本书作为主教材《计算机系统：基于x86+Linux平台》配套的程序调试分析及模拟器设计实践教材，设计了基础级验证、模块级分析、系统级设计和高阶综合编程与分析4个级别的实践项目。基础级验证实践项目包括实验系统的安装和工具软件的使用、程序调试命令和指令系统基础、数据的机器级表示、数据的基本运算、程序的机器级表示等方面的实验；模块级分析实践项目包括二进制程序分析与逆向工程、缓冲区溢出攻击、程序链接与ELF目标文件等方面的实验；系统级设计实践项目通过C语言编程设计实现一个功能完备但简化的x86模拟器；高阶综合编程与分析实践项目包括堆栈的使用及堆分配器的实现、程序正确性与程序性能优化、网络编程与并发编程等方面的实验。
本书可以作为高等院校计算机专业本科或高职高专学生计算机系统基础类课程的教学辅助教材，也可以作为计算机技术人员的参考书。

苏丰　现任南京大学计算机学院副教授。承担“计算机系统基础”“计算机网络”等课程的教学工作，教育部“101计划”计算机系统导论课程及虚拟教研室建设牵头单位主要成员，主持教育部产学合作协同育人项目“计算机系统导论编程与调试实践”，作为主编之一编写出版《计算机系统导论实践教程》。研究领域为多媒体计算和计算机视觉，主持或参与承担多项国家和江苏省自然科学基金项目，发表科研论文50余篇。获教育部自然科学奖二等奖一项、江苏省教学成果奖二等奖一项，参与主讲的“计算机系统基础”课程获选江苏省线下一流课程。
汪亮　现任南京大学计算机学院、计算机软件新技术全国重点实验室副教授，博士生导师。主要从事软件方法学、群体智能以及计算机教育相关研究工作。主持国家自然科学基金青年项目、面上项目，参与科技创新2030“新一代人工智能”重大项目等多项国家级项目。2024年度南京市中青年拔尖人才、微软学者、南京大学“十百千”百层次课程青年教师代表，获得2019年度南京大学优秀教学团队奖、2017年度江苏省教学成果二等奖、2020年度南京大学魅力导师奖、2021年度和2023年度南京大学计算机学院本科毕业生“我心目中的好课程”等校级和省部级奖项。发表教育和科研论文40余篇，获得发明专利授权10余项。
刘杰　现任南京大学计算机学院助理研究员，获得南京大学计算机学院本科、硕士和博士学位。目前承担“计算机系统基础”课程教学工作，主要负责该课程综合实验。研究方向为计算机视觉、图像视频的复原与增强等。主持国家自然科学基金青年项目和江苏省自然科学基金青年项目，作为骨干参与国家重点研发项目。以第一作者或通讯作者在CVPR、ICCV、ECCV、ACM MM、AAAI、IJCAI等高水平会议上发表论文十余篇，荣获2020年ECCV高效图像超分辨率挑战赛冠军。
王慧妍　现任南京大学软件学院助理教授。承担“计算机系统基础”课程教学三年，主要负责该课程综合实验。主要研究方向为智能化软件工程、泛在操作系统数据保障以及软件辅助工具链研究等。在TSE、ICSE、ESEC/FSE、ISSRE等国内外优秀期刊或会议上发表学术论文10余篇，获2023年度江苏省计算机学会优秀博士学位论文奖。担任ICSE 2025、SANER 2024、ASE 2023等会议程序委员会成员与TOSEM、TSE等国际期刊审稿专家。主持国家自然科学基金青年项目与江苏省青年基金项目，参与国家重点研发计划课题与自然科学基金重点项目等。
朱光辉　南京大学计算机学院特聘研究员、助理教授，江苏省计算机学会优博，江苏省“双创博士”，华为“难题揭榜”火花奖获得者，英特尔中国学术英才计划荣誉学者，教育部-华为“智能基座”先锋教师、产教融合协同育人基地优秀课件奖励计划获得者，南京大学“师德师风”先进团队核心成员。长期从事“计算机系统基础”“大数据处理综合实验”“智能计算系统”等系统类课程教学工作，作为主编之一编写出版“101计划”核心教材和江苏“十四五”普通高等教育本科省级规划教材——《计算机系统：基于x86+Linux平台》。研究方向为大数据与智能计算，在国内外著名会议/期刊发表高水平论文30余篇，主持国家自然科学基金项目、江苏省自然科学基金项目、江苏省科技厅重点研发计划课题、之江实验室开放课题、教育部产学合作协同育人项目以及企业横向合作项目多项，研究成果在国际人工智能自动化AI建模大赛中6次获得前三名，并荣获第五届中国“互联网+”创新创业大赛全国金奖，相关技术已落地应用于华为、奇虎360等IT企业。

目　　录
出版说明
前言
第一部分　基础级验证实验
第1章　实验系统的安装和工具软件
的使用　2
实验1　实验系统的安装和配置　2
实验2　常用命令和工具软件的使用　16
第2章　程序调试命令和指令系统基础　25
实验1　程序调试命令　25
实验2　IA-32指令系统基础　30
*实验3　在C程序中嵌入汇编指令　37
第3章　数据的机器级表示实验　45
实验1　整型数据的真值与机器数　45
实验2　浮点型数据的真值与机器数　50
实验3　数据的宽度与存放顺序　57
实验4　不同整型数据之间的转换　62
实验5　整型数据与浮点型数据之间
的转换　70
第4章　数据的基本运算实验　76
实验1　整数加减运算　76
实验2　整数乘运算　85
实验3　整数除运算　92
实验4　浮点数运算　101
第5章　程序的机器级表示实验　109
实验1　过程调用的实现和栈帧结构　109
实验2　流程控制语句的实现　119
实验3　复杂数据类型的分配和访问　127
*实验4　缓冲区溢出攻击　133
*实验5　x86-64架构中程序的机器级表示　150
第二部分　模块级分析实验
第6章　二进制程序分析与逆向工程　160
实验1　字符串比较　161
实验2　浮点数的表示　164
实验3　循环控制语句　167
实验4　选择–分支控制语句　171
实验5　过程的递归调用　175
实验6　数组类型变量的处理　180
实验7　指针类型变量的处理　186
实验8　结构体类型变量与链表的处理　194
第7章　缓冲区溢出攻击　202
实验1　获得对程序的控制　206
实验2　植入攻击代码　211
实验3　模拟过程调用　217
实验4　应对栈地址随机化　224
实验5　ROP攻击　232
第8章　程序链接与ELF目标文件　241
实验1　数据与ELF数据节　243
实验2　指令与ELF代码节　248
实验3　符号解析　256
实验4　switch语句与链接　260
实验5　重定位　269
实验6　位置无关代码　286
第三部分　系统级设计实验
第9章　实验工具和实验环境设置　302
9.1　方案1：下载并运行Docker镜像　302
9.2　方案2：导入虚拟机　303
9.3　方案3：安装并配置虚拟机　303
9.4　浏览框架代码　305
9.5　线上资源　306
第10章　数据表示和运算的模拟　307
10.1　PA1–1通用寄存器和主存的模拟　307
10.2　PA1–2整数的表示和运算　310
10.3　PA1–3浮点数的表示和运算　313
第11章　程序加载执行的模拟　319
11.1　PA2–1指令解码与执行　319
11.2　PA2–2 Kernel加载ELF文件　333
第12章　存储系统的模拟　338
12.1　PA3–1高速缓存的模拟　338
12.2　PA3–2实现分段机制　340
12.3　PA3–3实现分页机制　346
第13章　异常/中断与I/O子系统
的模拟　351
13.1　PA4–1异常和中断的处理　351
13.2　PA4–2外设与I/O处理　356
*13.3　PA4–3可选任务：游戏移植　361
第四部分　高阶综合编程与分析实验
第14章　堆栈的使用及堆分配器
的实现　366
*实验1　堆空间的使用　366
*实验2　堆分配器的实现　372
*实验3　运行时栈的使用　379
第15章　程序正确性与程序性能优化　390
*实验1　大整数的乘及取模运算　390
*实验2　x86-64内联汇编　393
*实验3　程序性能调优　398
第16章　网络编程与并发编程　404
*实验1　基于客户–服务器模式的远程
计算器　404
*实验2　基于并发编程的远程计算器　408
*实验3　基于线程池的远程计算器性能
优化　411