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, Колтаков Дмитрий Юрьевич, Мещеряков Ярослав Евгеньевич, Смирнов Данил Вадимович

Язык: русский

Кредиты: 8

Полная версия программы учебной дисциплины Задать вопрос

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

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. Объекты и виртуальные файловые системы ОС
Устройство памяти, процессов и потоков ОС
Системные механизмы ОС
Диспетчеризация прерываний, подсистема ввода-вывода и файловые системы ОС
Подходы к разработке многопоточных и асинхронных программ, 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 1 + 0.17 * Практическая работа 2 + 0.16 * Практическая работа 3 + 0.15 * Практическая работа 4 (3.1) + 0.15 * Практическая работа 5 (3.2) + 0.07 * Практическая работа 6 (3.3) + 0.07 * Практическая работа 7 (3.4) + 0.06 * Тест 1
2024/2025 4th module
0.3 * Практическая работа 10 (4.3) + 0.3 * Практическая работа 8 (4.1) + 0.3 * Практическая работа 9 (4.2) + 0.1 * Тест 2

Список литературы

Авторы

Мещеряков Ярослав Евгеньевич
Евсютин Олег Олегович
Смирнов Данил Вадимович

Программа дисциплины