Бакалавриат 2023/2024

Системное программирование

Статус: Курс обязательный (Информационная безопасность)

Направление: 10.03.01. Информационная безопасность

Кто читает: Кафедра информационной безопасности киберфизических систем

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 3-й курс, 2-4 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Охват аудитории: для своего кампуса

Преподаватели: Балескин Виталий Андреевич, Колтаков Дмитрий Юрьевич, Мещеряков Ярослав Евгеньевич, Морозов Владимир Игоревич, Смирнов Данил Вадимович

Язык: русский

Кредиты: 7

Контактные часы: 90

Программа дисциплины

Аннотация

Системное программирование является областью знаний об архитектуре и разработке системного программного обеспечения, включая загрузчики, трансляторы программ, операционные системы, средства контейнерной оркестрации и т.д. В данной дисциплине рассматриваются таксономии программ и языков программирования, а также устройство основных компонентов вычислительных систем (аппаратные и программные) различных архитектур (архитектуры фон Неймана и Гарвардская). В ходе изучения дисциплины студенты познакомятся с машинным представлением программ (ассемблер) и данных и аспектами трансляции программ. Особое место в дисциплине занимает внутреннее устройство операционных систем: объекты и файловые системы, представление памяти, процессы и потоки, прерывания и подсистема ввода-вывода, средства межпроцессного взаимодействия и синхронизации, а также механизмы конфигурации. Также в курсе представлены основы архитектуры контейнерной оркестрации: подход «Infrastructure-as-a-Code» (IaC), интерфейсы и среды выполнения контейнеров, изоляция, планирование и балансировка нагрузки между приложениями. При обучении предусмотрен контроль знаний студентов в виде практических работ и учета активности студентов на семинарах.

Цель освоения дисциплины

• Ознакомление с внутренним устройством основных компонентов вычислительных систем
• Ознакомление с машинным представлением программ и аспектами трансляции программ
• Ознакомление с внутренним устройством операционных систем
• Ознакомление с принципами разработки многопоточных и асинхронных программ с множественным доступом к разделяемым ресурсам и сетевым взаимодействием
• Ознакомление с основами архитектуры систем контейнерной оркестрации
• Формирование навыков разработки системного программного обеспечения
• Формирования навыков обратной разработки и отладки программ на уровне машинного представления

Планируемые результаты обучения

• Знает режимы работы процессора, в том числе, в защищённом режиме.
• Знает классификацию языков программирования
• Знает системные возможности BIOS для организации ввода/вывода
• Иметь представление в области разработки программного обеспечения для киберфизических систем, архитектуре многопоточных программ, параллельных алгоритмах, процессах и потоках, множественному доступу к разделяемым ресурсам, архитектуре многопоточной программы
• Иметь представление в области разработки программного обеспечения для киберфизических систем, реализации языков программирования, методы работы с интерактивным дизассемблером и специализированным программным обеспечением для изучения работы исполняемых файлов
• Иметь представление в области разработки программного обеспечения для киберфизических систем, реализации языков программирования, общую характеристику языков ассемблера: назначение, принципы построения и использования; структура языка
• Иметь представления об: инструментах создания параллельных программ; основные типы ошибок и проблем в параллельных программах; инструменты отладки параллельных программ. Изучить: инструменты создания и отладки многопоточных программ
• Студент должен по результатам обучения создавать эффективные параллельные программы; находить и исправлять ошибки и проблемы в многопоточных программах.
• Умеет организовывать программные проекты с помощью системы сборки cmake.
• Знает классификацию ПО (системное и прикладное)
• Знает классификацию языков программирования (компилируемые, интерпретируемые)
• Знает основы трансляции программ и основные типы трансляторов (компиляторы, интерпретаторы, виртуальные машины)
• Знает устройство основных компонентов вычислительных систем различных архитектур (фон Неймана и Гарвардской)
• Знает основы машинного представления программ (ассемблер) и данных в памяти компьютера
• Знает механизмы вызова подпрограмм и передачи аргументов в функции (соглашения о вызовах)
• Знает особенности сегментного и страничного устройства памяти
• Знает назначение и таксономию операционных систем
• Знает основы архитектуры операционных систем реального времени
• Знает основы архитектуры операционных систем с разделением времени
• Знает устройство памяти, процессов и потоков ОС
• Знает устройство объектов ОС и виртуальной файловой системы
• Знает основы диспетчеризации прерываний, устройство подсистемы ввода-вывода и основных файловых систем
• Знает механизмы конфигурации ОС
• Знает основы виртуализации и контейнеризации
• Знает основы архитектуры контейнерных сред
• Знает основы архитектуры систем контейнерной оркестрации
• Знает механизмы планирования систем контейнерной оркестрации
• Знает механизмы обеспечения безопасности систем контейнерной оркестрации
• Знает лучшие практики по внедрению и эксплуатации систем контейнерной оркестрации
• Умеет развертывать и настраивать операционные системы и отдельные подсистемы
• Умеет разрабатывать системные программы на языках Ассемблер/C/Rust с использованием низкоуровневых API операционных систем или аппаратных модулей
• Умеет проводить обратную разработку и отладку программ на уровне машинного представления (ассемблер)
• Умеет проводить анализ слепков оперативной памяти различных операционных систем
• Умеет развертывать и настраивать системы контейнерной оркестрации
• Знает принципы разработки многопоточных и асинхронных программ с множественным доступом к разделяемым ресурсам и сетевым взаимодействием
• Умеет разрабатывать многопоточные и асинхронные программы на языках C/Rust с множественным доступом к разделяемым ресурсам и сетевым взаимодействием (мультиплексирование ввода-вывода)
• Знает основные отличия аналоговой и цифровой схемотехники
• Знает основные термины и определения цифровой схемотехники
• Знает основные схемы, обозначения, таблицы истинности и временные диаграммы
• Знает основы булевой алгебры
• Знает основные полупроводниковые элементы: диоды, транзисторы (МОП), а также передаточные характеристики
• Знает основные комбинационные блоки
• Знает назначение языков описания аппаратуры в части симуляции и синтеза цифровых схем
• Умеет работать со средой моделирования
• Знает особенности представления данных в цифровых блоках
• Знает основные арифметические схемы
• Знает основные функциональные узлы последовательной логики
• Знает устройство защелок и триггеров
• Знает особенности построения последовательных схем
• Знает устройство конечных автоматов (автоматы Мура и Мили)
• Знает устройство регистров различных типов
• Знает схемотехнику матриц (PLM, FPGA): логические элементы (LE) и таблицы преобразования (LUT)
• Знает основные запоминающие элементы
• Знает иерархию памяти
• Знает аппаратную организацию прерываний
• Знает основные последовательные интерфейсы передачи данных (UART/USART, SPI, I2C)
• Знает системные шины данных (AMBA, USB, SATA, PCI/PCI-E)
• Знает основы технологий построения проводных (Ethernet) и беспроводных (Wi-Fi) сетей
• Знает основы технологий проектирования и производства печатных плат
• Знает особенности микроархитектуры процессора (конвейеры, порядок исполнения)
• Знает основные типы архитектур: фон Неймана (Принстонская) и Гарвардская
• Знает основные типы архитектур по набору команд: RISC, CISC, MIPS, VLIW
• Знает особенности устройства программных процессоров
• Знает устройство памяти компьютера
• Знает системные возможности UEFI для организации ввода/вывода
• Знает особенности размещения устройств на материнской плате

Содержание учебной дисциплины

• Средства синхронизации и взаимодействия в многопоточных программах
• Средства межпроцессного взаимодействия
• Низкоуровневые языки программирования
• Многопоточное программирование
• Дизассемблирование программ

Элементы контроля

• Семинарские занятия
  Семинарские занятия предназначены для изучения тем курса "Системное программирование". Формат проведения: учебный материал выдает преподаватель; учебный материал выдает учащийся. Если материал выдает учащийся, тогда он заранее готовит тему, согласованную с преподавателем. В случе успешного выступления студент получает дополнительные баллы. Весовой коэффициент составляет - 0.1 при расчете итоговой оценки
• Практические занятия
  Практические работы предназначены для выработки и закреплении первоначальных умении
• Самостоятельные / индивидуальные задания
  Самостоятельные и индивидуальные задания выдаются студентам по желанию для повышения оценки

Промежуточная аттестация

• 2023/2024 учебный год 3 модуль
  Практические работы * 0.7 + семинарские занятия * 0.1 + индивидуальные и самостоятельные работы * 0.2
• 2023/2024 учебный год 4 модуль
  0.7 * Практические занятия + 0.2 * Самостоятельные / индивидуальные задания + 0.1 * Семинарские занятия

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

• Аблязов, Р. З. Программирование на ассемблере на платформе x86-64 / Р. З. Аблязов. — Москва : ДМК Пресс, 2011. — 304 с. — ISBN 978-5-94074-676-8. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/1273 (дата обращения: 00.00.0000). — Режим доступа: для авториз. пользователей.
• Архитектура компьютера 6-е изд. - 978-5-4461-1103-9 - Таненбаум Э., Остин Т. - 2020 - Санкт-Петербург: Питер - https://ibooks.ru/bookshelf/361850 - 361850 - iBOOKS
• Архитектура компьютера, Таненбаум, Э., 2014
• Ассемблер — это просто. Учимся программировать. 2 изд. - 978-5-9775-0591-8 - Калашников О. - 2014 - Санкт-Петербург: БХВ-Петербург - https://ibooks.ru/bookshelf/22669 - 22669 - iBOOKS

Рекомендуемая дополнительная литература

• Язык Ассемблера для процессоров Intel, Ирвин, Кип Р., 2005

Авторы

• Смирнов Данил Вадимович
• Мещеряков Ярослав Евгеньевич