前　　言
隨著智能技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力成為解決我國(guó)信息技術(shù)發(fā)展瓶頸和實(shí)施大型工程的關(guān)鍵。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力是指能夠利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層面的基本原理來(lái)構(gòu)建以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)，以及解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。對(duì)于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力是其相對(duì)其他非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一大優(yōu)勢(shì)，這一點(diǎn)已得到普遍認(rèn)可，并已在實(shí)踐中得到證實(shí)。
本書(shū)作為“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”或“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論”“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程的教材，從程序員的角度說(shuō)明了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本原理及底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制，期望程序員能夠成為：
更有效率的程序員—能有效地找出并消除程序中的bug，更好地進(jìn)行程序性能調(diào)優(yōu)。
更有“底”氣的程序員—能夠深入了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一些底層實(shí)現(xiàn)，能夠結(jié)合計(jì)算機(jī)的底層實(shí)現(xiàn)寫(xiě)出更可靠、更安全的程序。
更為全面的程序員—為后續(xù)的計(jì)算機(jī)“系統(tǒng)”級(jí)課程做好準(zhǔn)備，提高解決復(fù)雜問(wèn)題、設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的能力。
雖然不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件千差萬(wàn)別，但計(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)所用的環(huán)境為IA-32/x86-64 + Linux + GCC + C 語(yǔ)言。
全書(shū)共11章，旨在闡述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心概念。
第1章是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論，介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本功能和基本組成、程序的開(kāi)發(fā)與執(zhí)行過(guò)程、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。
第2章介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是如何用二進(jìn)制來(lái)表示信息的，以及如何通過(guò)上下文來(lái)將同樣的二進(jìn)制字節(jié)序列識(shí)別為不同的數(shù)據(jù)對(duì)象。
第3章將實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分別抽象描述成一個(gè)最小系統(tǒng)與原型系統(tǒng)，并在這兩個(gè)系統(tǒng)上討論程序的執(zhí)行過(guò)程。
第4章介紹匯編語(yǔ)言的概念與特點(diǎn)，并詳細(xì)講解了ATT匯編語(yǔ)言的典型指令。
第5章以整數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)為例說(shuō)明如何利用不同的二進(jìn)制編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和表達(dá)。
第6章介紹程序的機(jī)器級(jí)表示，通過(guò)對(duì)比C語(yǔ)言代碼及其對(duì)應(yīng)的匯編代碼，從簡(jiǎn)單操作與訪問(wèn)、控制、過(guò)程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面來(lái)探索硬件層面的程序行為，從而理解程序在機(jī)器中的執(zhí)行過(guò)程。
第7章介紹匯編代碼通過(guò)鏈接形成最終的可執(zhí)行文件的詳細(xì)過(guò)程。
第8章介紹基本的存儲(chǔ)技術(shù)以及存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中是如何被組織成層次結(jié)構(gòu)的，在此基礎(chǔ)上討論了程序的局部性問(wèn)題。
第9章結(jié)合進(jìn)程的生命周期，闡釋了源自系統(tǒng)硬件底層及操作系統(tǒng)層面軟件形式的異常（信號(hào)），及其相關(guān)異常處理。
第10章將從虛擬存儲(chǔ)器的功能解讀開(kāi)始，闡釋虛擬地址的翻譯過(guò)程、存儲(chǔ)器映射，并結(jié)合實(shí)際案例研究虛擬存儲(chǔ)器系統(tǒng)。
第11章探討如何使用幾種不同類(lèi)型的程序優(yōu)化技術(shù)讓程序運(yùn)行得更快。
此外，附錄還介紹了一個(gè)簡(jiǎn)單CPU的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，以及機(jī)器級(jí)程序（指令）的電路級(jí)行為仿真。
本書(shū)具體編寫(xiě)分工如下：趙歡、張子興編寫(xiě)第1章和第2章，楊科華編寫(xiě)第3章和第4章，佘兢克編寫(xiě)第5章和第6章，黃麗達(dá)編寫(xiě)第7章、第9章和第10章，肖雄仁編寫(xiě)第8章，謝國(guó)琪編寫(xiě)第11章，凌純清、劉彥編寫(xiě)附錄部分，全書(shū)由趙歡、楊科華統(tǒng)稿。
本書(shū)內(nèi)容基于“快速入門(mén)、循序漸進(jìn)”的原則，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都提供了相應(yīng)的教學(xué)視頻，讀者可以掃描書(shū)中的二維碼來(lái)訪問(wèn)。同時(shí)也提供了大量的案例，盡量將每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)融合到具體的案例中，建議讀者在閱讀本書(shū)的過(guò)程中按照案例的具體要求進(jìn)行操作與實(shí)踐，以加深對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解。
為便于本書(shū)教學(xué)內(nèi)容的理解，并利于與先修后續(xù)課程“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)組成原理”“操作系統(tǒng)”“編譯原理”等的融會(huì)貫通，作者通過(guò)一個(gè)自創(chuàng)的原型機(jī)系統(tǒng)與編譯工具鏈來(lái)進(jìn)行演示，使讀者可以理解代碼的底層運(yùn)行機(jī)制，對(duì)照數(shù)字邏輯電路課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，讀者還可以進(jìn)一步理解指令的電路級(jí)行為。但正如前所述，本書(shū)主要是為后續(xù)的計(jì)算機(jī)類(lèi)“系統(tǒng)”級(jí)課程做準(zhǔn)備，提高讀者解決復(fù)雜問(wèn)題、設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的能力，因此并沒(méi)有對(duì)這些原理進(jìn)行深入的闡述，而只對(duì)這些內(nèi)容的聯(lián)系進(jìn)行講解，讓讀者對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有整體了解。在后續(xù)的“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”“操作系統(tǒng)”“編譯原理”“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”等課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，讀者可以與本書(shū)內(nèi)容相互印證，最終形成比較完整的、密切關(guān)聯(lián)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體概念。