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867 计算机系统 【考查目标】 1. 从程序员的视角全面了解计算机系统的基本概念，包括汇编语言，底层的内存中的数 据表示及常用运算方法、虚拟存储器、编译系统、动态加载库等。了解如何将高级语言 程序翻译成机器语言。 2. 理解单处理器计算机系统中各组成部件的基本概念、基本结构、工作原理以及相互连 接方式，理解计算机系统层次化结构概念，建立计算机系统的整机概念。了解计算机系 统的内存管理，缓存管理，性能测量及编译优化。 【考查内容】 一、计算机系统概述 （一）计算机发展历程 （二）计算机系统层次结构 1. 计算机硬件的基本组成 2. 计算机软件的基本组成 3. 程序在机器中的存储及编译、运行过程。 二、数据及程序的机器级表示 （一）信息的表示及处理 1. 进位计数制及其相互转换；字符与字符串；布尔运算；数据大小、寻址和字节 顺序。 2. C 语言中的位级运算、逻辑运算及移位运算。 3．整数的表示和运算 （1）无符号数的表示；有符号数的表示；C 语言中的有符号数和无符号数。 （2）无符号加法和补码加法运算；无符号乘法及补码乘除法运算；溢出概念和判 别方法；截断及误差的概念。 4. 浮点数的表示和运算 （1）浮点数的表示范围；IEEE754 标准 （2）浮点数的加/减运算 （3）C 语言中的浮点数 （二）汇编语言程序 1. 掌握 AT&T 及 Intel 汇编语言， 能阅读这两种格式的汇编语言程序；了解基于 Intel 处理器的寄存器结构及内存中数据的操作过程。 2. 掌握汇编语言控制执行流程，汇编语言函数和系统调用，内联汇编。 3. 了解 IA32 及 x86-64 两种机器的指令集结构。 （三）程序的机器级表示 1. 能基于汇编语言对程序的表示进行剖析，在内存与寄存器这一级别研究程序的 执行过程，熟练掌握及深刻理解 C 语言中的经典语句：赋值、数组、if、switch、while、 for 等对应的汇编机器级表示及程序执行过程。 2. 数组、结构及联合的分配及访问；数据对齐原则；理解指针；存储器的越界引 用及缓冲区溢出。 三、处理器体系结构及优化程序性能 （一）处理器体系结构 （1）了解 CPU 的功能和基本结构，指令的执行过程。 （2）理解计算机系统中的数据通路概念，数据通路的功能，掌握数据通路的基本 结构。 （二）指令流水线 1. 指令流水线的基本概念 2. 流水线的性能及流水线冒险(竞争)处理技术 四、存储器层次结构 （一）存储器的分类、存储器的层次化结构、存储技术趋势 （二）高速缓冲存储器（Cache） 1. Cache 基本工作原理 映射方式；查找算法；替换算法；写策略。 2. Cache 性能分析 3.了解程序如何和 cache 打交道，不同的循环嵌套顺序、遍历方向等对 cache 命中 的影响，以及如何修改循环嵌套顺序以提高 cache 命中率。 （三）虚拟存储器 1. 虚拟存储器的基本概念 2. 页式虚拟存储器、段式虚拟存储器、段页式虚拟存储器 3. TLB（快表） 4. 虚拟地址和物理地址的相关概念，弄得虚拟地址如何转换为物理地址；通过 Intel Pentium 和 Linux 的实例了解整个存储管理机制 5．理解存储映射、动态内存分配和垃圾回收机制。 五、在系统上运行程序 （一）链接 1. 掌握程序的链接过程，理解静态链接和动态链接，了解链接过程中使用到的技 术如符号解析、重定位等。 2. 了解所写的程序是怎么成为一个可执行文件的，需要了解这中间涉及到的每一 个细节，能够排查因为链接问题而产生的程序执行错误。 （二）异常控制流 1. 掌握异常控制的相关概念，包括中断、陷阱、错误、中止等。 2. 了解进程的概念，掌握进程级别的 Exception：信号（signal）以及操作系统处 理异常的手段（上下文切换）技术，理解用户程序和系统交互（如系统调用）的原理和 方式。 六、 输入输出（I/O）系统 （一） I/O 系统基本概念 （二） 外部设备 1. 输入设备：键盘、鼠标 2. 输出设备：显示器、打印机 3. 外存储器：硬盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器 （三） I/O 方式 1. 程序查询方式 2. 程序中断方式 中断的基本概念；中断响应过程；中断处理过程；多重中断和中断屏蔽的概念。 3. DMA 方式 DMA 控制器的组成；DMA 传送过程。 4. 通道方式 【参考教材】 [1] Randal E. Bryant David R. O’Hallaron 著. 龚奕利等译. 深入理解计算机系统(原书第 2 版). 北京：机械工业出版社, 2011.1 [2] William Stallings 著. 彭蔓蔓, 吴强, 任小西等译. 计算机组成与体系结构：性能设计. 北京: 机械工业出版社, 2011.5