PREFACE前　　言后PC時代的到來，使得原先基于PC而建立起來的專業(yè)教學內容已經遠遠不能反映現(xiàn)代社會對計算機專業(yè)人才的培養(yǎng)要求，原先計算機專業(yè)人才培養(yǎng)強調“程序”設計也變?yōu)楦鼜娬{“系統(tǒng)”設計。這需要我們重新規(guī)劃教學課程體系，調整教學理念和教學內容，加強學生系統(tǒng)能力培養(yǎng)，使學生能夠深刻理解計算機系統(tǒng)整體概念，更好地掌握軟/硬件協(xié)同設計和程序設計技術，從而更多地培養(yǎng)出滿足業(yè)界需求的各類計算機專業(yè)人才。不管培養(yǎng)計算機系統(tǒng)哪個層面的計算機技術人才，計算機專業(yè)教育都要重視學生“系統(tǒng)觀”的培養(yǎng)。
本書的主要目的就是為加強計算機專業(yè)學生的“系統(tǒng)觀”而提供一本關于“計算機系統(tǒng)基礎”課程教學的教材。
1.本書的寫作思路和內容組織本書從程序員視角出發(fā)，重點介紹應用程序員如何利用計算機系統(tǒng)相關知識來編寫更有效的程序。本書以高級語言程序的開發(fā)和運行過程為主線，將該過程中每個環(huán)節(jié)所涉及的硬件和軟件的基本概念關聯(lián)起來，試圖使讀者建立一個完整的計算機系統(tǒng)層次結構框架，了解計算機系統(tǒng)的全貌和相關知識體系，初步理解計算機系統(tǒng)中的每一個抽象層及其相互轉換關系，建立高級語言程序、ISA、OS、編譯器、鏈接器等之間的相互關聯(lián)；對指令在硬件上的執(zhí)行過程和指令的底層硬件執(zhí)行機制有一定的認識和理解，從而增強讀者在程序的調試、性能優(yōu)化、移植和健壯性保證等方面的能力，并為后續(xù)的“計算機組成與設計”“操作系統(tǒng)”“編譯技術”“計算機體系結構”等課程打下堅實基礎。
本書的具體內容包括：程序中處理的數(shù)據(jù)在機器中的表示和運算、程序中各類控制語句對應的機器級代碼的結構、可執(zhí)行目標代碼的鏈接生成、可執(zhí)行目標代碼中的指令序列在機器上的執(zhí)行過程、存儲訪問過程、打斷程序正常執(zhí)行的機制以及程序中的I/O操作功能如何通過請求操作系統(tǒng)內核提供的系統(tǒng)調用服務來完成等。
不管構建一個計算機系統(tǒng)的各類硬件和軟件多么千差萬別，計算機系統(tǒng)的構建原理以及在計算機系統(tǒng)上的程序轉換和執(zhí)行機理是相通的，因而，本書僅介紹一種特定計算機系統(tǒng)平臺下的相關內容。本書所用的平臺為IA-32/x86-64+Linux+GCC+C語言。
本書共有8章，分兩個部分。第一部分主要是系統(tǒng)概要并介紹可執(zhí)行目標文件的生成，包含第1～4章；第二部分主要介紹可執(zhí)行目標文件的運行，包含第5～8章。第1章是計算機系統(tǒng)概述；第2章和第3章分別介紹高級語言程序中的數(shù)據(jù)和語句所對應的底層機器級表示，展示的是高級語言程序到機器級語言程序的對應轉換關系；第4章主要介紹如何將不同的程序模塊鏈接起來構成可執(zhí)行目標文件，展示的是程序的鏈接環(huán)節(jié)；第5章和第6章著重介紹程序的運行環(huán)節(jié)，包括與程序運行密切相關的硬件部分——CPU及存儲器的組織；第7章介紹打斷程序正常運行的事件機制——異常控制流；第8章主要介紹程序中I/O操作的實現(xiàn)機制。此外，附錄A中還補充了數(shù)字邏輯電路的基礎內容，為那些沒有數(shù)字邏輯電路基礎知識的讀者閱讀本書提供方便。
2.讀者所需的背景知識本書假定讀者對C語言程序設計有一定的基礎，已經掌握了C語言的語法和各類控制語句、數(shù)據(jù)類型及其運算、各類表達式、函數(shù)調用和C語言的標準庫函數(shù)等相關知識。
此外，本書對于程序中指令的執(zhí)行過程進行了介紹，這涉及布爾代數(shù)、邏輯運算電路、存儲部件等內容，因而，本書正文內容假定讀者具有數(shù)字邏輯電路基礎知識。不過，如果讀者不具備這些背景知識的話，可以參看本書附錄A。
本書所用的平臺為IA-32/x86-64+Linux+GCC+C語言。書中大多數(shù)C語言程序對應的機器級表示都是基于IA-32+Linux平臺用GCC編譯器生成的，本書會在介紹程序的機器級表示之前，先簡要介紹IA-32的指令集體系結構，包括其機器語言和匯編語言的介紹，因而，讀者無須任何機器語言和匯編語言的背景知識。
XII3.使用本書作為教材的課程及教學建議目前國內大學計算機專業(yè)課程設置，大多是按計算機系統(tǒng)層次結構進行橫向切分，自下而上分解成數(shù)字邏輯電路、計算機組成原理、匯編程序設計、操作系統(tǒng)、編譯原理、程序設計等課程，而且，每門課程都僅局限在本抽象層，相互之間幾乎沒有關聯(lián)，因而學生對整個計算機系統(tǒng)的認識過程就像“瞎子摸象”一樣，很難形成一個對完整計算機系統(tǒng)的全面認識。雖然國內有些高校也有計算機系統(tǒng)概論、計算機系統(tǒng)入門或導論之類的課程，但通常內容較廣且結構較松散，基本上是計算機課程概論，因而很難使學生真正形成計算機系統(tǒng)層次結構整體框架。
筆者對美國幾所頂級大學近年來相關課程體系進行了跟蹤調查，發(fā)現(xiàn)他們都非常注重計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，都在講完高層的編程語言及程序設計課程后開設一門關于計算機系統(tǒng)的基礎課程，如MIT的6.004、UC-Berkeley的CS 61C、CMU的CS 213、斯坦福大學的CS 107等。這些課程在內容上特別注重計算機系統(tǒng)各抽象層的縱向關聯(lián)，將高級語言程序、匯編語言程序、機器代碼及其執(zhí)行串聯(lián)起來，為學生進一步學習后續(xù)相關課程打下堅實的基礎。
本書在借鑒國外相關課程教學內容和相關教材的基礎上編寫，適合于在完成程序設計基礎課程后進行學習。本書內容貫穿計算機系