深入 (深入理解计算机系统第三版答案)

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章节答案

1. 
   第 1 章：计算机系统综述
   
2. 第 2 章：指令集架构
3. 第 3 章：计算机 arithmetic
4. 第 4 章：处理器设计
5. 第 5 章

章节答案

第 1 章：计算机系统综述

练习 1.1

计算机系统由五个主要组件组成：

1. 处理器
2. 内存
3. 存储器
4. 输入/输出设备
5. 系统总线

练习 1.2

冯诺依曼计算机体系结构定义了计算机系统的三个基本特征：

1. 存储程序
2. 独立存储
3. 顺序控制

练习 1.3

计算机系统的性能由以下因素决定：

1. 处理器的速度
2. 内存的大小和速度
3. 存储器的速度和容量
4. 输入/输出设备的速度
5. 操作系统的效率

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第2 章：指令集架构

练习 2.1

指令集架构（ISA）定义了处理器与内存和 I/O 设备通信的方式。ISA 包括以下组件：

1. 指令格式
2. 寻址模式
3. 寄存器文件
4. 内存模型

练习 2.2

寻址模式决定了指令如何引用内存中的数据。常见的寻址模式包括：

1. 立即寻址
2. 寄存器寻址
3. 内存寻址
4. 基址寻址
5. 变址寻址

练习 2.3

RISC（精简指令集计算机）和 CISC（复杂指令集计算机）是两种不同的 ISA 设计哲学。RISC 指令集通常较小、更简单，而 CISC 指令集通常较大、更复杂。RISC 处理器通常比 CISC 处理器执行速度更快，但 CISC 处理器通常具有更高的代码密度。

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第 3 章：计算机 arithmetic

练习 3.1

计算机 arithmetic 是执行二进制数字的算术运算的过程。常见的计算机 arithmetic 操作包括：

1. 加法
2. 减法
3. 乘法
4. 除法

练习 3.2

补码是表示负数的常用方法。补码与真值之间的转换方法如下：

1. 对于正数，补码与真值相同。
2. 对于负数，补码是对真值取反后加 1。

练习 3.3

浮点数是表示实数的常用方法。浮点数由三个部分组成：

1. 尾数
2. 指数
3. 基数（通常为 2）

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第 4 章：处理器设计

练习 4.1

处理器是计算机系统的大脑。处理器的主要组件包括：

1. 控制单元
2. 运算单元
3. 寄存器文件

练习 4.2

流水线是一种提高处理器性能的技术。流水线将指令执行过程划分为多个阶段，并同时执行这些阶段。流水线可以显著提高指令吞吐量，但会增加处理器设计复杂度。

练习 4.3

超标量处理器是一种可以同时执行多条指令的处理器。超标量处理器通过复制执行单元并使用指令调度策略来实现这一点。超标量处理器可以进一步提高指令吞吐量，但会增加处理器设计复杂度和功耗。

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第 5 章：内存层次结构

练习 5.1

内存层次结构是一个由不同速度和容量的内存层级组成的系统。内存层次结构有助于提高计算机系统的整体性能，因为经常访问的数据可以存储在速度更快的内存层中。

练习 5.2

快取是一种高速、小容量的内存层，位于处理器和主内存之间。快取存储了最近访问的数据，以便处理器可以快速访问这些数据。快取可以显著提高处理器性能，因为可以避免从速度较慢的主内存中获取数据。

练习 5.3

虚拟内存是一种允许程序使用比实际物理内存更多的内存的技术。虚拟内存通过使用磁盘作为额外的内存空间来实现这一点。虚拟内存可以显著提高计算机系统的多任务能力，因为允许更多的程序同时运行。

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第 6 章：输入/输出

练习 6.1

输入/输出（I/O）设备允许计算机与外部世界交互。常见的 I/O 设备包括：

1. 键盘
2. 鼠标
3. 显示器
4. 打印机
5. 硬盘

练习 6.2

I/O 总线是连接处理器和 I/O 设备的物理通道。I/O 总线通常使用以下协议：

1. 程序直接内存访问（DMA）
2. 中断
3. 轮询

练习 6.3

直接内存访问（DMA）是一种允许 I/O 设备直接访问内存的技术。DMA 可以提高 I/O 性能，因为处理器无需参与数据传输过程。

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《深入理解计算机系统》实验三 —— Buf Lab

深入理解计算机系统实验三——Buf Lab实验目标是深化对IA-32函数调用规则和栈结构的理解，通过缓冲区溢出攻击实践程序控制。

实验要求对可执行程序“BUFBOMB”进行五级难度递增的攻击，从最简单的Smoke（level 0）到最难的Nitro（level 4）。

准备工作需在Ubuntu 16.04环境中使用gcc 5.4.0，包括下载并理解“”（文件夹说明）、“bufbomb”（攻击目标）、“makecookie”（生成用户唯一ID）和“hex2raw”（字符串转换工具）。

BUFBOMB程序接收用户输入，getbuf函数可能引发溢出。

实验涉及修改返回地址，通过溢出控制程序流程，如将getbuf函数的返回地址替换为smoke函数地址。

Hex2RAW用于处理字符串格式转换，攻击字符串需避开换行符0x0A。

实验涉及逐步升级，例如在Level 1中，要保证在调用fizz函数后执行，需要将cookie值写入函数参数位置。

Level 3要求getbuf返回cookie并还原堆栈状态，Level 4则涉及环境变量对堆栈的影响和nop sled技术，确保代码在每次运行时都能正确跳转。

通过反汇编分析、调试和堆栈结构理解，一步步设计和执行攻击代码，实验最后强调了对栈帧结构和溢出原理的深入掌握，以及gdb等工具的熟练运用。

深入理解计算机系统 读后感

[深入理解计算机系统 读后感]从程序员的视角，看计算机系统！本书适用于那些想要写出更快、更可靠程序的程序员，深入理解计算机系统 读后感。

通过掌握程序是如何映射到系统上，以及程序是如何执行的，读者能够更好的理解程序的行为为什么是这样的，以及效率低下是如何造成的。

粗略来看，计算机系统包括处理器和存储器硬件、编译器、操作系统和网络互连环境。

而通过程序员的视角，读者可以清晰地明白学习计算机系统的内部工作原理会对他们今后作为计算机科学研究者和工程师的工作有进一步的帮助。

它还有助于为进一步学习计算机体系结构、操作系统、编译器和网络互连做好准备。

本书的主要论题包括：数据表示、C程序的机器级表示、处理器结构，程序优化、存储器层次结构、链接、异常控制流、虚拟存储器和存储器管理、系统级I/O、网络编程和并发编程。

书中所覆盖的内容主要是这些方面是如何影响应用和系统程序员的。

例如，在讲述数据表示时，本书说明了用来表示数字的表示方法是有限的，它能够近似地表示整数和实数，但是这种表示方法是有限制的，程序员必须了解。

在讲述高速缓存时，本书讨论了矩阵代码中的循环变量的顺序是如何影响程序的性能的。

在讨论网络互连时，本书描述了并发服务器如何能有效地处理来自多个客户端的请求。

本书基于Intel兼容（IA32）机器，在Unix或者相关的操作系统（例如，Linux）上执行C程序。

虽然书中包括了一些帮助读者将Java转化成C的提示，但是还是要求读者对C或者C++有一定的了解。

您可以通过本书的Web网站获得完整的资料，包括实验和作业，授课笔记和代码示例，读后感《深入理解计算机系统 读后感》。

本书英文版久负盛名，被众多专业人士称为“最伟大的计算机教材”之一，著名的美国卡内基梅隆大学计算机科学系一直将本书作为教材使用，程序员眼中的透彻讲述计算机系统的扛鼎之作。

作者是卡耐基梅隆大学的计算机科学系主任，ACM和IEEE双院士（Fellow），其研究成果多次获得ACM和IEEE颁发的大奖。

本书共分十三章，分别介绍了信息的表示和处理、程序的机器级表示、处理器体系结构、存储器层次结构、静态和动态链接、虚拟存储器、系统级I/O、网络编程和并发编程等精彩内容。

其目的是解释计算机系统的所有本质概念，并向读者展示这些概念是如何实际地影响应用程序的正确性、性能和实用性。

与其他主要针对系统构造人员的系统类书籍不同，这本书是写给程序员的，是从程序员的角度来描述的。

本书为软件和硬件之间搭起了一个桥梁，它给出了一种帮助读者分别从硬件和软件的角度去理解一个程序及其行为的途径，这也填补了国内计算机系统教学中的一个空白。

本书的最大优点是帮助读者理解概念，让读者很清楚地在脑海中构造一个层次型的计算机系统，从最低层数据在内存中的表示（如我们一直陌生的浮点数表示），到流水线指令的构成，到虚拟存储器，到编译系统，到动态加载库，到最后的用户应用。

本书提供了大量的例子和练习及部分答案。

尤其值得一提的是，对于每一个基本概念都有相应的笔头或程序试验，加深读者的理解。

〔深入理解计算机系统 读后感〕随文赠言：【这世上的一切都借希望而完成，农夫不会剥下一粒玉米，如果他不曾希望它长成种粒；单身汉不会娶妻，如果他不曾希望有孩子；商人也不会去工作，如果他不曾希望因此而有收益。

】

深入理解计算机系统（六）：进制间的转换原理

深入理解计算机系统（六）：进制间的转换原理目录1、进制的介绍2、二进制转换成其他进制3、十进制转换成其他进制4、十六进制转换成其他进制5、总结1、进制的介绍数制的定义：用一组固定的数字和一套统一的规则来表示数目的方法称为数制。

进位计数制的数码所表示的数值大小则与它在数中所处的位置有关。

常见的进制有二进制、十进制、十六进制。

进位计数制的要素包括数码、基数和位权。

数码是表示进制数的元素，基数是数码的个数，位权是数制中每一固定位置对应的单位值。

每个数码所表示的数值=该数码值 * 所处位置的位权。

如十进制数（123.45）10 = 1×102 + 2×101 + 3×100 + 4×10-1 + 5×10-2。

2、二进制转换成其他进制2.1、二进制（Binary）——>十进制（Decimal）诀窍：整数部分从右向左算位权，小数部分从左向右算位权，分别相乘后相加。

例：（10.）2 = 2 + 0 + 0.5 + 0 + 0.125 + 0 + 0. = （2.）102.2、二进制（Binary）——>十六进制（Hex）诀窍：整数部分每4位一组，不足4位用0补足，小数部分每4位一组，不足4位用0补足。

例：（10.）2 = 2.A8（16）3、十进制转换成其他进制3.1、十进制（Decimal）——>二进制（Binary）诀窍：整数部分除2取余，小数部分乘2取整，重复操作直至整数部分为0。

例1：（93）10 = （）2例2：（0.3125）10 = （0.0101）23.2、十进制（Decimal）——>十六进制（Hex）诀窍：整数部分除16取余，小数部分乘16取整，重复操作直至小数部分为0。

例1：（93）10 = （5D）16例2：（0.3125）10 = （0.5）164、十六进制转换成其他进制4.1、十六进制（Hex）——>二进制（Binary）诀窍：每一位十六进制对应四位二进制。

例1：（A7）16 = （）2例2：（0.D4）16 = （0.）24.2、十六进制（Hex）——>十进制（Decimal）诀窍：整数部分从右向左算位权，小数部分从左向右算位权，分别相乘后相加。

例1：（A7）16 = （167）10例2：（0.D4）16 = （0.）105、总结其他进制转十进制：按权相加法计算。

十进制转其他进制：整数用除基取余法，小数用乘基取整法。

二进制转十六进制：每四位二进制对应一位十六进制。

十六进制转二进制：每一位十六进制对应四位二进制。