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《计算机系统与网络基础》 内容简介 本书旨在为读者提供一个全面而深入的计算机系统与网络基础知识体系，特别关注现代计算环境下的核心概念、架构与运作机制。全书内容结构清晰，逻辑严谨，从底层硬件到上层应用，层层递进，确保读者能够建立起坚实的理论基础，并理解这些基础如何在实际的计算系统中发挥作用。 第一部分：计算机组成原理与底层架构 本部分着重介绍计算机硬件系统的核心组成，为理解软件如何在硬件上高效运行奠定基础。 第一章：信息表示与运算 详细阐述数据在计算机中的表示方式，包括二进制、八进制、十六进制的相互转换，定点数和浮点数的标准表示（IEEE 754规范），以及字符编码（如ASCII和Unicode）。深入探讨算术逻辑单元（ALU）的基本工作原理，介绍定点数的加减乘运算电路实现，并讨论溢出检测机制。 第二章：中央处理器（CPU）结构与指令系统 本章剖析CPU的内部结构，包括程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、通用寄存器组以及控制单元（CU）的设计。详述指令集的概念、格式（如定长与变长）和寻址方式（立即数、直接、间接、寄存器等）。重点分析经典的冯·诺依曼结构与现代流水线技术（如指令级并行、超标量、乱序执行）如何提升CPU性能，并介绍中断和异常处理机制，这是操作系统得以高效调度的关键。 第三章：存储系统层次结构 系统地介绍存储器的分类与特性，包括SRAM和DRAM的物理原理与区别。深入讲解存储器的层次结构：寄存器、高速缓存（Cache）、主存（RAM）和辅助存储器。详细阐述Cache的工作原理，包括映射方式（直接映射、全关联、组关联）、替换策略（LRU、FIFO）和写操作策略（写直通、写回）。此外，讨论虚拟存储器（Virtual Memory）的概念，包括地址翻译过程（页表、TLB）及其对程序内存隔离和资源管理的重要性。 第四章：输入/输出（I/O）系统 本章关注数据如何在CPU、内存与外部设备之间高效传输。介绍I/O控制器的作用，对比程序查询、中断驱动I/O和直接内存访问（DMA）三种主要的I/O方式的效率和适用场景。探讨总线技术（如PCIe）的结构与仲裁机制，确保设备间通信的正确性和有序性。 第二部分：操作系统核心概念 本部分是理解现代计算环境管理与资源分配机制的基石。 第五章：操作系统概述与内核结构 阐述操作系统的定义、功能及其在用户程序和硬件之间的桥梁作用。介绍操作系统的基本结构，如宏内核、微内核和混合内核的优缺点。重点分析系统调用（System Call）的工作流程，这是用户程序请求内核服务的唯一途径。 第六章：进程与线程管理 详细区分进程（Process）与线程（Thread）的概念、区别与联系。讲解进程的生命周期、状态转换模型（五态或七态模型）以及进程控制块（PCB）的内容。深入分析线程的优势，如并发性提升和上下文切换开销的降低。讨论多线程编程中的同步与互斥问题，介绍信号量（Semaphore）、互斥锁（Mutex）等同步原语的实现原理与使用规范。 第七章：CPU调度算法 本章聚焦于操作系统如何公平且高效地分配CPU时间片。系统性介绍各种CPU调度算法，包括先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）、优先级调度、轮转法（Round Robin）以及多级反馈队列（MLFQ）。通过分析响应时间、周转时间和等待时间等评价指标，帮助读者理解不同算法的适用场景。 第八章：内存管理 深入探讨内存分配与回收的策略。介绍连续内存分配（固定分区、可变分区）的局限性，并详述非连续内存分配技术——分页（Paging）和分段（Segmentation）。重点分析请求调页（Demand Paging）机制，包括页面置换算法（如OPT、FIFO、LRU）的实现与性能影响。此外，讨论内存保护和内存共享的实现方式。 第九章：文件系统与存储管理 介绍文件系统的抽象概念，包括文件、目录结构（树形结构）、文件访问方法（顺序、直接、索引）。探讨文件存储的物理组织，如连续分配、链式分配和索引分配（i-node）。分析磁盘的结构、I/O调度算法（如SSTF、SCAN）对磁盘性能的影响，并简要介绍日志式文件系统的恢复机制。 第三部分：计算机网络原理与协议 本部分系统梳理计算机网络的基础理论、体系结构和关键通信协议。 第十章：网络体系结构与物理层 介绍网络的基本概念、拓扑结构（总线、星型、环型等）以及网络分类（LAN, MAN, WAN）。重点讲解OSI七层参考模型和TCP/IP协议簇的层次划分，明确每一层的功能与服务。物理层部分介绍传输介质（双绞线、光纤）的特性和信号的调制解调原理。 第十一章：数据链路层与局域网技术 深入数据链路层，分析差错控制（检错与纠错编码，如奇偶校验、CRC）和流量控制机制。详细介绍介质访问控制（MAC）协议，特别是CSMA/CD（以太网）和CSMA/CA（Wi-Fi）的工作机制。阐述交换机（Switch）的原理，如何通过MAC地址表实现高效的帧转发。 第十二章：网络层：IP协议与路由选择 网络层核心是IP协议（IPv4和IPv6）。本章详细讲解IP数据报的结构、分片与重组过程。深入探讨路由选择的概念，分析静态路由与动态路由的区别。详细介绍核心的路由协议，如距离矢量路由协议（RIP）和链路状态路由协议（OSPF）的基本工作原理和度量标准。 第十三章：传输层：TCP与UDP 传输层提供端到端的通信服务。对比TCP（面向连接）和UDP（无连接）的特性与适用性。深入剖析TCP的可靠性保证机制，包括三次握手与四次挥手过程、滑动窗口协议、确认应答（ACK）机制、超时重传与拥塞控制算法（如慢启动、拥塞避免）。 第十四章：应用层协议 本章介绍支撑现代互联网服务的关键应用层协议。详细介绍域名系统（DNS）的解析过程和区域传输机制。讲解超文本传输协议（HTTP/1.1与HTTP/2）的请求/响应模型、状态码、Cookie和会话管理。同时介绍文件传输协议（FTP）、简单邮件传输协议（SMTP）和网络时间协议（NTP）的基本工作流程。 总结 本书不仅为计算机科学与技术专业的学生提供了严谨的课程学习材料，也为希望深入了解IT系统工作原理的工程师和技术爱好者提供了宝贵的参考资源。通过对硬件、操作系统和网络的全面覆盖，读者将能够形成一个贯穿底层实现到上层通信的完整技术视野。
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