本书从系统的角度出发，结合龙芯处理器及Loongnix系统的相关实例，从软件和硬件两个方面对计算机系统进行由硬到软、自底向上的介绍，目的是帮助读者掌握完整的计算机系统层次结构，了解计算机相关技术概念，掌握计算机系统的相关知识。
本书分为基础部分与实践部分。基础部分主要介绍了计算机系统相关的基本概念、组合电路与时序电路、处理器体系结构、程序的加载与运行、数据的机器级表示和运算、层次化结构存储、异常控制流；实践部分则主要介绍了龙芯实验平台的软硬件环境、文件读写及加解密实验、二进制炸弹拆除实验、简单的计算机模拟器实验与LoongArch五级流水线模拟器中的Cache实验。
本书可作为高等院校计算机及相关专业计算机系统原理课程的教材，也可供从事计算机工作的工程技术人员参考。
习近平总书记在党的二十大报告中指出：教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是生产力、人才是资源、创新是动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略，这三大战略共同服务于创新型国家的建设。报告同时强调：推动战略性新兴产业融合集群发展，构建新一代信息技术、人工智能、生物技术、新能源、新材料、高端装备、绿色环保等一批新的增长引擎。
随着信息技术的发展，计算机被广泛应用于工业及商业等领域，新兴的软硬件技术层出不穷，我国自主研发的计算机系统不断涌现，计算机系统的相关知识也亟待更新。
本书从系统的角度出发，结合龙芯处理器架构的相关实例，从硬件和软件两个方面对计算机系统进行由硬到软、自底向上的介绍，目的是帮助读者掌握完整的计算机系统层次结构，了解计算机相关技术概念，掌握计算机系统的相关知识；从硬件电路、计算机子系统、处理器结构方面初步了解计算机系统的硬件架构、核心概念及软硬件实现；按照高级语言程序从开发到运行的路线，串联整个过程中的各个环节，帮助读者加深对程序从编译到运行及优化等相关知识的理解；从指令系统出发，结合LoongArch指令集的相关实例，介绍计算机系统指令集相关知识；结合相关实例对计算机I/O子系统、存储结构、计算机系统并行层次等相关知识进行详细讲解，使读者对计算机系统相关知识有全方位的了解与掌握，提高实践操作能力，为后续其他课程的学习打下坚实基础。
本书分为基础部分与实践部分，其中，基础部分共分为7章，实践部分共分为5个实验，各部分内容介绍如下。
第1章主要介绍计算机系统相关的基本概念。内容包括计算机系统中相关的定义、计算机系统的类别、层次结构、用户角色、体系架构及程序编译执行的基本过程，后对计算机性能的衡量指标及测评方式进行了介绍。
第2章主要介绍组合电路与时序电路。内容包括组合电路与时序电路的描述方法、分析方法、具体表现与应用形式。
第3章主要介绍处理器体系结构，从指令集架构的角度出发进行阐述。首先描述了指令集架构的定义、分类、不同指令集的对比、指令集架构的发展历程与二进制翻译技术。其次详细介绍了龙芯指令集架构，包括龙芯指令系统概述，包括龙芯指令的编码与汇编助记格式、寄存器组织与寻址方式；不同类型的龙芯指令的设计细节，包括数据处理指令、转移指令、访存指令、栅障指令、浮点处理指令、特权指令与其他指令；龙芯汇编语言源程序格式和龙芯汇编语言的机器级表示。
第4章介绍程序的加载与运行，首先讲述源代码到可执行目标文件生成的整体流程，包括编译、汇编、链接步骤；然后根据可执行目标文件的运行过程引出指令的执行部分；后介绍如何通过指令流水线技术提高处理器性能，内容包括指令流水线的步骤、存在的问题、异常处理及优化技术。
第5章主要介绍数据的机器级表示和运算。内容包括整数的编码表示方法、浮点数的编码表示方法、整数的运算和浮点数的运算。
第6章主要介绍了计算机层次化存储结构中的存储器分类、工作原理和组成方式，同时介绍了I/O系统的定义和组成，并对其软硬件结构进行层次分析。通过介绍存储技术，局部性原理与层次化存储结构，高速缓存的基本工作原理，虚拟存储器系统的实现技术，以及Flash存储器、磁盘存储器和NVM存储器等不同类型存储器的特点，使读者建立起如何利用不同类型的存储器构造层次化结构的存储系统的概念。并通过将I/O工作过程与软硬件系统结合的方式说明I/O系统的运行原理，帮助读者从I/O角度进一步认识并了解计算机系统，建立起对计算机系统的整体认识。
第7章主要介绍异常控制流，首先介绍控制流、异常控制流的概念，并介绍了计算机系统中进程、异常、中断等机制；以LoongArch为例详细介绍精简指令集架构下的异常与中断处理理念与实现方式。理解异常控制流可以帮助程序员更好地掌握计算机系统处理不同任务的底层实现，并根据应用场景选择有效的程序实现方式。
实践部分均在龙芯教学实验平台设计和实现，借个实验简单介绍了龙芯实验平台的软硬件环境，在熟悉环境的同时完成字符的大小写转换。通过第二个读写文件实验，读者可以掌握动态库的创建与链接及常见的加解密算法。在第三个二进制炸弹拆除的实验中，读者需要使用GDB调试工具，与汇编陷阱斗智斗勇，经过第三个实验，读者会进一步理解LoongArch指令。第四个实验将帮助读者理解并掌握冯·诺依曼计算机的基本结构与工作原理。通过第五个实验，读者会对经典五级流水线的每个环节有一定的理解，在第三个实验中LoongArch指令的基础上，实现指令的汇编翻译过程，并探究Cache结构对CPU运行速度的影响。
本书由申兆岩编写第1、3、4、6、8章，贾智平编写第2、7章，王毅编写第5章，马良、魏倩、陈泽豪、朱紊滨、姜锡坤、郭瀚文也参与了本书编写的部分工作。2021年秋季，本讲稿已分别在山东大学计算机科学与技术学院本科生和研究生教学中试用。
由于编者水平和经验有限，加之时间仓促，书中难免存在不足之处，敬请读者谅解，并真诚欢迎读者提出宝贵的建议。
编者2023年1月
第1章 计算机系统概述
1．1 计算机系统的定义和类别
1．1．1 计算机系统的定义
1．1．2 计算机系统的类别
1．2 计算机系统中的抽象层次
1．2．1 计算机系统层次结构
第1章计算机系统概述1
1.1计算机系统的定义和类别1
1.1.1计算机系统的定义1
1.1.2计算机系统的类别5
1.2计算机系统中的抽象层次7
1.2.1计算机系统层次结构7
1.2.2计算机系统的不同用户9
1.2.3冯·诺依曼架构11
1.2.4程序的编译及执行过程14
1.3计算机性能16
1.3.1性能的指标和度量16
1.3.2CPU性能17
1.3.3指令性能18
1.3.4实例: 处理器性能评测21
小结22
习题23
第2章组合电路与时序电路25
2.1组合电路25
2.1.1真值表26
2.1.2布尔代数26
2.1.3逻辑图27
2.1.4组合电路分析28
2.2时序电路31
2.2.1SR锁存器32
2.2.2触发器的触发方式34
2.2.3触发器的逻辑功能37
2.3计算机子系统40
2.3.1CPU子系统40
2.3.2总线45
2.3.3内存子系统47
〖3〗计算机系统基础与实践(微课版)目录〖3〗小结49
习题49
第3章处理器体系结构52
3.1指令集体系结构52
3.1.1精简指令集与复杂指令集52
3.1.2二进制翻译55
3.2LoongArch指令系统概述57
3.2.1LoongArch指令的编码与汇编助记格式57
3.2.2LoongArch的寄存器组59
3.2.3LoongArch的寻址方式62
3.3LoongArch32指令集65
3.3.1数据处理指令65
3.3.2转移指令74
3.3.3访存指令76
3.3.4栅障指令79
3.3.5浮点处理指令80
3.3.6特权指令81
3.3.7其他杂项指令87
3.4汇编语言源程序格式88
3.4.1汇编语言程序的结构89
3.4.2汇编语言的行构成91
3.4.3伪指令92
3.4.4宏指令95
3.5汇编语言机器级表示97
3.5.1过程调用的机器级表示97
3.5.2选择语句的机器级表示100
3.5.3循环结构的机器级表示104
小结108
习题109
第4章程序的加载与运行111
4.1可执行目标文件的生成111
4.1.1编译112
4.1.2汇编113
4.1.3链接115
4.2可执行目标文件的运行117
4.2.1加载118
4.2.2程序执行过程121
4.2.3指令执行介绍123
4.3流水线技术125
4.3.1流水线方式126
4.3.2指令流水线127
4.3.3流水线存在的问题129
4.3.4流水线与异常处理133
4.3.5流水线优化技术133
小结139
习题140
第5章数据的机器级表示和运算142
5.1数据类型及编码方式概述142
5.1.1数值数据及其编码方式143
5.1.2非数值数据及其编码方式144
5.1.3进位记数制146
5.2整数的表示150
5.2.1无符号数编码150
5.2.2有符号数编码150
5.3整数运算154
5.3.1移位运算154
5.3.2加减法运算155
5.3.3乘法运算157
5.3.4除法运算166
5.4浮点数表示与运算170
5.4.1浮点表示法170
5.4.2浮点数计算173
小结174
习题175
第6章层次化结构存储176
6.1存储技术176
6.1.1存储器176
6.1.2存储技术发展趋势178
6.2局部性原理与层次化存储结构180
6.2.1局部性180
6.2.2存储器层次结构182
6.3高速缓冲存储器183
6.3.1Cache的基本工作原理183
6.3.2Cache主存地址映射184
6.3.3Cache替换策略191
6.3.4Cache写策略192
6.3.5Cache存储器的性能分析194
6.3.6Cache与程序性能197
6.4虚拟存储器200
6.4.1虚拟存储器概述200
6.4.2页式存储管理202
6.4.3段式虚拟存储管理209
6.4.4段页式存储管理211
6.5外部存储器214
6.5.1磁盘存储器214
6.5.2闪存存储器218
6.5.3新型非易失性存储器222
6.6I/O系统225
6.6.1I/O系统的定义与组成225
6.6.2I/O软硬件层次结构227
6.6.3Linux中的I/O栈239
小结241
习题243
第7章异常控制流246
7.1进程246
7.1.1进程的概念247
7.1.2进程的逻辑控制流248
7.1.3进程的私有地址空间249
7.1.4进程的上下文切换251
7.1.5进程的控制252
7.2异常和中断的概念254
7.2.1基本概念254
7.2.2异常255
7.2.3中断259
7.3异常和中断的响应过程261
7.4LoongArch指令系统中的异常和中断264
7.4.1相关控制状态寄存器264
7.4.2异常的处理267
7.4.3中断的处理269
小结270
习题271
第8章实践部分273
8.1龙芯平台初探273
8.1.1实验背景273
8.1.2实验目的273
8.1.3实验要求273
8.1.4实验步骤273
8.2文件读写及加解密278
8.2.1实验背景278
8.2.2实验目的279
8.2.3实验要求279
8.2.4实验步骤279
8.3二进制炸弹拆除281
8.3.1实验背景281
8.3.2实验目的282
8.3.3实验要求282
8.3.4实验步骤282
8.4简单的计算机模拟器286
8.4.1实验背景286
8.4.2实验目的287
8.4.3实验要求287
8.4.4实验步骤287
8.5设计LoongArch五级流水线模拟器中的Cache306
8.5.1实验背景306
8.5.2实验目的307
8.5.3实验要求307
8.5.4实验步骤309
参考文献327
1．2．2 计算机系统的不同用户
1．2．3 冯·诺依曼架构
1．2．4 程序的编译及执行过程
1．3 计算机性能
1．3．1 性能的指标和度量
1．3．2 CPU性能
1．3．3 指令性能
1．3．4 实例：处理器性能评测
小结
习题
第2章 组合电路与时序电路
2．1 组合电路
2．1．1 真值表
2．1．2 布尔代数
2．1．3 逻辑图
2．1．4 组合电路分析
2．2 时序电路
2．2．1 SR锁存器
2．2．2 触发器的触发方式
2．2．3 触发器的逻辑功能
2．3 计算机子系统
2．3．1 CPU子系统
2．3．2 总线
2．3．3 内存子系统
小结
习题
第3章 处理器体系结构
3．1 指令集体系结构
3．1．1 精简指令集与复杂指令集
3．1．2 二进制翻译
3．2 LoongArch指令系统概述
3．2．1 LoongArch指令的编码与汇编助记格式
3．2．2 LoongArch的寄存器组
3．2．3 LoongArch的寻址方式
3．3 LoongArch32指令集
3．3．1 数据处理指令
3．3．2 转移指令
3．3．3 访存指令
3．3．4 栅障指令
3．3．5 浮点处理指令
3．3．6 特权指令
3．3．7 其他杂项指令
3．4 汇编语言源程序格式
3．4．1 汇编语言程序的结构
3．4．2 汇编语言的行构成
3．4．3 伪指令
3．4．4 宏指令
3．5 汇编语言机器级表示
3．5．1 过程调用的机器级表示
3．5．2 选择语句的机器级表示
3．5．3 循环结构的机器级表示
小结
习题
第4章 程序的加载与运行
4．1 可执行目标文件的生成
4．1．1 编译
4．1．2 汇编
4．1．3 链接
4．2 可执行目标文件的运行
……
第5章 数据的机器级表示和运算
第6章 层次化结构存储
第7章 异常控制流
第8章 实践部分
参考文献
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