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第一部分 应用层（第7层）2

第1章 计算机系统2

1.1抽象层次2

1.1.1艺术中的抽象3

1.1.2文档中的抽象4

1.1.3组织中的抽象5

1.1.4机器中的抽象6

1.1.5计算机系统中的抽象6

1.2硬件8

1.2.1输入设备9

1.2.2输出设备11

1.2.3主存储器12

1.2.4中央处理单元13

1.3软件13

1.3.1操作系统14

1.3.2软件分析和设计15

1.4数据库系统16

1.4.1关系17

1.4.2查询18

1.4.3语言结构19

总结20

练习21

第二部分 高级语言层（第6层）24

第2章 C++++24

2.1变量24

2.1.1 C++++编译器24

2.1.2机器无关性24

2.1.3 C++++的内存模型25

2.1.4全局变量和赋值语句26

2.1.5局部变量28

2.2控制流29

2.2.1 if/else语句29

2.2.2 switch语句30

2.2.3 while循环30

2.2.4 do循环31

2.2.5数组和for循环31

2.3函数32

2.3.1空函数和传值调用的参数32

2.3.2函数的例子33

2.3.3传引用调用的参数34

2.4递归36

2.4.1阶乘函数37

2.4.2递归的思考方式39

2.4.3递归加法40

2.4.4二项式系数函数41

2.4.5逆转数组元素顺序45

2.4.6汉诺塔45

2.4.7相互递归48

2.4.8递归的成本48

2.5动态内存分配49

2.5.1指针49

2.5.2结构50

2.5.3链式数据结构51

总结52

练习53

问题54

第三部分 指令集架构层（第3层）58

第3章 信息的表示58

3.1无符号二进制表示58

3.1.1二进制存储器58

3.1.2整数59

3.1.3基本转换60

3.1.4无符号整数的范围61

3.1.5无符号加法62

3.1.6进位位62

3.2补码二进制表示63

3.2.1补码的表数范围65

3.2.2基数转换66

3.2.3数轴66

3.2.4溢出位68

3.2.5负数和零位69

3.3二进制运算69

3.3.1逻辑运算符69

3.3.2寄存器传送语言70

3.3.3算术运算符70

3.3.4循环移位运算符72

3.4十六进制和符号表示72

3.4.1十六进制72

3.4.2基数转换73

3.4.3字符75

3.5浮点数表示77

3.5.1二进制小数77

3.5.2余码表示78

3.5.3隐藏位79

3.5.4特殊值80

3.5.5 IEEE 754浮点数标准83

3.6跨层的表示方法85

3.6.1另一种表示87

3.6.2模型88

总结90

练习90

问题95

第4章 计算机体系结构97

4.1硬件97

4.1.1中央处理单元98

4.1.2主存储器98

4.1.3输入设备99

4.1.4输出设备99

4.1.5数据和控制100

4.1.6指令格式100

4.2直接寻址102

4.2.1停止指令102

4.2.2装入指令103

4.2.3存储指令103

4.2.4加法指令104

4.2.5减法指令105

4.2.6与和或指令105

4.2.7按位取反和取负指令106

4.2.8装入字节和存储字节指令107

4.2.9字符输入和输出指令108

4.3冯·诺依曼机器109

4.3.1冯·诺依曼执行周期109

4.3.2一个字符输出程序110

4.3.3冯·诺依曼漏洞113

4.3.4一个字符输入程序113

4.3.5十进制转换为ASCII113

4.3.6一个修改自身的程序114

4.4 ISA3层编程115

4.4.1只读内存117

4.4.2 Pep/8操作系统117

4.4.3使用Pep/8系统119

总结119

练习120

问题121

第四部分 汇编层（第5层）124

第5章 汇编语言124

5.1汇编程序124

5.1.1指令助记符124

5.1.2伪操作126

5.1.3 .ASCII和.END伪操作126

5.1.4汇编器127

5.1.5 .BLOCK伪操作128

5.1.6 .WORD和.BYTE伪操作129

5.1.7使用Pep/8汇编器129

5.1.8交叉汇编器130

5.2立即数寻址和陷阱指令131

5.2.1立即数寻址131

5.2.2 DECI、 DECO和BR指令131

5.2.3 STRO指令133

5.2.4解释位模式134

5.2.5反汇编器135

5.3符号137

5.3.1带符号的程序137

5.3.2一个冯·诺依曼示例138

5.4从HOL6层翻译139

5.4.1 cout语句139

5.4.2变量和类型140

5.4.3全局变量和赋值语句141

5.4.4类型兼容143

5.4.5 Pep/8符号跟踪器144

5.4.6算术移位和循环移位指令145

5.4.7常量和.EQUATE147

5.4.8指令和数据的放置149

总结149

练习150

问题152

第6章 编译到汇编层155

6.1栈寻址和局部变量155

6.1.1栈相对寻址155

6.1.2访问运行时栈156

6.1.3局部变量158

6.2转移指令和控制流159

6.2.1翻译if语句160

6.2.2优化编译器161

6.2.3翻译if/else语句162

6.2.4翻译while循环163

6.2.5翻译do循环164

6.2.6翻译for循环165

6.2.7面条代码166

6.2.8早期语言中的控制流168

6.2.9结构化编程定律169

6.2.10 goto争论169

6.3函数调用和参数171

6.3.1翻译函数调用171

6.3.2用全局变量翻译传值调用参数173

6.3.3用局部变量翻译传值调用参数176

6.3.4翻译非空函数调用178

6.3.5用全局变量翻译传引用调用参数180

6.3.6用局部变量翻译传引用调用参数183

6.3.7翻译布尔类型186

6.4变址寻址和数组188

6.4.1翻译全局数组189

6.4.2翻译局部数组191

6.4.3翻译作为参数传递的数组193

6.4.4翻译switch语句198

6.5动态内存分配200

6.5.1翻译全局指针200

6.5.2翻译局部指针204

6.5.3翻译结构207

6.5.4翻译链式数据结构210

总结214

练习214

问题215

第7章 语言翻译原理222

7.1语言、语法和语法分析222

7.1.1连接223

7.1.2语言223

7.1.3语法224

7.1.4 C++++标识符的语法225

7.1.5有符号整数的语法226

7.1.6上下文相关的语法227

7.1.7语法分析问题227

7.1.8表达式的语法228

7.1.9 C++++语法的一部分229

7.1.10 C++++的上下文相关性232

7.2有限状态机233

7.2.1用FSM来分析标识符234

7.2.2简化的有限状态机234

7.2.3非确定性有限状态机234

7.2.4具有空转移的状态机235

7.2.5语言符号识别器237

7.3实现有限状态机239

7.3.1查找表分析器240

7.3.2直接编码分析器241

7.3.3输入缓冲区类244

7.3.4多token分析器244

7.4代码生成249

7.4.1语言翻译器249

7.4.2语法分析器特性259

总结260

练习260

问题262

第五部分 操作系统层（第4层）266

第8章 进程管理266

8.1装载器266

8.1.1 Pep/8操作系统266

8.1.2 Pep/8装载器267

8.1.3程序的终止269

8.2陷阱269

8.2.1陷阱机制269

8.2.2 RETTR指令270

8.2.3陷阱处理程序271

8.2.4陷阱寻址方式断言273

8.2.5陷阱操作数地址计算274

8.2.6空操作陷阱处理程序277

8.2.7 DECI陷阱处理程序277

8.2.8 DECO陷阱处理程序282

8.2.9 STRO陷阱处理程序和OS向量284

8.3并发进程286

8.3.1异步中断286

8.3.2操作系统中的进程287

8.3.3多处理288

8.3.4并发处理程序289

8.3.5临界区290

8.3.6第一次尝试实现互斥291

8.3.7第二次尝试实现互斥291

8.3.8 Peterson互斥算法292

8.3.9信号量293

8.3.10带信号量的临界区295

8.4死锁296

8.4.1资源分配图296

8.4.2死锁策略298

总结298

练习299

问题302

第9章 存储管理305

9.1内存分配305

9.1.1单道程序设计305

9.1.2固定分区多道程序设计306

9.1.3逻辑地址306

9.1.4可变分区多道程序设计308

9.1.5分页310

9.2虚拟内存312

9.2.1大程序的行为312

9.2.2虚拟内存313

9.2.3按需取页315

9.2.4替换页315

9.2.5页替换算法316

9.3文件管理318

9.3.1磁盘驱动器318

9.3.2文件抽象319

9.3.3分配技术319

9.4错误检测和纠错码321

9.4.1错误检测码321

9.4.2编码要求322

9.4.3纠正一位错编码324

9.5 RAID存储系统325

9.5.1 RAID 0级：非冗余条带化326

9.5.2 RAID 1级：镜像326

9.5.3 RAID 01级和10级：条带化和镜像327

9.5.4 RAID 2级：内存风格的ECC328

9.5.5 RAID 3级：位交叉奇偶校验329

9.5.6 RAID 4级：块交叉奇偶校验329

9.5.7 RAID 5级：块交叉分布奇偶校验330

总结331

练习331

第六部分 逻辑门层（第1层）334

第10章 组合电路334

10.1布尔代数和逻辑门334

10.1.1组合电路335

10.1.2真值表335

10.1.3布尔代数336

10.1.4布尔代数定理337

10.1.5互补证明338

10.1.6逻辑图339

10.1.7其他表达方式341

10.2组合分析341

10.2.1布尔表达式和逻辑图342

10.2.2真值表和布尔表达式343

10.2.3两级电路345

10.2.4无所不在的NAND346

10.3组合设计347

10.3.1范式348

10.3.2三变量卡诺图349

10.3.3四变量卡诺图353

10.3.4对偶卡诺图355

10.3.5无关条件356

10.4组合设备356

10.4.1视角356

10.4.2复用器358

10.4.3二进制译码器358

10.4.4多路分配器359

10.4.5加法器359

10.4.6加法器/减法器361

10.4.7算术逻辑单元362

10.4.8 LG1层的抽象367

总结368

练习368

第11章 时序电路374

11.1锁存器和时钟触发器374

11.1.1 SR锁存器374

11.1.2钟控SR触发器376

11.1.3主-从SR触发器377

11.1.4基本触发器380

11.1.5 JK触发器381

11.1.6 D触发器382

11.1.7 T触发器383

11.1.8激励表384

11.2时序分析和设计384

11.2.1时序分析问题385

11.2.2预设置和清除387

11.2.3时序设计387

11.2.4一个时序设计问题388

11.3计算机子系统390

11.3.1寄存器390

11.3.2总线391

11.3.3内存子系统392

11.3.4地址译码396

11.3.5双端口寄存器体400

总结401

练习402

第七部分 微代码层（第2层）406

第12章 计算机组成406

12.1构造ISA3层机器406

12.1.1中央处理单元406

12.1.2冯·诺依曼周期408

12.1.3实现存储字节指令412

12.1.4实现加法指令412

12.1.5实现装入指令413

12.1.6实现算术右移指令415

12.2性能问题416

12.2.1总线宽度417

12.2.2特殊的硬件单元419

12.2.3 3个优化领域421

12.2.4微代码423

12.3 MIPS机器425

12.3.1装入/存储体系结构425

12.3.2指令集427

12.3.3高速缓存431

12.3.4 MIPS的计算机组成437

12.3.5流水线439

12.4结论445

12.4.1模型简化446

12.4.2更大的景象446

总结447

练习448

附录 Pep/8体系结构451

部分练习参考答案457

索引468