计算机系统原理（2023年版） 全国高等教育自学考试指导委员会

全国高等教育自学考试指定教材 

书是全国高等教育自学考试指导委员会组编的计算机科学与技术、软件工程、网络工程、信息安全4个本科专业自学考试指定教材，包括自学考试大纲和教材的所有内容。
本书介绍与计算机系统相关的核心概念和基础内容，主要包括数据的表示和运算、程序的机器级表示、程序的链接和加载执行、存储器层次结构和虚拟存储器、程序中的I/O操作实现。
本书概念清楚、通俗易懂、实例丰富，提供了大量典型习题供读者练习，除了基本术语解释和简答题以外，大部分习题都在教辅资源中给出了习题参考答案。
本书既可以作为计算机专业本科或大专院校学生计算机系统导论课程的教材，也可以作为有关专业研究生或计算机技术人员的参考书。

南开大学教师

目录
组编前言
计算机系统原理自学考试大纲
大纲前言
Ⅰ 课程性质与课程目标
Ⅱ 考核目标
Ⅲ 课程内容与考核要求
Ⅳ 关于大纲的说明与考核实施要求
Ⅴ 题型举例
Ⅵ 题型举例参考答案
后记
计算机系统原理
编者的话
第1章计算机系统概述
11计算机基本工作原理
111冯·诺依曼结构基本思想
112程序和指令的执行过程
12程序的开发与运行
121程序设计语言和翻译程序
122从源程序到可执行文件
123可执行文件的启动和执行
13计算机系统的层次结构
131计算机系统抽象层的转换
132计算机系统的不同用户
133计算机系统核心层之间的
关联
14计算机系统性能评价
141计算机性能的测试
142用指令执行速度进行性能
评估
143用基准程序进行性能评估
本章小结
习题
第2章数据的表示和运算
21数制和编码
211信息的二进制编码
212进位记数制
213定点数的编码表示
22整数的表示
221无符号整数的表示
222带符号整数的表示
223C语言中的整数类型
23实数的表示
231浮点数的表示格式
232IEEE 754浮点数标准
233C语言中的浮点数类型
24非数值数据的编码表示
241逻辑值
242西文字符
243汉字字符
25数据的长度单位与排列
251数据的宽度和单位
252数据的存储和排列顺序
26加法器和算术逻辑部件
261全加器和加法器
262带标志加法器
263补码加减运算器
264算术逻辑部件
27定点数乘除运算
271无符号数乘法运算
272原码乘法运算
273补码乘法运算
274无符号数除法运算
275原码除法运算
276补码除法运算
277整数的乘除运算
28浮点数运算
281浮点数加减运算
282浮点数乘除运算
本章小结
习题
第3章程序的转换及机器级表示
31程序转换概述
311机器指令及汇编指令
312指令集体系结构
313指令系统设计风格
314生成机器代码的过程
32IA-32指令系统概述
321数据类型及其格式
322寄存器组织和寻址方式
323机器指令格式
33IA-32常用指令类型及其操作
331传送指令
332定点算术运算指令
333按位运算指令
334程序执行流控制指令
34C语言程序的机器级表示
341过程调用的机器级表示
342选择语句的机器级表示
343循环结构的机器级表示
35复杂数据类型的分配和访问
351数组的分配和访问
352结构体数据的分配和访问
353联合体数据的分配和访问
354数据的对齐方式
36兼容IA-32的64位系统
361×86-64的基本特点
362×86-64的过程调用
363×86-64的基本指令和
对齐
本章小结
习题
第4章可执行文件的生成与加载
执行
41可执行文件生成概述
411预处理、编译和汇编
412程序的链接过程
42目标文件格式
421ELF目标文件格式
422可重定位目标文件格式
423可执行目标文件格式
424可执行文件的存储器映像
43符号解析与重定位
431符号和符号表
432符号解析和静态链接
433重定位过程
434动态链接
44可执行文件的加载
441程序和进程的概念
442进程的虚拟地址空间
443execve函数和main函数
444fork函数和程序的启动
加载
45程序的执行和中央处理器
451 程序及指令的执行过程
452CPU的基本功能和组成
453打断程序正常执行的事件
454异常和中断的响应过程
455指令流水线的基本概念
本章小结
习题
第5章程序的存储访问
51存储器概述
511存储器的分类
512主存储器的组成和基本
操作
513存储器的层次化结构
514程序访问的局部性
52主存与CPU的连接及读/写
操作
521主存芯片技术
522主存与CPU的连接
523装入/存储指令的操作
过程
53硬盘存储器
531 磁盘存储器的结构
532磁盘存储器的性能指标
533磁盘存储器的连接
*534闪速存储器和U盘
*535固态硬盘
54高速缓冲存储器
541cache的基本工作原理
542cache行和主存块之间的
映射方式
543cache中主存块的替换
算法
544cache的写策略
545cache和程序性能
55虚拟存储器
551虚拟存储器的基本概念
552虚拟地址空间
553虚拟存储器的实现
554存储保护
*56实例：Intel Core i7+Linux存储
系统
561Core i7的层次化存储器
结构
562Core i7的地址转换机制
563Linux系统的虚拟存储
管理
本章小结
习题
第6章程序中I/O操作的实现
61I/O子系统概述
62用户空间I/O软件
621用户程序中的I/O函数
622文件的基本概念
623系统级I/O函数
624C标准I/O库函数
63内核空间I/O软件
631设备无关I/O软件层
632设备驱动程序
633中断服务程序
64I/O硬件与软件的接口
641输入/输出设备
642基于总线的互连结构
643I/O接口的功能和结构
644I/O端口及其编址
645中断系统
本章小结
习题
参考文献
后记

21世纪是一个变幻难测的世纪，是一个催人奋进的时代。科学技术飞速发展，知识更替日新月异。希望、困惑、机遇、挑战，随时随地都有可能出现在每一个社会成员的生活之中。抓住机遇，寻求发展，迎接挑战，适应变化的制胜法宝就是学习——依靠自己学习、终生学习。
作为我国高等教育组成部分的自学考试，其职责就是在高等教育这个水平上倡导自学、鼓励自学、帮助自学、推动自学，为每一个自学者铺就成才之路。组织编写供读者学习的教材就是履行这个职责的重要环节。毫无疑问，这种教材应当适合自学，应当有利于学习者掌握和了解新知识、新信息，有利于学习者增强创新意识，培养实践能力，形成自学能力，也有利于学习者学以致用，解决实际工作中所遇到的问题。具有如此特点的书，我们虽然沿用了“教材”这个概念，但它与那种仅供教师讲、学生听，教师不讲、学生不懂，以“教”为中心的教科书相比，已经在内容安排、编写体例、行文风格等方面都大不相同了。希望读者对此有所了解，以便从一开始就树立起依靠自己学习的坚定信念，不断探索适合自己的学习方法，充分利用自己已有的知识基础和实际工作经验，最大限度地发挥自己的潜能，达到学习的目标。
欢迎读者提出意见和建议。
祝每一位读者自学成功。

全国高等教育自学考试指导委员会2022年8月