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. Представление машинной команды, ассемблерная инструкция. Упрощенная схема выполнения инструкции (команды).

Архитектура IA-32: основные регистры, форматы команд. Выполнение простейших ассемблерных инструкций: пересылка данных и арифметические операции. Формат команды.

Ассемблер nasm. Организация ассемблерной программы, секции кода и данных.

Арифметические операции и регистр флагов. Условная и безусловная передача управления. Коды условий.

Проблемы организации вызова функций. Аппаратная поддержка стека. 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. Команды «быстрой» арифметики. Реализация арифметических операций над 64-разрядными целыми в архитектуре IA-32. Побитовые логические инструкции. Инструкции сдвига и вращения.

Операции над отдельными битами. Операции над данными типа _Bool. Реализация управляющих операторов языка Си. goto-форма представления ветвлений и циклов. Условная передача данных. Особенности реализации операторов цикла на языке ассемблера.

Организация цикла с помощью специализированных машинных команд. Различные способы отображения оператора switch в язык ассемблера: последовательность if-else, таблица переходов, дерево выбора.

Отображение операторов разыменования указателя и взятия адреса из языка Си в язык ассемблера. Одномерные массивы и указатели. Адресная арифметика.

Массивы: одномерные, многомерные, многоуровневые. Расположение в памяти, способы работы с отдельными элементами. Особенности работы компилятора с массивами: примеры простых оптимизаций: примеры машинно-независимой и машинно-зависимой оптимизации.

Структуры, расположение в памяти, доступ к отдельным полям. Выравнивание полей. Объединения. Битовые поля.

Соглашение о вызове функций cdecl, организация рекурсии. Оптимизация вызова функции и ABI: вызов функций без указателя фрейма. Соглашения stdcall и fastcall. Возвращаемое значение в соглашении cdecl, возврат структур из функции в компиляторе.

Инициализация окружения Си-программы. Функции _start и main. Выравнивание фреймов в стеке. Организация вызова функций стандартной библиотеки языка Си из ассемблерного кода. Функции с переменным числом параметров.

Развитие семейства процессоров x86. Ключевые отличия архитектуры x86-64 от IA-32: изменения в формате команд, модель памяти, соглашение вызова функции.

Эксплуатация ошибок. Перехват управления, выполнение произвольного кода, шелл-код. Переполнение буфера и методы защиты от эксплуатации ошибок на этапах компиляции и выполнения.

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 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 . Статические библиотеки.

Обработка компоновщиком нескольких символов с одинаковыми именами: сильные и слабые символы. Загрузка исполняемого файла в память.

Динамическая компоновка. Позиционно независимый код. Динамические и разделяемые библиотеки, особенности организации и загрузки.

IV Архитектура ЭВМ

Организация аппаратного обеспечения компьютера. Логические вентили. Закон Мура. Закон Гроша. Различные классы вычислительных устройств.
Устройство оперативной памяти. Статическая и динамическая память. Расслоение памяти.
Энергонезависимая память.

Шины, их характеристики. Примеры шин: фронтальная шина, PCI, USB, SATA, …
Синхронизация при обращении к памяти в многоядерном компьютере, атомарные операции, захват шины данных.

Устройство НЖМД: организация, емкость, временные характеристики доступа. Организация ввода/вывода через пространство портов и через память. Опрос устройств и прерывания.

Тенденции в развитии запоминающих устройств. Твердотельные диски. Принципиальные ограничения в развитии вычислительной техники: проблемы «стены памяти» (Memory Wall) и «стены энерговыделения» (Power Wall). Локальность в программах. Иерархическая организация памяти, кэширование.

Кэш-память: способы организации. Кэш прямого отображения. N-канальный ассоциативный кэш. Полностью ассоциативный кэш. Метрики производительности кэша. Способы оценки производительности компьютеров и программ. Аппаратные средства измерения времени. Синтетический тест: оценка производительности памяти современного компьютера.

Режимы работы современного процессора архитектуры Intel64/AMD64. CISC и RISC архитектуры. Обратная совместимость процессоров. Начальная загрузка компьютера: BIOS, ACPI, UEFI.

Многозадачная работа компьютера: требования к аппаратуре. Аппарат защиты памяти. Пользовательский и привилегированный режимы работы ЦПУ. Системные вызовы.

Leave a Reply