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《普通高等教育"十一五"国家级规划教材•计算机组成原理及汇编语言学习指导》依照《计算机组成原理及汇编语言》(第二版)的顺序，给出各章的学习要点和习题，同时列举一些有代表性的例题，并给出解题思路。
计算机系统结构与底层编程实践 本书旨在深入剖析现代计算机系统的核心原理，并提供一套详尽的、面向实践的底层编程指导。它将引导读者从硬件的视角理解软件的运行机制，构建起坚实的计算机科学基础。 --- 第一部分：计算机系统基础架构解析 第一章：数字逻辑与信息表示 本章从信息的最基本载体——二进制开始，系统地阐述了数字逻辑门电路的原理及其在组合逻辑和时序逻辑电路中的应用。我们将详细介绍布尔代数、卡诺图化简方法，以及常用集成电路芯片（如译码器、多路复用器、触发器）的工作方式。随后，本书将深入探讨计算机如何表示各种类型的数据，包括定点数和浮点数的IEEE 754标准表示法，溢出检测机制，以及字符编码（如ASCII和Unicode）的演变与现状。重点在于理解这些底层表示如何直接影响程序的精度和性能。 第二章：CPU核心部件与工作流程 本章聚焦于中央处理器（CPU）的内部结构与核心操作。我们将详细解析算术逻辑单元（ALU）的结构、加法器和乘法器的工作原理，并探讨流水线技术（Pipeline）如何通过指令级并行提高吞吐量。关键部分将放在程序控制单元（CU）对指令的取指、译码、执行和写回过程（Fetch-Decode-Execute Cycle）的剖析上。我们还会介绍分支预测、超标量架构等现代处理器设计中的关键概念，使读者明白指令是如何被高效处理的。 第三章：存储系统层次结构与内存管理 计算机的性能瓶颈往往出现在数据存取上。本章系统梳理了计算机的存储体系，从速度最快、容量最小的寄存器到速度最慢、容量最大的海量存储设备。重点分析了高速缓存（Cache）的工作机制，包括映射方式（直接映射、全相联、组相联）、替换策略（LRU、FIFO）以及写操作策略（直写、回写）。此外，本章还将深入探讨虚拟存储器（Virtual Memory）的概念，介绍地址转换过程、页表结构、TLB（Translation Lookaside Buffer）的作用，以及操作系统的内存保护和内存共享是如何基于这些硬件机制实现的。 第四章：指令集架构（ISA）概览与设计哲学 理解底层编程的前提是掌握CPU与软件之间的接口——指令集。本章对比分析了主流的指令集架构（ISA），如CISC（复杂指令集计算）和RISC（精简指令集计算）的设计哲学及其优劣。我们将以一个简化RISC模型（如MIPS或RISC-V的子集）为例，详细讲解指令的格式（R、I、S型）、寻址模式（立即数、寄存器、直接、间接寻址）以及各种数据操作、控制流指令的汇编级语义。这部分内容为后续的底层代码编写打下坚实的理论基础。 --- 第二部分：底层编程实践与系统交互 第五章：汇编语言编程基础与寄存器操作 本章是实践的起点。我们将引入特定的汇编语言（如x86或特定RISC汇编）的语法和约定，详细介绍如何声明和使用数据段、代码段。重点讲解程序中通用寄存器、专用寄存器（如程序计数器PC、堆栈指针SP、基址指针BP）的功能和使用规范。读者将学习如何使用汇编指令进行基本算术运算、逻辑运算以及数据传输。通过大量小型练习，掌握将高级语言结构（如变量、循环、条件判断）映射到汇编指令的过程。 第六章：程序控制流与函数调用机制 程序流程控制是汇编语言的核心挑战之一。本章将深入讲解条件跳转（JMP, Jcc）和无条件跳转指令的实现方式。重中之重在于函数（或子程序）的调用约定（Calling Convention）。我们将详细剖析栈帧（Stack Frame）的建立与销毁过程，包括参数传递、局部变量的存储、返回地址的保存与恢复。理解调用约定是阅读和调试机器代码、实现系统级编程的关键技能。 第七章：数据结构在内存中的布局与优化 高级语言中的复杂数据结构在机器级别是如何存在的？本章将探讨数组、结构体（Struct）、联合体（Union）在内存中的对齐（Alignment）和填充（Padding）规则。分析结构体成员的访问效率与内存布局之间的关系，并介绍如何通过改变成员顺序来优化缓存命中率。此外，本章还会涉及堆（Heap）内存的分配与回收原理，尽管这些操作通常通过库函数完成，但理解其底层通过堆管理器（如`malloc`/`free`）实现的方式至关重要。 第八章：系统调用与外部设备交互 应用程序与操作系统内核之间的桥梁是系统调用（System Call）。本章将介绍如何通过特定的汇编指令（如`INT`或特定平台的系统调用指令）向操作系统请求服务，例如文件的打开、读写和关闭、进程的创建与终止等。读者将学习如何解析系统调用号和参数传递规范，并尝试编写可以直接与操作系统内核交互的简单程序，从而理解用户态程序如何安全地访问受保护的硬件资源。 --- 第三部分：高级主题与性能调优 第九章：异常、中断与处理器模式切换 本章探讨系统稳定性与安全性保障机制。我们将区分硬件中断（Interrupt）与软件异常（Exception），并详述它们如何打断正常程序执行流程，触发中断向量表查找，并最终由中断服务程序（ISR）处理。重点分析了特权级别（如Ring 0/Ring 3）的概念，理解操作系统内核如何在更高权限下运行，以及用户程序如何通过受控的方式进入内核态。 第十章：链接、加载与可执行文件格式 一个源代码文件如何变成能在CPU上执行的程序？本章将追溯从编译、汇编到链接的全过程。详细解析目标文件（Object File）的结构（如ELF或PE格式），包括代码段、数据段、符号表和重定位表的内容。深入讲解链接器（Linker）如何解决跨文件引用，以及加载器（Loader）如何在程序运行时将可执行文件映射到虚拟地址空间中，并设置初始执行环境。 第十一章：编译器优化对汇编代码的影响 为了提升效率，现代编译器会对源代码进行大量的优化。本章将以实例展示不同优化级别（如`-O1`, `-O2`, `-O3`）对生成的汇编代码结构带来的变化。内容将涵盖死代码消除、常量折叠、循环展开、寄存器分配优化等技术。通过对比优化前后的汇编输出，读者将建立起对“好代码”的量化理解，并学会如何根据编译器输出反向指导高级语言的编程风格，以更好地配合优化器工作。 第十二章：并行计算基础与SIMD指令 随着多核时代的到来，并行性成为性能提升的关键。本章将介绍现代CPU中单指令多数据流（SIMD）扩展指令集（如SSE, AVX）的基本概念。我们将学习如何使用这些向量化指令集，一次性对多个数据元素执行相同操作，从而在数值计算和多媒体处理中获得显著加速。本章将提供实际的汇编代码示例，展示如何高效地利用寄存器宽度进行向量操作，为高性能计算打下基础。
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