具体描述
本教程是针对目前操作系统及其实验教学的教改需要编写，强调理论与实验应用的结构合，强调学生动手能力的培养与考察。在内容安排上化繁为简，全书共分8个章节。前两章介绍了操作系统的概念与发展历程，从第3章开始系统介绍了操作系统用户力量面、体系结构、进程与线程处理；针对存储管理、文件系统和设备管理特别予以以理论详述和应用实例分析。全书每章均有习题，并将提供详尽的教学辅助资料可直接从我社网站上下载。
本书特别适于作为高等学校计算机及相关专业的专业课或专业基础课程教材，也适于软件开发技术人员参考学习。
计算机科学核心原理与实践：系统级编程与底层机制深度解析 图书简介 本书旨在为有志于深入理解现代计算机系统底层运作原理和掌握系统级编程技能的读者提供一套全面且深入的教程。它并非一本侧重于特定操作系统（如Linux或Windows）具体命令和接口的“操作手册”，而是一部构建在计算机科学基础理论之上的、侧重于概念构建、机制剖析与实践验证的经典著作。全书结构严谨，逻辑清晰，旨在将复杂的系统概念转化为清晰、可操作的知识体系。 第一部分：计算基础与硬件抽象层 本部分首先奠定坚实的理论基础，从最底层的硬件架构出发，逐步向上构建起软件运行的环境。 第一章：数字逻辑与处理器架构基础 本章深入探讨了二进制表示、布尔代数在数字电路中的应用，以及组合逻辑与时序逻辑电路的基本构建单元（如加法器、触发器）。重点分析了指令集架构（ISA）的设计哲学，例如精简指令集（RISC）与复杂指令集（CISC）的权衡。通过对数据通路和控制单元的剖析，读者将清晰理解程序指令如何被CPU Fetch、Decode、Execute并Write Back，为后续理解操作系统如何管理CPU资源打下基础。我们不拘泥于某一款特定处理器的细节，而是着重于通用原理，例如流水线、分支预测和超标量执行等提高性能的关键技术。 第二章：存储系统层次结构与内存管理初探 本章细致描绘了从寄存器到主存再到辅助存储的整个存储层次结构。重点解析了缓存（Cache）的工作原理，包括映射策略（直接映射、全相联、组相联）、替换策略（LRU、FIFO）以及写回/直写策略的性能影响。在此基础上，本章引入了虚拟内存的基本概念，探讨了地址转换的硬件支持——页表的结构及其多级实现，为后续操作系统如何实现隔离和抽象做铺垫。通过分析局部性原理（时间局部性和空间局部性），读者将理解为什么现代系统设计倾向于这种分层结构。 第二部分：程序执行与低级软件视角 本部分将视角从硬件提升到程序运行的视角，探究编译器、链接器如何将源代码转化为可执行的机器码，并分析程序在内存中的布局。 第三章：编译器、汇编与链接过程 本章详细介绍了源代码到可执行文件的转换流程。首先，简要回顾编译器的词法分析、语法分析和语义分析。随后，重点放在汇编语言的结构和与机器码的对应关系上，强调理解汇编是理解系统调用的基础。最核心的部分在于链接过程：静态链接与动态链接的异同、符号解析、重定位的工作机制。我们将分析ELF或PE等常见可执行文件格式的头部结构，使读者能够“看懂”一个二进制文件内部的组织。 第四章：函数调用、栈帧与过程抽象 本章聚焦于程序执行的最小单元——函数调用。深入剖析了栈帧的结构：参数传递、局部变量的分配、返回地址的保存与恢复，以及如何通过栈帧指针进行上下文管理。本章将通过在汇编级别跟踪函数调用过程（例如`call`和`ret`指令），清晰展示调用者保存（Caller-save）与被调用者保存（Callee-save）寄存器的规则，从而揭示C语言中过程抽象背后的精确机制。 第三部分：并发、同步与进程的抽象 本部分是系统编程的核心领域，关注程序如何被多任务环境支持以及如何协同工作。 第五章：并发模型与线程的实现机制 本章区分了进程与线程的概念，阐述了并发的必要性。重点解析了线程的实现方式：用户级线程与内核级线程的优缺点。深入探讨了线程控制块（TCB）的结构、上下文切换的精确步骤（保存/恢复寄存器状态、切换栈指针），以及TLB（Translation Lookaside Buffer）在地址空间切换中的作用。本章强调并发带来的挑战，而非仅仅是如何创建线程。 第六章：同步原语与互斥机制的底层构建 在并发环境下，共享数据访问的安全性是首要问题。本章系统地介绍了互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）以及条件变量的原理。我们不满足于直接使用库函数，而是深入探究如何利用硬件提供的原子操作（如Test-and-Set或Compare-and-Swap, CAS）来无锁地构建高效且无死锁的同步机制。本章会通过实例展示如何使用这些低级原语来解决经典的生产者-消费者、读者-写者等并发问题，分析忙等待（Spin Lock）与阻塞等待（Blocking Lock）的选择依据。 第七章：系统调用接口与用户态/内核态转换 本章作为用户程序与底层系统交互的桥梁，详细阐述了系统调用（Syscall）的机制。分析了用户程序如何通过特定的中断或陷阱指令触发模式切换（从用户态到内核态），参数如何传递，以及内核如何验证请求并执行相应的服务例程。本章还将通过剖析特定功能的系统调用（如I/O请求的初步概念），引导读者理解用户程序在请求服务时所经历的权限和环境的转变过程。 第四部分：I/O系统与文件系统结构 本部分关注数据如何在计算机和外部设备之间流动，以及持久化存储的管理。 第八章：I/O操作模型与设备驱动交互 本章概述了输入/输出（I/O）的常见工作模式：程序控制I/O、中断驱动I/O和直接内存访问（DMA）。重点分析了DMA如何允许设备在不占用CPU资源的情况下直接读写内存，显著提升系统吞吐量。对于设备驱动的通用结构，我们将讨论I/O请求如何被抽象化，以及端口映射I/O与内存映射I/O的硬件区别。 第九章：文件系统的逻辑组织与物理布局 本章从系统级的视角审视文件。首先，探讨文件系统（如日志式文件系统或块存储系统）的逻辑结构，包括目录的组织方式（如Inodes的结构）。随后，深入研究数据块的分配策略（连续分配、链式分配、i-node分配）及其对性能的影响。本章还将讨论文件系统的完整性和恢复机制，强调数据持久性保障的底层技术。 总结 本书的编写风格注重概念的严谨性和实践的指导性。它要求读者具备一定的C语言基础和对汇编语言的基本了解，并通过大量的图表、机制流程图和伪代码示例，帮助读者跨越理论与工程之间的鸿沟。完成本书的学习后，读者将能够不仅“使用”操作系统提供的工具，更能够“理解”这些工具背后的工作原理，为深入研究分布式系统、嵌入式系统或高性能计算打下坚不可摧的系统级知识基础。本书是面向系统程序员、底层软件工程师和计算机科学专业高年级学生的理想参考书。
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