本书是依据教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会2006年编制的《高等学校计算机科学与技术专业规范（信息技术方向）》，为计算机系统平台课程编写的。力图帮助学生建立系统平台的理念，形成总体认识，从底层到顶层了解和掌握计算机系统的层次结构及软硬件系统的工作原理。全书共分为12章，包括计算机系统概述、指令系统与汇编程序设计、计算机信息表示、计算机组成原理、计算机操作系统、Shell编程、应用开发平台等内容。本教材可作为计算机科学与技术专业教材，也可作为其他相关专业的学生学习计算机系统基础知识的教材。
介绍计算机组成原理和计算机操作系统，包括计算机系统硬件与操作系统平台，内容涉及计算机性能分析、系统体系结构、CPU、高速缓存、存储器、外部设备，以及汇编语言程序设计、BIOS和操作系统等。
随着信息技术的飞速发展，计算机应用技术已经向各行各业渗透，并衍生了不少与信息技术相关的交叉学科，计算机知识与技能已经成为当代具有创新能力的复合型人才必须具备的基本素质之一。如何做好计算机专业的基础教学工作和计算机专业人才培养工作等，已经成为教育部门关注的热点问题之一。
针对近年来社会对信息化技术应用型人才需求的不断提高，结合西部经济建设发展的需求与特点，以及国家西部大开发战略，青海大学在教育部对口支援政策的指导下，在教育部、青海省人民政府的支持和清华大学的帮助下，于2007年5月正式成立了计算机技术与应用系，并率先在青海省实现本科第一批次录取零的突破，成为省内高校第一个一本招生的专业。青海大学计算机系培养计划中的课程体系由清华大学专家精心设计，课程内容紧扣教育部最新制订的信息技术与应用培养方向，满足应用型人才的培养需求。
青海大学计算机技术与应用系（以下简称本系）根据青海大学的实际情况，将专业方向设定成2006年计算机专业教指委提出的信息技术方向，目标是培养应用型计算机人才。这一方向是计算机科学与技术教学指导委员会积极倡导和推动的新专业方向，教育部也拟就这一方向展开专业试点工作。针对此现状，本系希望能够开办一系列面向培养应用性人才的特色课程，开辟一条具有挑战性的课程探索与建设之路。
为了深入对计算机科学与技术专业信息技术方向的教学研究，促进这个新的专业方向的教学实践，需要开设一系列崭新的课程，以适应社会对人才知识结构的需求。计算机系统平台课程就是该方向建设规范中所提出的一门全新课程，目标是将汇编语言程序设计、计算机组成原理、体系结构、操作系统等传统课程中的内容进行有机整合，将计算机系统作为一个整体进行分析和学习并讲授给学生，同时注重学生动手实践的环节，通过理论结合实际来巩固对计算机系统平台的认识。这样的一门介绍计算机原理的综合性课程无论从教材方面还是课堂教学与实验环节都缺乏先例。本系开设这门课程，希望能够不断的探索和实践将此课程建设成特色课程，对教学内容和教学方法进行深入研究，最终目标是能把该特色课程建设成为西部地区乃至全国的示范性精品课程。
以计算机系统平台命名的专业课程，目前在国内高校中少有先例，也可以说这正是信息技术方向所追求教学内容的一个特色。根据该方向的定位，本课程不讨论平台构建本身，而是从不同角度或层面看计算机系统平台的含义，了解并掌握它们所提供的支撑功能，扼要的介绍一些典型功能实现的基本原理。本课程的主要目的是使学生掌握计算机系统结构的基本原理，理解计算机操作系统的结构和工作原理，使学生熟悉计算机的硬件系统和软件系统，建立完整的计算机系统的概念，为学生应用计算机系统解决实际问题奠定良好的基础。
课程的主要任务是介绍计算机组成原理和计算机操作系统，包括计算机系统硬件与操作系统平台，内容涉及计算机性能分析、系统体系结构、CPU、高速缓存、存储器、外部设备，以及汇编语言程序设计、BIOS和操作系统等。在课程的教学过程中，逐步培养学生独立进行实验和应用的能力。
2011年，本课程获批青海大学三类课程建设项目，并于2013年11月完成结题工作，课程建设已有初步成效。2013年底申报青海大学一类课程建设项目并再次获批，使得本门课程的建设得到了有力的后续支持。为形成一本更加适合于本课程的教材，课程组成员先从讲义撰写做起，力图梳理计算机组成原理、软硬件架构、操作系统、开发平台等多方面的知识，形成完整的文稿。
本书共12章。第1章对计算机系统进行了概述，旨在介绍计算机的发展历史和未来趋势，并对计算机组成结构及性能指标进行大致了解，形成基本概念。第2章介绍指令系统和汇编语言，从二进制转换和运算基础开始，对指令系统和指令格式进行介绍和举例，并给出一些汇编程序设计的示例。第3章介绍计算机中信息表示的方法，包括常见的数字、字符如何进行编码。第4章详细讲解了计算机五大功能部件的基本工作原理，包括总线、存储器、CPU、输入/输出系统等，并进一步通过延伸展望计算机系统结构的发展。第5章从操作平台的角度介绍计算机操作系统的目标、作用、功能和发展历程，探讨操作系统的基本特性，并介绍一些常见的操作系统及其特点。第6章对进程的管理机制进行阐述，包括进程的基本定义、状态及转换、进程控制块以及常见的进程调度算法等。第7章进一步对进程同步的经典问题展开讨论，介绍了进程和线程的联系与区别，并对死锁问题的产生和对策进行了讲解。第8章从存储管理的角度入手对内存管理的几种方法由浅入深地进行了介绍。第9章继续讲述了磁盘层面上的信息存储管理，解析文件的构成和文件系统的层次，并介绍了一些基本的磁盘调度算法。第10章对操作系统的外设管理功能进行了介绍，从I/O控制方式入手，重点讨论中断技术的原理，并讲解了设备分配的特点和驱动程序的处理过程。第11章进入上层应用的平台部分，介绍了系统初始化的过程以及Shell编程的基本语法结构，使读者接触到与底层系统和上层开发衔接较为紧密的一种的特殊脚本语言。第12章介绍了几种主流的程序设计语言和开发工具，从平台的角度完成最上层应用的阐述，旨在使读者了解完整平台架构中的各个环节。本书每章后都配有相应习题，供读者对本章内容进行回顾。
本书出版受青海大学2015年度教材建设基金项目资助，由王晓英、曹腾飞、孟永伟、黄建强任主编，多名教师参与编写。其中，第1章和第四章内容主要由曹腾飞编写，第2章和第3章主要由韩亮编写，第5章和第8章主要由张玉安编写，第6章和第7章主要由刘晓静编写，第9章和第12章主要由黄建强编写，第10章和第11章主要由孟永伟编写。此外，王璐、贾金芳、易争鸣、吴利等人均参与了本书相关内容的设计、实验的实施以及通读审核等工作。本书的编写也得到了学校和各级部门的支持，在此一并表示感谢。
由于作者水平有限，时间仓促，书稿中难免有不妥和纰漏之处，恳请读者批评指正。
编 者
2016年3月
第1章 计算机系统概述 1
1.1 计算机的发展史及未来展望
1
1.1.1
计算机的基本概念及分类 1
1.1.2
计算机的发展简史 1
1.1.3
微型计算机的诞生与发展 2
1.1.4
计算机未来展望 3
1.2 计算机组成结构 4
1.2.1
冯·诺依曼思想 4
1.2.2
计算机硬件组成 5
1.2.3
计算机软件系统 7
1.2.4
计算机系统的层次结构 7
1.2.5
计算机软件与硬件的逻辑等价性 8
1.2.6
计算机的性能指标 8
本章小结 9
习题1 9
第2章 指令系统与汇编程序设计
11
2.1 进位制及其转换 11
2.1.1
进位制 11
2.1.2
进制转换 12
2.1.3
二进制数的运算 15
2.2 指令系统和指令格式概述
17
2.2.1
指令的一般格式 19
2.2.2
操作数与操作类型 20
2.2.3
CPU的寄存器 21
2.2.4
寻址方式 23
2.3 指令系统举例 25
2.3.1
Intel 8086/8088指令系统 25
2.3.2
TEC-2008指令系统 36
2.4 汇编程序设计举例 40
本章小结 42
习题2 42
第3章 计算机信息表示 46
3.1 数字的编码 46
3.1.1
无符号数 46
3.1.2
有符号数 46
3.1.3
定点数与浮点数 49
3.2 字符编码 51
3.2.1
ASCII字符集及其编码 51
3.2.2
汉字字符集及其编码 51
3.2.3
Unicode字符集及其编码 53
3.3 机器指令 55
本章小结 56
习题3 56
第4章 计算机组成原理 58
4.1 总线 58
4.1.1
总线的基本概念 59
4.1.2
总线的类型与结构 59
4.1.3
总线的连接方式 61
4.1.4
总线仲裁 62
4.1.5
总线标准 63
4.2 存储器 64
4.2.1
存储器相关概念 64
4.2.2
存储器分类 65
4.2.3
存储系统层次结构 66
4.3 中央处理器（CPU） 72
4.3.1
CPU的功能和组成 72
4.3.2
指令周期 75
4.3.3
时序控制信号 75
4.3.4
指令流水 76
4.4 输入/输出系统 78
4.4.1
输入/输出系统概述 78
4.4.2
I/O设备 84
4.4.3
I/O接口 85
4.4.4
程序中断方式 87
4.5 计算机系统结构 90
4.5.1
计算机系统的结构类型 91
4.5.2
计算机系统的性能提高 94
4.5.3
计算机系统的发展 94
本章小结 100
习题4 100
第5章 计算机操作系统概述 104
5.1 操作系统的目标和作用
104
5.1.1
作为用户/计算机接口的操作系统 105
5.1.2
作为资源管理器的操作系统 106
5.2 操作系统的发展过程 107
5.2.1
手工操作（无操作系统） 107
5.2.2
简单批处理系统 108
5.2.3
多道批处理系统 108
5.2.4
分时系统 110
5.3 操作系统的基本特性 111
5.3.1
并行与并发（Concurrence） 111
5.3.2
共享（Sharing） 111
5.3.3
虚拟技术 111
5.3.4
异步性 112
5.4 操作系统的主要功能 112
5.5 常见操作系统及分类 113
5.5.1
Windows操作系统 113
5.5.2
Linux操作系统 114
本章小结 115
习题5 115
第6章 进程的管理 117
6.1 进程的概念 117
6.1.1
进程的定义 117
6.1.2
进程的特征 118
6.1.3
程序的并发执行 118
6.2 进程的状态及其转换 119
6.3 进程控制 120
6.3.1
进程控制块 120
6.3.2
进程控制块的原语 121
6.4 进程调度 122
6.4.1
调度的基本概念 122
6.4.2
调度的基本模型 123
6.4.3
进程调度算法 124
本章小结 127
习题6 127
第7章 进程的同步与通信 129
7.1 进程同步 129
7.1.1
同步的概念 129
7.1.2
信号量机制 129
7.1.3
经典进程同步问题 131
7.2 线程 134
7.2.1
线程的概念 134
7.2.3
线程的特点 135
7.2.3
线程与进程的区别 135
7.3 进程通信 136
7.3.1
进程通信的概念 136
7.3.2
进程通信的类型 136
7.3.3
共享存储区系统 137
7.3.4
消息传递系统 139
7.3.5
管道通信系统 143
7.4 死锁 145
7.4.1
死锁的概念 145
7.4.2
产生死锁的条件 145
7.4.3
死锁的对策 146
7.4.4
死锁问题的经典示例：哲学家就餐问题 146
本章小结 148
习题7 148
第8章 内存的管理 151
8.1 存储管理概述 151
8.1.1
地址空间 151
8.1.2
程序的装入与重定位 152
8.1.3
程序的链接 155
8.2 内存管理的方法 156
8.2.1
固定分区存储管理 157
8.2.2
动态分区存储管理 158
8.2.3
覆盖和交换技术 159
8.2.4
分页存储管理 160
8.2.5
分段存储管理 162
8.2.6
段页式存储管理 164
8.2.7
虚拟存储器管理 165
本章小结 172
习题8 172
第9章 信息存储的管理 176
9.1 文件管理概述 176
9.1.1
文件与文件系统 176
9.1.2
文件的属性及分类 177
9.1.3
文件系统的功能 178
9.1.4
文件系统的层次结构 178
9.2 文件的结构和存储方式
179
9.2.1
文件的逻辑结构 179
9.2.2
文件的物理结构 181
9.3 文件目录 183
9.3.1
文件目录的概念 183
9.3.2
文件目录结构 184
9.4 文件系统的实现 185
9.4.1
主流文件系统及其特点
185
9.4.2
网络文件系统及其特点 186
9.4.3
外存空间管理 187
9.5 文件的使用 190
9.5.1
文件主要操作 190
9.5.2
文件的使用 192
9.5.3
文件共享 193
9.6 磁盘调度 195
本章小结 197
习题9 198
第10章 外设的管理 199
10.1
设备的分类 199
10.2
I/O控制方式 200
10.2.1
程序直接控制方式 200
10.2.2
程序中断方式 201
10.2.3
DMA方式 202
10.2.4
通道方式 203
10.3
缓冲技术 205
10.3.1
单缓冲和双缓冲 206
10.3.2
循环缓冲 206
10.3.3
缓冲池 207
10.4
设备分配 208
10.4.1
数据结构 208
10.4.2
设备分配策略 209
10.4.3
设备独立性 210
10.4.4
SPOOLing技术 210
10.5
设备驱动程序 212
本章小结 213
习题10 213
第11章 系统初始化及Shell编程 215
11.1
系统初始化 215
11.1.1
计算机系统初始化过程 215
11.1.2
操作系统初始化过程 216
11.2
Shell编程 218
11.2.1
Shell命令的使用 219
11.2.2
Shell编程语法结构 224
本章小结 228
习题11 228
第12章 应用软件开发平台 230
12.1
高级程序设计语言 230
12.2
软件开发模型 231
12.3
开发工具和开发环境 235
12.2.1
集成开发环境IDE 236
12.3.2
关系型数据库 237
12.3.3
移动终端应用软件开发平台 238
12.4
开发平台中的可重用代码 239
12.4.1 软件重用的基本概念 239
12.4.2 可重用代码的抽象层次
239
12.4.3 可重用代码的方法和技术
240
本章小结 241
习题12 242
参考文献 243
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