最新計算機概論(第十版) (電子書) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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陳惠貞

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《深入理解计算机系统：从底层到应用的全景解析》 本书旨在为读者提供一个全面、深入的计算机系统知识框架，内容涵盖了从硬件基础到高级软件应用的各个层面。我们不侧重于某一特定编程语言或应用领域的介绍，而是致力于剖析计算机系统运行的底层原理、数据如何在不同层次间流动、以及软件如何有效地与硬件协同工作。 第一部分：从比特到程序——硬件基础与数据表示 本部分将从最基本的层面——比特和字节——开始，系统地阐述数字逻辑和计算机的结构。我们将详细介绍二进制、补码等数字表示方法，以及它们在现代处理器中的实现。 逻辑门与组合电路： 深入探讨与非门、或非门等基本逻辑单元如何组合构建出复杂的算术逻辑单元（ALU）。我们将分析如何利用这些基本元件实现加法器和乘法器等核心运算部件。 处理器架构（ISA）： 重点讲解指令集架构（ISA）的设计哲学，包括RISC与CISC的权衡。我们将以一个典型的、简化的指令集为例，剖析指令的编码、寻址模式以及程序计数器（PC）的工作流程。理解ISA是理解汇编语言和编译器设计的前提。 内存层次结构与缓存： 计算机性能的关键瓶颈往往在于数据存取速度。本章将细致剖析内存系统的分层结构——寄存器、L1/L2/L3缓存、主存（DRAM）以及虚拟存储器。我们将引入局部性原理（时间局部性和空间局部性），并深入解析直接映射、组相联、全相联缓存的工作机制、命中与缺失的代价，以及写回策略（Write-back vs. Write-through）。 第二部分：程序如何在机器上执行——汇编、链接与加载 理解一个高级语言程序如何转化为可在硬件上执行的机器码，是掌握系统编程的关键。 汇编语言与过程调用： 介绍如何将高级语言的控制流结构（如循环和条件判断）映射到汇编指令。重点解析函数调用约定（Calling Conventions），包括参数传递、栈帧的建立与销毁、以及返回地址的保存。我们将通过实例展示栈溢出攻击的原理基础。 目标代码与可执行文件格式： 深入剖析ELF（Executable and Linkable Format）等标准文件格式的内部结构，包括代码段（.text）、数据段（.data, .bss）和符号表。 链接器的艺术： 详细阐述静态链接和动态链接的过程。静态链接如何解决符号引用并合并代码；动态链接器（Loader）如何在程序运行时解析共享库（.so/.dll）的地址，以及延迟绑定（Lazy Binding）的技术实现。 第三部分：程序与数据——数据流与系统调用 本部分关注程序运行时的数据表示、存储布局以及程序与操作系统内核的交互。 数据类型与内存对齐： 讨论不同基本数据类型（整数、浮点数）在内存中的精确存储方式，特别是IEEE 754浮点标准的细节。强调数据对齐（Alignment）对性能的影响以及编译器如何处理结构体和联合体的内存布局。 系统调用接口（Syscalls）： 阐明用户模式（User Mode）与内核模式（Kernel Mode）之间的界限。系统调用是程序获取操作系统服务的唯一途径。我们将以I/O操作（如`read`, `write`）为例，解析系统调用 Trap 过程的开销和安全性考量。 进程与并发基础： 介绍进程的基本概念——资源隔离的单元。探讨上下文切换的机制，以及程序如何通过创建新进程来并行执行任务。 第四部分：抽象与隔离——虚拟内存系统 虚拟内存是现代操作系统最精妙的设计之一，它为每个进程提供了私有的、连续的地址空间。 分页机制： 详细解释虚拟地址到物理地址的转换过程，包括页表（Page Table）的结构、多级页表如何节省空间，以及快表（TLB, Translation Lookaside Buffer）在加速地址翻译中的作用。 内存管理策略： 讨论内核如何管理物理内存池，包括内存分配算法和缺页中断（Page Fault）的处理流程。分析缺页中断发生时，系统如何将数据从磁盘调入内存。 内存共享与保护： 阐述虚拟内存如何天然地提供进程间隔离，以及通过修改页表权限位实现代码段的只读保护。 第五部分：性能优化与系统可靠性 本部分着眼于如何利用对底层原理的理解来编写更高效、更健壮的软件。 编译与优化： 探讨编译器在将源代码转换为机器码时所执行的关键优化技术，如常量传播、死代码消除、循环展开等，以及它们如何影响最终代码的执行效率。 输入/输出（I/O）系统： 深入分析阻塞式I/O、非阻塞式I/O、以及I/O多路复用（如`select`/`poll`/`epoll`）的工作原理。理解这些机制对于构建高性能网络服务器至关重要。 并发编程的挑战： 介绍线程与进程的区别。着重分析并发执行中引入的竞态条件（Race Conditions）、死锁（Deadlocks）等问题，并探讨使用锁（Mutexes）、信号量（Semaphores）和原子操作来确保数据一致性的方法。 本书面向具有一定编程经验，渴望理解程序“幕后”运行机制的工程师、计算机科学专业学生以及系统架构师。通过对这些核心概念的系统学习，读者将能够从根本上提升代码的性能洞察力和系统的调试能力。