Программа курса

I Введение (на примерах ассемблерных программ)

История вычислительной техники. Архитектура фон Неймана. Основные компоненты компьютера. Машинная команда, типы операндов, адресность ЭВМ, такт работы. Упрощенная схема выполнения инструкции.

Упрощенная схема компиляции Си-программы в окружении компилятор gcc, операционная система Linux, архитектура IA-32 и ее связь с архитектурами 8086 и Intel64. Архитектура IA-32: основные регистры, форматы команд. Представление машинной команды, ассемблерная инструкция. Формат инструкций архитектуры IA-32. Декодирование и дизассемблирование.

Организация ассемблерной программы, секции кода и данных. Пример ассемблерной программы: пересылка данных, арифметические операции, регистр флагов.

Передача управления. Пример ассемблерной программы: условные и безусловные переходы. Разбор задач на восстановление конструкций языка Си: выражений и управляющих конструкций.

Проблемы организации вызова функций. Аппаратная поддержка стека. Пример ассемблерной программы: отображение вызова функции языка Си в язык ассемблера.

II Взаимосвязь языка Си, языка ассемблера и особенностей архитектуры IA-32

Различные группы команд в архитектуре IA-32. Реализация арифметических операций над 64-разрядными целыми в архитектуре IA-32. Команды «быстрой» арифметики. Побитовые логические инструкции. Инструкции сдвига и вращения. Операции над отдельными битами.

Отображение операторов разыменования указателя и взятия адреса из языка Си в язык ассемблера. Размещение различных типов переменных языка Си в памяти компьютера. Пример работы с указателями. Одномерные массивы и указатели. Адресная арифметика.

Многомерные и многоуровневые массивы. Расположение в памяти, способы работы с отдельными элементами.

Организация работы со структурами и объединениями языка Си на уровне языка ассемблера. Доступ к полям. Различные правила выравнивания данных: Windows/Linux, Intel64.

Различные способы отображения оператора switch в язык ассемблера: последовательность if-else, таблица переходов, дерево выбора.

Условная передача данных: goto-форма представления ветвлений и циклов. Отображение операторов цикла языка Си в язык ассемблера. Организация цикла с помощью инструкции LOOP.

Особенности работы компилятора с массивами: примеры простых оптимизаций: примеры машинно-независимой и машинно-зависимой оптимизации.

Соглашение о вызове функций cdecl. Распределение памяти во фрейме функции. Организация рекурсии.

Возвращаемое значение в соглашении cdecl, возврат структур из функции в компиляторе gcc.

Выравнивание фреймов в стеке. Организация вызова функций стандартной библиотеки языка Си из ассемблерного кода.

Ассемблерные вставки в Си-программах. Ускорение вызова функций и возврата из них: реализация вызова функций без указателя фрейма, соглашение fastcall.

Функции с переменным числом параметров. Вызов функции по указателю. Обратный вызов. Соглашение вызова Intel64. Значимые отличия между Intel64 и IA-32.

Поддержка динамической памяти в Си-программе. Организация динамической памяти: неявные и явные списки, граничные теги. Неявное управление динамической памятью: сборка мусора.

Представление чисел с плавающей точкой. Стандарт IEEE 754. Операции над числами с плавающей точкой. Округление чисел.

Сопроцессор FPU x87. Аппаратный стек регистров. Числа с плавающей точкой в языке Си: типы, доступ к результатам сравнения чисел, передача в качестве параметров функции, возвращаемое значение.

III Архитектура ЭВМ

Организация аппаратного обеспечения компьютера. Логические вентили. Закон Мура. Закон Гроша. Различные классы вычислительных устройств: микроконтроллеры, мобильные устройства, настольные компьютеры и серверы, суперкомпьютеры, облачные вычисления. Процессоры общего назначения и специализированные вычислительные устройства: цифровые сигнальные процессоры, графические ускорители, программируемые логические интегральные схемы.

Устройство оперативной памяти. Статическая и динамическая память. Расслоение памяти.

Организация ввода/вывода. Шины, их характеристики, примеры шин: фронтальная шина, PCI, USB, SATA … Атомарные операции, захват шины данных при обращении к памяти.

Пример периферийного устройства: НЖМД. Устройство, организация доступа к хранимой информации, емкость, временные характеристики доступа. Организация ввода/вывода через пространство портов и через память. Прямой доступ к памяти со стороны периферийных устройств. Твердотельные диски.

Тенденции в развитии запоминающих устройств. Локальность в программах. Иерархическая организация памяти, кэширование. Кэш-память процессора, способы ее организации: кэш прямого отображения, N-канальный ассоциативный кэш, полностью ассоциативный кэш. Метрики производительности кэш-памяти.

Способы оценки производительности компьютеров и программ. Аппаратные средства измерения времени. Синтетические тесты. Оценка производительности памяти современного компьютера.

Конвейерная обработка команд. Приостановка и опустошение конвейера. Суперскалярная архитектура. CISC и RISC архитектуры на примере Intel64 и ARM.

История развития архитектуры x86. Обратная совместимость процессоров.

Многозадачная работа компьютера: требования к аппаратуре, работа с памятью в защищенном режиме. Прерывания: программные, аппаратные, исключения. Системный вызов.

Сегментная и страничная организация памяти. Логические, линейные и физические адреса памяти.

Режимы работы современного процессора архитектуры Intel64/AMD64: реальный, защищенный, «длинный», режим совместимости, режим системного управления. Процесс загрузки компьютера.

Многопроцессорные и многоядерные компьютеры. Проблема синхронизации работы нескольких вычислительных ядер. Пример реализации циклической блокировки.

IV Система программирования языка Си и ее связь с архитектурой ЭВМ

Система программирования языка Си. Программные инструменты, используемые при разработке Си-программ. Схема работы ассемблера. Статическая компоновка программы. Схема работы компоновщика: разрешение символов и перемещение кода. Типы объектных файлов (модулей). Формат ELF.

Обработка компоновщиком нескольких символов с одинаковыми именами: сильные и слабые символы. Организация многомодульной программы, роль заголовочных файлов. Статические библиотеки. Компоновка со статическими библиотеками. Загрузка исполняемого файла в память.

Программные утилиты для работы с объектным кодом. Динамическая компоновка. Позиционно независимый код. Динамические и разделяемые библиотеки, особенности организации и загрузки.

Leave a Reply