发处理程序 337
8.3.5 临界区 338
8.3.6 次尝试实现互斥 339
8.3.7 第二次尝试实现互斥 339
8.3.8 Peterson互斥算法 340
8.3.9 信号量 342
8.3.10 带信号量的临界区 343
8.4 死锁
343
8.4.1 资源分配图 344
8.4.2 死锁策略 345
本章小结 346
练习
346
编程题
351
第9章 存储管理 353
9.1 内存分配 353
9.1.1 单道程序设计 353
9.1.2 固定分区多道程序设计 354
9.1.3 逻辑地址 355
9.1.4 可变分区多道程序设计 356
9.1.5 分页
359
9.2 虚拟内存 361
9.2.1 大程序的行为 361
9.2.2 虚拟内存 361
9.2.3 按需分页 362
9.2.4 替换页 363
9.2.5 页替换算法 363
9.3 文件管理 365
9.3.1 磁盘驱动器 365
9.3.2 文件抽象 366
9.3.3 分配技术 367
9.4 错误检测与纠错码 369
9.4.1 错误检测码 369
9.4.2 编码要求 370
9.4.3 纠正一位错误编码 372
9.5 RAID存储系统 373
9.5.1 RAID 0级：无冗余条带化 374
9.5.2 RAID 1级：镜像 374
9.5.3 RAID 01和10级：条带化和镜像 375
9.5.4 RAID 2级：内存风格的ECC 376
9.5.5 RAID 3级：位交叉奇偶校验 377
9.5.6 RAID 4级：块交叉奇偶校验 377
9.5.7 RAID 5级：块交叉分布奇偶校验 378
本章小结 379
练习
379
第六部分 逻辑门（第1层）
第10章 组合电路 384
10.1 布尔代数和逻辑门 384
10.1.1 组合电路 385
10.1.2 真值表 385
10.1.3 布尔代数 386
10.1.4 布尔代数定理 387
10.1.5 互补证明 388
10.1.6 逻辑图 389
10.1.7 其他表示方式 391
10.2 组合分析 392
10.2.1 布尔表达式和逻辑图 392
10.2.2 真值表和布尔表达式 393
10.2.3 两级电路 395
10.2.4 无处不在的NAND 397
10.3 组合设计 398
10.3.1 范式
398
10.3.2 三变量卡诺图 399
10.3.3 四变量卡诺图 403
10.3.4 对偶卡诺图 406
10.3.5 无关条件 406
10.4 组合设备 407
10.4.1 视角
407
10.4.2 复用器 408
10.4.3 二进制译码器 409
10.4.4 多路分配器 410
10.4.5 加法器 410
10.4.6 加法器/减法器 412
10.4.7 算术逻辑单元 413
10.4.8 LG1层的抽象 419
本章小结 420
练习
420
第11章 时序电路 426
11.1 锁存器与时钟触发器 426
11.1.1 SR锁存器 426
11.1.2 钟控SR触发器 428
11.1.3 主从SR触发器 429
11.1.4 基本触发器 433
11.1.5 JK触发器 434
11.1.6 D触发器 435
11.1.7 T触发器 436
11.1.8 激励表 437
11.2 时序分析与设计 437
11.2.1 时序分析问题 438
11.2.2 预设置与清除 441
11.2.3 时序设计 441
11.2.4 一个时序设计问题 441
11.3 计算机子系统 444
11.3.1 寄存器 444
11.3.2 总线
445
11.3.3 内存子系统 446
11.3.4 地址译码 449
11.3.5 双端口寄存器组 453
本章小结 455
练习
455
第七部分 微代码（第2层）
第12章 计算机组成 460
12.1 构建一个ISA3层机器 460
12.1.1 CPU数据区 460
12.1.2 冯·诺依曼周期 463
12.1.3 存储字节直接寻址指令 467
12.1.4 总线协议 468
12.1.5 存储字直接寻址指令 468
12.1.6 加法立即数寻址指令 469
12.1.7 装入字间接寻址指令 470
12.1.8 算术右移指令 473
12.1.9 CPU控制区 474
12.2 性能
476
12.2.1 数据总线宽度和内存对齐 476
12.2.2 内存对齐 480
12.2.3 n位计算机的定义 483
12.2.4 高速缓存 484
12.2.5 系统性能公式 490
12.2.6 RISC与CISC 491
12.3 MIPS机器 494
12.3.1 寄存器组 494
12.3.2 寻址方式 495
12.3.3 指令集 498
12.3.4 MIPS的计算机组成 501
12.3.5 流水线 505
12.4 结论
512
12.4.1 模型简化 512
12.4.2 全局架构 513
本章小结 514
练习
514
编程题
517
附录 Pep/9体系结构 519
部分练习参考答案 529
索引
543
Computer Systems, Fifth Edition
本书清晰详尽、循序渐进地揭示了计算机组成、汇编语言和计算机体系结构的核心思想。本书大部分以虚拟机Pep/9为基础，该虚拟机用于讲解经典冯·诺依曼机器的基本概念。这种方式的优点是，既教授了计算机科学的核心概念，又不会与相关课程的许多无关细节纠缠不清。该方式还为学生奠定了基础，鼓励他们思考计算机科学的基本主题。本书的范围也比较广泛，重点强调了与硬件及其相关软件的处理有关但却少有提及的计算机科学主题。
内容一览
计算机运行于多个抽象层，高抽象层上的编程只是其中的一部分。本书以图P-1所示的分层结构为基础，提出了计算机系统的统一概念。
按照图P-1的层次结构，本书分为七个部分：
App7层 应用
HOL6层 高级语言
ISA3层 指令集架构
Asmb5层 汇编
OS4层 操作系统
LG1层 逻辑门
Mc2层 微代码
用文字描述时通常是按照从上到下的顺序，从层到层。把ISA3层放在Asmb5层之前，以及把LG1层放在Mc2层之前讨论是为了教学目的。对这两个特例来说，暂时将顺序变为从下往上会更加自然一些，因为这样一来在构建高层时可以使用低层模块。
App7层。App7层是关于应用程序的独立一章，叙述了抽象层次的思想与二进制信息，并为本书其他章节搭建了框架。这一章还以典型计算机应用程序示例的方式描述了一些关系数据库的概念。
HOL6层。HOL6层也是一章，回顾了C编程语言。这一章假设学生已经学习过一些命令式语言，比如Java或Python，不一定是C。如果必要的话，指导老师可以轻易地把C语言示例翻译为其他常见的HOL6层语言。
这一章的重点在于C内存模型，包括全局和局部变量、带参数的函数，以及动态分配的变量。此外，还讲解了递归，因为它要依赖运行时堆栈的内存分配机制。函数调用中的内存分配过程阐释得相当详细，而且后续章节还会在较低抽象层上回顾这个机制。
ISA3层。ISA3是指令集架构层。这一层用两章来描述Pep/9——一种用于说明计算机概念的虚拟机。Pep/9是一个小型的复杂指令集计算机（CISC），也是冯·诺依曼计算机。它的中央处理器（CPU）包含一个加法器、一个变址寄存器、一个程序计数器、一个栈指针寄存器和一个指令寄存器。它有八种寻址方式：立即数寻址、直接寻址、间接寻址、栈相对寻址、栈相对间接寻址、变址寻址、栈变址寻址和栈间接变址寻址。在模拟只读存储器（ROM）中，Pep/9的操作系统可以从学生的文本文件中加载并执行十六进制格式的程序。学生可以在Pep/9模拟器上运行小程序，学习执行不会改变内存值的ROM存储指令。
学生将学习信息表示和位级计算机组成的基本原理。由于本书的中心主题是计算机各层间的相互关系，因此，Pep/9相关章节展示了ASCII表示（ISA3层）和C的char类型变量（HOL6层）之间的关系。此外，这些章节还展示了补码表示（ISA3层）和C的int类型变量（HOL6层）之间的关系。
Asmb5层。Asmb5是汇编层，它把汇编器的概念表示为两个层次——汇编层和机器层——之间的翻译器。它引入了Asmb5符号和符号表。
这里是统一方法派上用场的地方。第5章和第6章将编译器表示为从高级语言到汇编语言的翻译器。前面学生已经学习了一种特定的HOL6层语言C和一种特定的冯·诺依曼型机器Pep/9。这两章通过展示层次之间的对应关系来继续揭示它们之间的关系，其中包括：HOL6层的赋值语句与Asmb5层的装入/存储指令；HOL6层的循环和if语句与Asmb5层的分支指令；HOL6层的数组与Asmb5层的变址寻址；HOL6层的过程调用与Asmb5层的运行时栈；HOL6层的函数和过程参数与Asmb5层的栈相对寻址；HOL6层的switch语句与Asmb5层的跳转表；HOL6层的指针与Asmb5层的地址。
统一方法之美就在于可以在较低层次上实现C章节中的例子。比如，第2章递归示例说明的运行时栈就直接对应于Pep/9主存的硬件栈。学生可以通过两个层次之间的手动翻译来理解编译过程。
这种方法为讨论计算机科学中的核心问题提供了一种很自然的环境。例如，本书介绍了HOL6层的结构化编程，可以和Asmb5层的非结构化编程的可能性进行对比。书中讨论了goto争议、结构化编程/效率之间的折中，给出了两个层次上语言的实际例子。
第7章向学生介绍了计算机科学理论。现在学生已经对如何将高级语言翻译为汇编语言有了直观的了解，那么，我们就要提出所有计算中基本的问题：什么可以被自动化？理论在这里自然又合适，因为学生现在已经知道了什么是编译器（自动化翻译器）必须做的。他们通过识别C和Pep/9汇编语言的语言符号来学习语法分析和有限状态机——确定性的和非确定性的。这一章包含了两种小语言之间的自动翻译器，说明了词法分析、语法分析和代码生成。词法分析器是有限状态机的实现。还有比这更自然的介绍理论的方法吗？
OS4层。OS4层用两章来讲述操作系统。第8章是关于进程管理的，其中有两节讲解了Pep/9操作系统的概念，一节是装载器，另一节是陷阱处理程序。七条指令具有产生软件陷阱的未实现的操作码。操作系统将用户正在运行进程的进程控制块保存到系统栈，中断服务例程解释该指令。通过具体实现一个挂起进程来强化操作系统中运行和等待进程的经典状态转换图。第8章还描述了并发进程和死锁。第9章阐述了关于主存和磁盘存储器的存储管理。
LG1层。LG1层用两章来讲述组合电路与时序电路。从布尔代数的定理开始，第10章强调了计算机科学的数学基础的重要性。它展示了布尔代数和逻辑门之间的关系，然后描述了一些常用的逻辑设备，包括一个完整的Pep/9算术逻辑单元（ALU）的逻辑设计。第11章用时序电路的状态转换图讲解了有限状态机的基本概念，还描述了常见的计算机子系统，包括双向总线、内存芯片以及双端口存储器组。
Mc2层。第12章描述了Pep/9 CPU的微程序设计控制部分，给出了一些示例指令和寻址方式的控制序列，还提供了有关其他指令和寻址方式的大量练习。这一章还介绍了装入/存储架构的概念，对比了MIPS精简指令集计算机（RISC）和Pep/9复杂指令集计算机（CISC）。此外，还通过对高速缓存、流水线、动态分支预测以及超标量机器的描述，介绍了一些性能问题。
评论
还没有评论。