Celem przedmiotu jest wprowadzenie słuchaczy do budowy i zasad działania komputerów z punktu widzenia programisty. Studenci nabędą wiedzy z zakresu programowania niskopoziomowego. Głównym celem przedmiotu jest przekazanie wiedzy na temat:
* reprezentacji programów i danych na dysku i w pamięci komputera,
* wpływu architektury komputera na wydajność aplikacji,
* mechanizmów sprzętowych używanych do implementacji systemów operacyjnych,
* jak unikać pisania programów podatnych na ataki.
##### Program
1. Reprezentacja danych
* reprezentacja danych w pamięci komputera
* arytmetyka na liczbach binarnych w systemie uzupełnień do dwóch
* arytmetyka na liczbach zmiennopozycyjnych standardu IEEE754
* problemy wynikające z ograniczeń reprezentacji maszynowych typów numerycznych
2. Programowanie niskopoziomowe
* translacja konstrukcji języka C do asemblera procesorów x86-64 (wyrażenia, instrukcje sterujące, typy rekordowe i tablicowe)
* konwencja wołania procedur i organizacja stosu wywołań (ABI)
3. Konsolidacja i ładowanie
* proces kompilacji, konsolidacji i ładowania programów (sekcje, relokacje, układ pamięci)
* reprezentacja programów – format plików ELF
* biblioteki i konsolidator dynamiczny (ld.so)
4. Podatności programów na ataki
* błąd przepełnienia stosu
* wykorzystywanie podatności (wstrzykiwanie kodu, programowanie zorientowane na powroty)
* sprzętowe i programowe techniki zapobiegania podatnościom
5. Pamięć podręczna
* hierarchia pamięci i lokalność dostępów
* organizacja pamięci podręcznej (zbiór, blok, znacznik, bity dodatkowe)
* polityka wymiany bloków (LRU)
* polityka zapisu (write-back, write-through)
* analiza i optymalizacja programów pod kątem lokalności dostępów
6. Translacja adresów i pamięć wirtualna
* motywacja: zarządzanie pamięcią, izolacja, leniwe sprowadzanie danych
* przestrzeń adresowa i mechanizm translacji adresów
* zbiór roboczy i rezydentny, błąd strony
* hierarchiczna reprezentacja tablicy stron
* przyspieszanie procesu translacji dzięki TLB
* przełączanie przestrzeni adresowych
* problemy na styku translacji adresów i pamięci podręcznej (homonimy i synonimy)
7. Wpływ mikroarchitektury procesora na wydajność programów
* przetwarzanie superskalarne (procesory Out-of-Order, spekulacja)
* modelowanie obliczeń grafem przepływu danych
* przewidywanie skoków
##### Zajęcia
Zajęcia do przedmiotu będą prowadzone w postaci ćwiczeń z deklaracjami.
Na pracowniach programistycznych pojawią się:
* programowanie w asemblerze x86-64
* znajdowanie błędów w programach z użyciem [gdb](https://www.gnu.org/software/gdb/)
* przeprowadzanie ataków na podatne oprogramowanie
* optymalizacja programów w języku C
