第1章 概述

1.1盒子里有什么

1.2计算机系统中的抽象层次

1.3操作系统的作用

1.4盒子里正在发生什么事

1.4.1在计算机上启动应用程序

1.5计算机硬件的演化

1.6操作系统的演化

1.7本书导读

练习题

参考文献注释和扩展阅读

第2章 处理器体系结构

2.1处理器设计涉及什么

2.2如何设计指令集

2.3常见的高级语言功能集

2.4表达式和赋值语句

2.4.1操作数放在哪里

2.4.2在指令中如何指定内存地址

2.4.3每个操作数应该有多宽

2.4.4字节序

2.4.5操作数打包以及字操作数的对齐

2.5高级数据抽象

2.5.1结构

2.5.2数组

2.6条件语句和循环

2.6.1 if-then-else语句

2.6.2 switch语句

2.6.3循环语句

2.7检查点

2.8编译函数调用

2.8.1调用者的状态

2.8.2过程调用剩余的工作

2.8.3软件惯例

2.8.4活动记录

2.8.5递归

2.8.6帧指针

2.9指令集体系结构选择

2.9.1额外的指令

2.9.2额外的寻址模式

2.9.3体系结构类型

2.9.4指令格式

2.10 LC-2200指令集

2.10.1指令格式

2.10.2 LC-2200寄存器组

2.11影响处理器设计的问题

2.11.1指令集

2.11.2应用程序对指令集设计的影响

2.11.3其他驱动处理器设计的问题

小结

练习题

参考文献注释和扩展阅读

第3章 处理器实现

3.1体系结构与实现

3.2处理器实现涉及什么

3.3重要的硬件概念

3.3.1电路

3.3.2数据通路的硬件资源

3.3.3边沿沿触发逻辑

3.3.4连接数据通路元件

3.3.5基于总线的设计

3.3.6有限状态机

3.4数据通路设计

3.4.1 ISA与数据通路宽度

3.4.2时钟脉冲宽度

3.4.3检查点

3.5控制单元设计

3.5.1 ROM加状态寄存器

3.5.2 FETCH宏状态

3.5.3 DECODE宏状态

3.5.4 EXECUTE宏状态：ADD指令（R型指令部分）

3.5.5 EXECUTE宏状态：NAND指令（R型指令部分）

3.5.6 EXECUTE宏状态：JALR指令（J型指令部分）

3.5.7 EXECUTE宏状态：LW指令（I型指令部分）

3.5.8 EXECUTE宏状态：SW和ADDI指令（I型指令部分）

3.5.9 EXECUTE宏状态：BEQ指令（I型指令部分）

3.5.10设计微程序中的条件分支

3.5.11再谈DECODE宏状态

3.6控制单元设计的另一种选择

3.6.1微程序控制

3.6.2硬连线控制

3.6.3在两种控制设计风格中选择

小结

历史回顾

练习题

参考文献注释和扩展阅读

第4章 中断、陷入及异常

4.1程序执行中的不连续性

4.2处理程序不连续性

4.3处理程序不连续性的体系结构改进

4.3.1修改FSM

4.3.2一个简单的中断处理过程

4.3.3处理级联中断

4.3.4从处理过程中返回

4.3.5检查点

4.4处理程序不连续性的硬件细节

4.4.1中断的数据通路细节

4.4.2获得处理过程地址的细节

4.4.3保存/恢复栈

4.5信息汇总

4.5.1体系结构和硬件改进总结

4.5.2工作中的中断机制

小结

练习题

参考文献注释和扩展阅读

第5章 处理器性能与流水线处理器的设计

5.1时间和空间性能指标

5.2指令频率

5.3基准测试程序

5.4提升处理器的性能

5.5加速比

5.6提升处理器的吞吐量

5.7流水线简介

5.8指令处理流水线

5.9简单指令流水线的问题

5.10修正指令流水线里的问题

5.11指令流水线的数据通路元件

5.12针对流水线的体系结构与实现

5.12.1指令穿过流水线的过程详解

5.12.2流水线寄存器的设计

5.12.3各个阶段的实现

5.13冒险

5.13.1结构性冒险

5.13.2数据冒险

5.13.3控制冒险

5.13.4冒险总结

5.14在流水线处理器里处理程序不连续性

5.15处理器设计的高级话题

5.15.1指令级并行

5.15.2更深的流水线

5.15.3在乱序执行下再次讨论程序不连续性

5.15.4管理共享资源

5.15.5功耗

5.15.6多核处理器设计

5.15.7 Intel Core微架构：一个流水线

小结

历史回顾

练习题

参考文献注释和扩展阅读

第6章 处理器调度

6.1引言

6.2程序和进程

6.3调度环境

6.4调度基础

6.5性能指标

6.6非抢占式调度算法

6.6.1先到先服务

6.6.2最短作业优先

6.6.3优先级

6.7抢占式调度算法

6.7.1轮转调度器

6.8结合优先级和抢占

6.9元调度器

6.10评价

6.11调度对处理器体系结构的影响

小结和展望

Linux调度器——一个案例研究

历史回顾

练习题

参考文献注释和扩展阅读

第7章 内存管理技术

7.1内存管理器提供的功能

7.2内存管理的简单方案

7.3内存分配方案

7.3.1固定尺寸分区

7.3.2变长分区

7.3.3缩并

7.4分页虚拟内存

7.4.1页表

7.4.2支持分页的硬件

7.4.3页表的建立

7.4.4虚拟和物理内存的相对大小

7.5分段虚拟内存

7.5.1支持分段的硬件

7.6分页和分段的比较

7.6.1解读CPU生成的地址

小结

历史回顾

MULTICS

Intel的内存体系结构

练习题

参考文献注释和扩展阅读

第8章 页式内存管理

8.1按需分页

8.1.1按需分页的硬件

8.1.2页错误处理程序

8.1.3按需分页内存管理的数据结构

8.1.4页错误解析

8.2进程调度器和内存管理器间交互

8.3页替换策略

8.3.1 Belady的Min算法

8.3.2随机替换

8.3.3先进先出策略

8.3.4最近最少使用策略

8.3.5第二次机会页替换算法

8.3.6页替换算法回顾

8.4优化内存管理

8.4.1空闲页帧池

8.4.2颠簸

8.4.3工作集

8.4.4颠簸控制

8.5其他考虑

8.6旁路转换缓存

8.6.1 TLB的地址转换

8.7内存管理的高级话题

8.7.1多级页表

8.7.2局部页表项的访问权限

8.7.3反向页表

小结

练习题

参考文献注释和扩展阅读

第9章 分级存储体系

9.1缓存的概念

9.2局部性原理

9.3基本术语

9.4多级存储层次

9.5缓存结构

9.6直接映射缓存结构

9.6.1缓存查找

9.6.2缓存项中的字段

9.6.3用于直接映射缓存的硬件

9.7流水线处理器设计的影响

9.8缓存读/写算法

9.8.1 CPU对缓存的读访问

9.8.2 CPU对缓存的写访问

9.9处理器流水线中的缓存缺失处理

9.9.1在流水线性能上缓存缺失对内存延迟的影响

9.10利用空间局部性提高缓存性能

9.10.1增加块大小对性能的影响

9.11灵活的布局策略

9.11.1全相关缓存

9.11.2组相关缓存

9.11.3组相关的极端情况

9.12指令和数据缓存

9.13降低缺失损失

9.14缓存替换策略

9.15缺失类型简要说明

9.16 TLB和缓存整合

9.17缓存控制器

9.18虚拟索引物理标记的缓存

9.19缓存设计因素概述

9.20主存的设计因素

9.20.1简单的主存

9.20.2与缓存块大小相匹配的主存和总线

9.20.3交错式内存

9.21现代主存系统分析

9.21.1页式DRAM

9.22分级存储体系的性能影响

小结

现代处理器的分级存储体系（一个例子）

练习题

参考文献注释和扩展阅读

第10章 输入/输出和稳定性存储

10.1 CPU和I/O设备间的通信

10.1.1设备控制器

10.1.2内存映射I/O

10.2程控I/O

10.3 DMA

10.4总线

10.5 I/O处理器

10.6设备驱动

10.6.1例子

10.7外围设备

10.8磁盘存储器

10.8.1磁盘技术的传奇故事

10.9磁盘调度算法

10.9.1先到先服务

10.9.2最短寻道时间优先

10.9.3 SCAN

10.9.4 C-SCAN

10.9.5 LOOK和C-LOOK

10.9.6磁盘调度总结

10.9.7算法比较

10.10固态硬盘

10.11 I/O总线和设备驱动的演化

10.11.1设备驱动的动态负载

10.11.2信息汇总

小结

练习题

参考文献注释和扩展阅读

第11章 文件系统

11.1属性

11.2在磁盘子系统上实现文件系统的设计选择

11.2.1连续分配

11.2.2带有溢出区域的连续分配

11.2.3链接分配

11.2.4文件分配表

11.2.5索引分配

11.2.6多级索引分配

11.2.7混合索引分配

11.2.8不同分配策略的比较

11.3信息汇总

11.3.1索引节点

11.4文件系统的组件

11.4.1创建、写入文件的剖析

11.5各种子系统的交互

11.6文件系统在物理媒介上的布局

11.6.1内存中的数据结构

11.7处理系统崩溃

11.8其他物理媒介上的文件系统

11.9现代文件系统一览

11.9.1 Linux

11.9.2 Microsoft Windows

小结

练习题

参考文献注释和扩展阅读

第12章 多线程编程与多处理器

12.1为什么需要多线程

12.2线程所需的编程支持

12.2.1线程创建和终止

12.2.2线程之间的通信

12.2.3读/写冲突、竞争条件及不确定性

12.2.4线程之间的同步

12.2.5线程库中数据类型的内部表示

12.2.6简单的编程示例

12.2.7死锁和活锁

12.2.8条件变量

12.2.9视频处理示例的完整解决方案

12.2.10解决方案的讨论

12.2.11重新检查条件

12.3线程函数调用和多线程编程概念总结

12.4线程编程的一些注意事项

12.5使用线程作为软件结构抽象

12.6 POSIX pthread库调用总结

12.7操作系统对线程的支持

12.7.1用户级线程

12.7.2内核级线程

12.7.3 Solaris线程：一个内核级线程例子

12.7.4线程和库

12.8在单处理器上的多线程的硬件支持

12.8.1线程创建、终止以及线程间的通信

12.8.2线程之间的同步

12.8.3原子的Test-and-Set指令

12.8.4使用Test-and-Set指令的Lock算法

12.9多处理器

12.9.1页表

12.9.2分级存储体系

12.9.3保证原子性

12.10高级话题

12.10.1操作系统话题

12.10.2架构话题

12.10.3未来之路：多核与众核架构

小结

历史回顾

练习题

参考文献注释和扩展阅读

第13章 网络与网络协议基础知识

13.1预备知识

13.2基本术语

13.3网络软件

13.4协议栈

13.4.1因特网协议栈

13.4.2 OSI模型

13.4.3分层的实际问题

13.5应用层

13.6传输层

13.6.1停止并等待协议

13.6.2流水线协议

13.6.3可靠的流水线协议

13.6.4处理传输错误

13.6.5因特网上的传输协议

13.6.6传输层总结

13.7网络层

13.7.1路由算法

13.7.2因特网寻址

13.7.3网络服务模式

13.7.4网络路由与转发

13.7.5网络层总结

13.8链路层和局域网

13.8.1以太网

13.8.2 CSMA/CD

13.8.3 IEEE 802.3

13.8.4无线局域网与IEEE 802.11

13.8.5令牌环

13.8.6其他链路层协议

13.9网络硬件

13.10协议栈各层之间的关系

13.11用于数据包传输的数据结构

13.11.1 TCP/IP包头

13.12消息传输时间

13.13协议层功能总结

13.14网络软件与操作系统

13.14.1套接字库

13.14.2在操作系统中实现协议栈

13.14.3网络设备驱动程序

13.15 使用UNIX套接字进行网络编程

13.16网络服务与高层协议

小结

历史回顾

练习题

参考文献注释和扩展阅读

第14章 尾声：旅途回顾

14.1处理器设计

14.2进程

14.3虚拟内存系统和内存管理

14.4分级存储体系

14.5并行系统

14.6输入/输出系统

14.7永久性存储

14.8网络

结束语

附录A 使用UNIX套接字进行网络编程

参考文献

索引