Лекция 1
Цели курса. Организация курса: лекции и семинарские занятия, литература и информационная поддержка, правила выставления оценок.
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).
Слайды
Лекция 2
Архитектура IA32: основные регистры, форматы команд. IA-32 и ее связь с архитектурами 8086 и Intel64. Выполнение простейших ассемблерных инструкций: пересылка данных и арифметические операции. Формат команды.
Слайды
Лекция 3
Ассемблер nasm. Организация ассемблерной программы, секции кода и данных. Арифметические операции и регистр флагов.
Слайды
Лекция 4
Условная и безусловная передача управления. Коды условий. Пример ассемблерной программы: условные и безусловные переходы. Разбор задачи на восстановление управляющих операторов языка Си.
Слайды
Лекция 5
Проблемы организации вызова функций. Аппаратная поддержка стека. Пример ассемблерной программы: отображение вызова функции языка Си в язык ассемблера.
Слайды
Лекция 6
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. Разбор задачи на восстановление выражения языка Си.
Слайды
Лекция 7
Операции над отдельными битами. Операции над данными типа _Bool. Реализация управляющих операторов языка Си. goto-форма представления ветвлений и циклов. Условная передача данных.
Слайды
Лекция 8
Особенности реализации операторов цикла на языке ассемблера. Организация цикла с помощью инструкции LOOP. Различные способы отображения оператора switch в язык ассемблера: последовательность if-else, таблица переходов, дерево выбора.
Слайды
Лекция 9
Отображение операторов разыменования указателя и взятия адреса из языка Си в язык ассемблера. Пример работы с указателями. Одномерные массивы и указатели. Адресная арифметика.
Массивы: одномерные, многомерные, многоуровневые. Расположение в памяти, способы работы с отдельными элементами.
Слайды
Лекция 10
Особенности работы компилятора с массивами: примеры простых оптимизаций: примеры машинно-независимой и машинно-зависимой оптимизации. Обратная задача на определение размера массива.
Структуры, расположение в памяти, доступ к отдельным полям. Выравнивание полей. Объединения. Битовые поля. Задачи на вычисление размера типа данных.
Слайды
Лекция 11
Соглашение о вызове функций cdecl, организация рекурсии.
Инициализация окружения Си-программы. Функции _start и main.
Выравнивание фреймов в стеке. Организация вызова функций стандартной библиотеки языка Си из ассемблерного кода.
Слайды
Лекция 12
Коллоквиум №1
Оптимизация и ABI: вызов функций без указателя фрейма.
Слайды
Лекция 13
Соглашения stdcall и fastcall.
Возвращаемое значение – структура, гибридное соглашение вызова в gcc.
Функции с переменным числом параметров.
Соглашение вызова функции в архитектуре x86-64, отличия от IA-32.
Слайды
Лекция 14
Перехват управления. Выполнение произвольного кода, шелл-код.
Эксплуатация ошибок. Переполнение буфера и методы защиты от эксплуатации ошибок на этапах компиляции и выполнения.
Слайды
Лекция 15
Управление динамической памятью. Пропускная способность и эффективность расходования.
Внутренняя и внешняя фрагментация. Управление свободными блоками: неявный список, явный список, раздельные списки.
Слайды
Лекция 16
Представление чисел с плавающей точкой. Стандарт IEEE 754. Нормализованные числа. Денормализованные и особые числа. Операции над числами с плавающей точкой. Округление чисел.
Сопроцессор FPU x87: аппаратный стек регистров, управляющий регистр, регистр состояния, регистр тегов.
Слайды
Лекция 17
Арифметические операции над числами с плавающей точкой. Исключения при вычислениях и их маскирование.
Числа с плавающей точкой в языке Си: типы, доступ к результатам сравнения чисел, передача в качестве параметров функции, возвращаемое значение.
Слайды
Лекция 18
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.
Слайды
Лекция 19
Статические библиотеки, компоновка со статическими библиотеками.
Загрузка исполняемого файла в память.
Динамическая компоновка, разделяемые библиотеки.
Позиционно независимый код. Глобальная таблица смещений.
Слайды
Лекция 20
Ленивое связывание в динамической компоновке.
Динамическая загрузка.
Организация аппаратного обеспечения компьютера. Логические вентили.
Слайды
Лекция 21
Закон Мура. Закон Гроша.
Устройство оперативной памяти. Статическая и динамическая память. Расслоение памяти.
Энергонезависимая память.
Шины, их характеристики. Блокировка шины памяти.
Слайды
Лекция 22
Коллоквиум №2
Примеры шин: фронтальная шина, PCI, USB, SATA, …
Устройство НЖМД: организация, емкость, временные характеристики доступа.
Слайды
Лекция 23
Организация ввода/вывода через пространство портов и через память. Пример периферийного устройства: WatchDog.
Твердотельные диски.
Тенденции в развитии запоминающих устройств. Принципиальные ограничения в развитии вычислительной техники: “Memory Wall” и “Power Wall”.Локальность в программах. Иерархическая организация памяти, кэширование. Кэш-память: способы организации. Кэш прямого отображения. N-канальный ассоциативный кэш. Полностью ассоциативный кэш.
Слайды
Лекция 24
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. Прерывания.
Пользовательский и привилегированный режимы работы ЦПУ. Системные вызовы.
Слайды