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計(jì)算之道卷I：計(jì)算機(jī)組成與高級(jí)語言

計(jì)算之道卷I：計(jì)算機(jī)組成與高級(jí)語言

定　　價(jià)：129 元

叢書名：架構(gòu)師前沿實(shí)踐叢書

作者：黃俊張仲文
出版時(shí)間：2025/4/1
ISBN：9787302682998
出版社：清華大學(xué)出版社

中圖法分類：TP3
頁碼：
紙張：膠版紙
版次：
開本：16開

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本書是一本深入探討計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的圖書，旨在幫助讀者更好地理解計(jì)算機(jī)內(nèi)部的工作原理，并探索從內(nèi)存到線程等核心知識(shí)。本書適用于對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)和底層技術(shù)感興趣的讀者，無論是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)還是進(jìn)一步擴(kuò)展技術(shù)視野，都能從本書中獲益良多。在這本書中，作者以清晰、易懂的語言詳細(xì)介紹計(jì)算機(jī)內(nèi)存的結(jié)構(gòu)和工作原理。讀者將了解內(nèi)存的層次結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)器管理、緩存和內(nèi)存映射等關(guān)鍵概念,從而更好地理解計(jì)算機(jī)是如何存儲(chǔ)和訪問數(shù)據(jù)的。此外,本書還深入討論了線程和并發(fā)編程。讀者將學(xué)習(xí)多線程編程的基本概念和技術(shù)，并了解線程同步、互斥鎖、信號(hào)量等并發(fā)控制機(jī)制。通過實(shí)例和案例研究，讀者將能夠編寫高效、可靠的多線程應(yīng)用程序。無論您是學(xué)生、工程師還是對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)感興趣的讀者，本書都將成為您不可或缺的參考資料。

為什么要寫這本書
因?yàn)橛?jì)算機(jī)編程的知識(shí)往往是分散的，我們需要對(duì)其進(jìn)行歸納和總結(jié)，以構(gòu)建一個(gè)完整的知識(shí)體系。同時(shí)，我希望為社會(huì)貢獻(xiàn)一份微薄的力量。學(xué)習(xí)在很大程度上取決于個(gè)人的領(lǐng)悟，我期望讀者通過閱讀本書能夠確定適合自己的學(xué)習(xí)路徑。
本書非常適合那些已經(jīng)接觸過計(jì)算機(jī)編程、具備一定代碼編寫能力，但對(duì)計(jì)算機(jī)整體體系結(jié)構(gòu)和底層原理了解不深的讀者。本書旨在幫助他們深入了解計(jì)算機(jī)的工作機(jī)制和基本原理。本書內(nèi)容涵蓋 Intel 芯片的工作機(jī)制、編譯器與連接器的原理，對(duì)這三個(gè)領(lǐng)域感興趣的讀者同樣適合閱讀。
本書中的大多數(shù)源代碼示例都與 C 語言相關(guān)，涉及的范圍包括但不限于 Linux 內(nèi)核、glibc 庫以及 Bison。同時(shí)，本書在介紹編譯器實(shí)現(xiàn)的部分采用了 Java 代碼。因此，讀者最好具備一定的 C 語言和 Java 語言基礎(chǔ)知識(shí)。
如何閱讀這本書
本書按照計(jì)算機(jī)從硬件到軟件的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，讀者可根據(jù)個(gè)人學(xué)習(xí)需求，查閱并學(xué)習(xí)各章節(jié)的內(nèi)容。我將前三章歸類為概念篇或抽象篇，它們主要介紹相關(guān)概念的形成過程，而這些內(nèi)容并未具象化到某個(gè)產(chǎn)品或編程語言。首先，我們從計(jì)算機(jī)的組成講起（包括 CPU、內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)），幫助讀者理解硬件底層的原理。接著，我們探討匯編語言的重要性，它是如何基于硬件層面構(gòu)建的。隨后，我們通過指出匯編語言的局限性，引出更易于閱讀和理解的編程語言。最后，我們通過分析不同層級(jí)語言（高級(jí)語言、低級(jí)語言）之間的關(guān)系，闡述編譯器的工作原理。從第 5 章開始，內(nèi)容變得更加具體和實(shí)踐，以 Intel 匯編語言為例，詳細(xì)介紹匯編指令的設(shè)計(jì)（對(duì)操作系統(tǒng)的支持指令）以及特定指令（PUSH 和 MOV）的工作原理。我們使用 C 語言來展示其特性，并與前文中的語言設(shè)計(jì)概念相呼應(yīng)。此外，我們還描述程序結(jié)構(gòu)的完整加載和運(yùn)行過程（動(dòng)態(tài)鏈接器原理）。最后，為了加深讀者的理解，我們以內(nèi)存分配為例，詳細(xì)講解內(nèi)存分配的整個(gè)流程。
勘誤和支持
由于本人水平有限，書中難免存在錯(cuò)誤和疏漏，懇請(qǐng)讀者不吝賜教并指出。如果讀者有任何寶貴意見和建議，歡迎您發(fā)送電子郵件到我的郵箱，期待收到您的真誠(chéng)反饋。

第 1 章計(jì)算機(jī)的組成 1
1.1 一顆計(jì)算機(jī)種子 1
1.2 百花齊放 2
1.2.1 馮·諾依曼架構(gòu) 3
1.2.2 哈佛架構(gòu) 4
1.3 e 進(jìn)制 5
1.3.1 進(jìn)制 5
1.3.2 二進(jìn)制 6
1.3.3 三進(jìn)制 6
1.3.4 e 進(jìn)制 7
1.3.5 其他進(jìn)制 8
1.4 邏輯門與運(yùn)算單元 10
1.4.1 NMOS 與 PMOS 10
1.4.2 非門（NOT） 10
1.4.3 與門（AND） 11
1.4.4 與非門（NAND） 11
1.4.5 或門（OR） 11
1.4.6 解復(fù)用器（de-multiplexer，DEMUX） 12
1.4.7 復(fù)用器（multiplexer，MUX） 13
1.4.8 異或門（XOR） 14
1.4.9 多位組合電路 15
1.4.10 半加器（Half Adder） 17
1.4.11 全加器（Full Adder） 18
1.4.12 十六位負(fù)數(shù)判斷（IsNeg） 18
1.4.13 十六位加法器（Adder16） 18
1.4.14 算術(shù)邏輯單元（ALU） 19
1.5 D 觸發(fā)器與存儲(chǔ)單元 20
1.5.1 RS 觸發(fā)器 20
1.5.2 D 觸發(fā)器 21
1.5.3 bit一位存儲(chǔ)器 22
1.5.4 十六位寄存器 22
1.5.5 高位寄存器內(nèi)存組合 23
1.5.6 小結(jié) 24
1.6 振蕩器與計(jì)時(shí)器 25
1.7 CPU 的組成 26
1.7.1 PC 計(jì)數(shù)器 26
1.7.2 寄存器 27
1.7.3 功能定義 27
1.7.4 CPU 實(shí)現(xiàn) 30
1.8 計(jì)算機(jī)的組成 32
1.8.1 內(nèi)存 32
1.8.2 其他設(shè)備 33
1.8.3 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 34
1.9 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的組成 35
1.9.1 單體網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 35
1.9.2 分布式服務(wù) 36
1.10 小結(jié) 37
第 2 章匯編語言 39
2.1 指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA） 39
2.2 CISC 40
2.3 RISC 40
2.4 Intel 指令集 41
2.4.1 指令前綴 42
2.4.2 操作碼 43
2.4.3 ModR/M與SIB 44
2.4.4 位移與立即數(shù) 45
2.5 通用匯編指令 45
2.5.1 MOV、ADD、SUB 45
2.5.2 MLU、DIV、SHL、SHR 45
2.5.3 PUSH、POP 46
2.5.4 JMP、JXX 47
2.6 匯編的內(nèi)存結(jié)構(gòu) 47
2.6.1 位寬 47
2.6.2 步長(zhǎng) 47
2.7 匯編器 48
2.7.1 簡(jiǎn)單匯編 48
2.7.2 匯編器 49
2.8 小結(jié) 54
第 3 章如何設(shè)計(jì)一門語言 55
3.1 語言的目標(biāo) 55
3.2 類型系統(tǒng) 55
3.3 抽象操作 56
3.3.1 匯編拓展 56
3.3.2 寄存器拓展 57
3.4 內(nèi)存抽象 57
3.4.1 數(shù)組 58
3.4.2 結(jié)構(gòu)體 58
3.5 進(jìn)程內(nèi)存結(jié)構(gòu) 58
3.5.1 堆 59
3.5.2 棧 59
3.5.3 數(shù)據(jù)段 60
3.5.4 代碼段 60
3.5.5 應(yīng)用程序二進(jìn)制接口 61
3.6 小結(jié) 61
第 4 章編譯器 63
4.1 編譯原理 63
4.1.1 詞法分析 64
4.1.2 語法分析 76
4.1.3 語義分析 115
4.2 GCC 編譯器源碼 131
4.3 其他編譯器 152
4.4 小結(jié) 152
第 5 章 Intel 與匯編 154
5.1 Intel 歷史 154
5.2 Intel 編碼語法 156
5.3 基礎(chǔ)寄存器 157
5.3.1 通用寄存器 157
5.3.2 段寄存器 159
5.3.3 狀態(tài)寄存器 161
5.3.4 指令指針寄存器 161
5.4 Intel 內(nèi)存分段 163
5.5 Intel 內(nèi)存分頁 168
5.6 保護(hù)模式 170
5.6.1 數(shù)據(jù)段的訪問與檢查 172
5.6.2 代碼段的訪問與檢查 173
5.6.3 調(diào)用門 176
5.6.4 中斷與異常 179
5.6.5 任務(wù)管理 187
5.7 其他 190
5.7.1 多核處理器 190
5.7.2 APIC 192
5.8 Intel 指令原理 193
5.8.1 PUSH 指令 193
5.8.2 MOV 指令 194
5.8.3 ADD、MUL、DIV、SUB 指令 195
5.8.4 LIDT/LGDT 196
5.9 小結(jié) 197
第 6 章 C 語言 198
6.1 C 標(biāo)準(zhǔn)歷史（維基百科） 198
6.1.1 基于 B 語言的第一個(gè) C 版本 199
6.1.2 結(jié)構(gòu)體和 UNIX 內(nèi)核重寫 199
6.1.3 K&R C 199
6.1.4 ANSI C 和 ISO C 200
6.1.5 C99 201
6.1.6 C11 202
6.1.7 小結(jié) 202
6.2 宏定義 202
6.3 變量與常量 203
6.4 函數(shù) 206
6.5 數(shù)組與指針 209
6.6 結(jié)構(gòu)體 214
6.6.1 位操作 216
6.6.2 其他 218
6.6.3 返回值 219
6.7 可變數(shù)組 222
6.8 其他特性 224
6.8.1 浮點(diǎn)型運(yùn)算 224
6.8.2 聯(lián)合體和枚舉 225
6.8.3 標(biāo)準(zhǔn)庫 227
6.8.4 extern/volatile 227
6.8.5 內(nèi)聯(lián)匯編 228
6.9 C 語言的編譯 230
6.10 GAS 232
6.11 小結(jié) 234
第 7 章 ELF 與鏈接器 236
7.1 ELF 236
7.1.1 ELF 頭結(jié)構(gòu) 238
7.1.2 節(jié)的結(jié)構(gòu) 239
7.1.3 字符串表 240
7.1.4 符號(hào)表 241
7.1.5 重定位表 242
7.1.6 程序加載 245
7.1.7 程序頭結(jié)構(gòu) 246
7.1.8 程序解釋器 248
7.1.9 小結(jié) 257
7.2 動(dòng)態(tài)鏈接器 257
7.2.1 Bash 執(zhí)行流程 258
7.2.2 fork()原理 260
7.2.3 execve()原理 265
7.2.4 glibc 動(dòng)態(tài)鏈接原理 281
7.3 庫打樁 318
7.4 內(nèi)存分配 319
7.4.1 glibc 320
7.4.2 內(nèi)核 338
7.4.3 內(nèi)核信號(hào)機(jī)制 360
7.5 小結(jié) 368

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