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, адресность ЭВМ, типы операндов. Представление машинной команды, ассемблерная инструкция. Упрощенная схема выполнения инструкции (команды), такт работы.
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. Упрощенный процесс построения программы. Основные команды арифметических операций.
Слайды
Лекция 4
Регистр флагов, беззнаковое и знаковое переполнения.
Условная и безусловная передача управления. Коды условий.
Слайды
Лекция 5
Разбор задачи на восстановление управляющих операторов языка Си.
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.
Слайды
Лекция 7
Разбор задачи на восстановление выражения языка Си.
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.
Слайды
Лекция 8
Особенности реализации операторов цикла на языке ассемблера (продолжение). 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. Задачи на вычисление размера типа данных.
Слайды
Лекция 11
Битовые поля.
Соглашение о вызове функций cdecl, организация рекурсии.
Двоичный интерфейс приложения.
Инициализация окружения Си-программы. Функции _start и main.
Выравнивание границ фреймов.
Слайды
Лекция 12
Коллоквиум 1
Организация вызова функций стандартной библиотеки языка Си из ассемблерного кода.
Оптимизация и ABI: вызов функций без указателя фрейма.
Слайды
Лекция 13
Соглашения stdcall и fastcall.
Соглашение вызова функции в архитектуре x86-64, ключевые отличия от соглашения вызова IA-32.
Программные дефекты, перехват управления, эксплуатация ошибок (начало материала).
Слайды
Лекция 14
Программные дефекты, перехват управления, эксплуатация ошибок (окончание). Переполнение буфера и методы защиты от эксплуатации ошибок данного класса на этапах компиляции и выполнения.
Управление динамической памятью. Пропускная способность и эффективность расходования.
Внутренняя и внешняя фрагментация. Управление свободными блоками: неявный список.
Слайды
Лекция 15
Управление свободными блоками: явный список, раздельные списки.
Представление чисел с плавающей точкой. Стандарт IEEE 754. Нормализованные числа. Денормализованные и особые числа. Операции над числами с плавающей точкой. Округление чисел.
Слайды
Лекция 16
Сопроцессор FPU x87: аппаратный стек регистров, управляющий регистр, регистр состояния, регистр тегов.
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.
Слайды
Лекция 17
Числа с плавающей точкой в языке Си: передача в качестве параметров функции, возвращаемое значение.
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.
Слайды
Лекция 18
Обработка компоновщиком нескольких символов с одинаковыми именами: сильные и слабые символы.
Статические библиотеки, компоновка со статическими библиотеками.
Загрузка исполняемого файла в память.
Динамическая компоновка, разделяемые библиотеки.
Слайды
Лекция 19
Позиционно независимый код. Глобальная таблица смещений.
Ленивое связывание в динамической компоновке.
Организация аппаратного обеспечения компьютера. Логические вентили. Статическая память.
Слайды
Лекция 20
Динамическая память.
Технологии разработки и производства интегральных схем.
Закон Мура. Закон Гроша. Закон Белла. Классы вычислительных систем.
Расслоение оперативной памяти.
Энергонезависимая память.
Шины, их характеристики.
Слайды
Лекция 21
Блокировка шины памяти.
Примеры шин: фронтальная шина, PCI, USB, SATA, …
Устройство НЖМД: организация, емкость, временные характеристики доступа.
Организация ввода/вывода через пространство портов и через память.
Пример периферийного устройства: WatchDog.
Слайды
Лекция 22
Коллоквиум 2
Твердотельные диски.
Тенденции в развитии запоминающих устройств. Принципиальные ограничения в развитии электронной вычислительной техники: “Memory Wall” и “Power Wall”.
Локальность в программах.
Слайды
Лекция 23
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.
Конвейерная обработка команд. Приостановка и опустошение конвейера.
CISC и RISC архитектуры.
Слайды
Лекция 24
RISC-V – архитектура RISC-микропроцессоров с открытым исходным кодом.
Режимы работы современного процессора архитектуры Intel64/AMD64. 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