Системное программирование

Бакалавриат 2024/2025

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, Галкин Юрий Алексеевич, Колтаков Дмитрий Юрьевич, Мещеряков Ярослав Евгеньевич, Панасюк Евгений Владимирович, Смирнов Данил Вадимович

Язык: русский

Кредиты: 8

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 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)

Содержание учебной дисциплины

Введение в дисциплину "Системное программирование"
Основные этапы создания программы
Устройство процессора и программирование на ассемблере
Механизмы передачи данных между функциями
Устройство памяти компьютера
Введение в операционные системы (ОС). Операционные системы реального времени (ОСРВ)
Операционные системы реального времени (ОСРВ)
Операционные системы с разделением времени
Устройство памяти, процессов и потоков ОС
Системные механизмы и основы безопасности ОС
Диспетчеризация прерываний, подсистема ввода-вывода и файловые системы ОС
Подходы к синхронизации, межпроцессное взаимодействие и сетевая подсистема 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

Тест 1
Практическая работа 1
Практическая работа 2
Практическая работа 3
Практическая работа 4 (3.1)
Практическая работа 5 (3.2)
Практическая работа 6 (3.3)
Практическая работа 7 (3.4)
Практическая работа 8 (4.1)
Практическая работа 9 (4.2)
Практическая работа 10 (4.3)
Тест 2

Промежуточная аттестация

2024/2025 3rd module
0.17 * Практическая работа 2 + 0.07 * Практическая работа 6 (3.3) + 0.15 * Практическая работа 5 (3.2) + 0.06 * Тест 1 + 0.15 * Практическая работа 4 (3.1) + 0.17 * Практическая работа 1 + 0.16 * Практическая работа 3 + 0.07 * Практическая работа 7 (3.4)
2024/2025 4th module
0.3 * Практическая работа 9 (4.2) + 0.3 * Практическая работа 10 (4.3) + 0.1 * Тест 2 + 0.3 * Практическая работа 8 (4.1)

Список литературы

Авторы

Евсютин Олег Олегович
Мещеряков Ярослав Евгеньевич
Смирнов Данил Вадимович

Программа дисциплины