Архитектура компьютера и системное программирование

Бакалавриат 2025/2026

Статус: Курс обязательный (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, 1-4 модуль

Охват аудитории: для своего кампуса

Преподаватели: Абдуллаев Ариф Биннатович, Балескин Виталий Андреевич, Галкин Юрий Алексеевич, Мещеряков Ярослав Евгеньевич, Панасюк Евгений Владимирович, Смирнов Данил Вадимович

Язык: русский

Кредиты: 9

Контактные часы: 132

Дополнительные материалы в LMS Задать вопрос

Аннотация

Архитектура компьютера и системное программирование является областью знаний о цифровых электронных блоках компьютера (включая схемы с комбинационной и последовательной логикой), а также об архитектуре компьютера и разработке системного программного обеспечения (например, 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
Умеет организовывать программные проекты с помощью системы сборки cmake.
Знает классификацию ПО (системное и прикладное)
Знает устройство основных компонентов вычислительных систем различных архитектур (фон Неймана и Гарвардской)
Знает основы машинного представления программ (ассемблер) и данных в памяти компьютера
Знает особенности сегментного и страничного устройства памяти
Знает назначение и таксономию операционных систем
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

Введение в цифровую схемотехнику, архитектуру компьютера и системное программирование
Комбинационная логика, введение в цифровые схемы и языки описания аппаратуры
Арифметические операции
Последовательная логика и матрицы логических элементов
Полупроводниковая память
Основные последовательные коммуникационные интерфейсы
Микроархитектура и архитектура процессора
Устройство процессора и программирование на ассемблере
Режимы работы процессора, устройство памяти компьютера и программные процессоры
Устройства ввода-вывода
Архитектура программного обеспечения и основные этапы трансляции программы на примере языка C
Многозадачность, многопоточность и планирование задач
Введение в операционные системы (ОС). Операционные системы реального времени (ОСРВ)
Операционные системы с разделением времени
Устройство памяти, процессов и потоков ОС
Диспетчеризация прерываний, подсистема ввода-вывода и файловые системы ОС
Подходы к синхронизации, межпроцессное взаимодействие и сетевая подсистема ОС
Системные механизмы и основы безопасности ОС
Основы виртуализации и контейнеризации
Архитектура контейнерных сред
Архитектура систем контейнерной оркестрации
Механизмы планирования систем контейнерной оркестрации
Механизмы обеспечения безопасности систем контейнерной оркестрации
Дополнительные главы архитектуры систем контейнерной оркестрации

Элементы контроля

Практическая работа 1.1
Практическая работа 1.2
Практическая работа 1.3
Практическая работа 2.1
Практическая работа 2.2
Практическая работа 2.3
Экзамен
Практическая работа 3.1
Практическая работа 3.2
Практическая работа 3.3
Практическая работа 3.4
Практическая работа 4.1
Практическая работа 4.2
Практическая работа 4.3
Практическая работа 4.4
Экзамен

Промежуточная аттестация

2025/2026 2nd module
0.13 * Практическая работа 1.1 + 0.13 * Практическая работа 1.2 + 0.13 * Практическая работа 1.3 + 0.13 * Практическая работа 2.1 + 0.13 * Практическая работа 2.2 + 0.13 * Практическая работа 2.3 + 0.22 * Экзамен
2025/2026 4th module
0.15 * Практическая работа 3.1 + 0.15 * Практическая работа 3.2 + 0.05 * Практическая работа 3.3 + 0.05 * Практическая работа 3.4 + 0.05 * Практическая работа 4.1 + 0.05 * Практическая работа 4.2 + 0.15 * Практическая работа 4.3 + 0.15 * Практическая работа 4.4 + 0.2 * Экзамен

Список литературы

Авторы

Смирнов Данил Вадимович
Евсютин Олег Олегович
Мещеряков Ярослав Евгеньевич

Программа дисциплины