版本 ade237cf2708aee881398b0fc6f6511372d99104
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title: 系統軟體課程進度與開放資源
categories: system programming, linux, performance, security, compiler, kernel
toc: no
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- Instructor: [Jim Huang](/User/jserv) (黃敬群) `<jserv.tw@gmail.com>`
* [Facebook 粉絲專頁](https://www.facebook.com/JservFans) (不要擔心提了笨問題，這專門用來和學生互動，可預約一對一討論)
- 討論區: [https://www.facebook.com/groups/system.software2019/](https://www.facebook.com/groups/system.software2019/)
- 課程信箱: `<embedded.master2015@gmail.com>`, [往年課程進度](/sysprog/schedule-old)
進階電腦系統理論與實作 (Fall 2019)
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* 第 1 週 (Sep 12): 誠實面對自己
- [課程簡介和注意須知](https://docs.google.com/presentation/d/1Wo22s5aYuuyry97-z2MMmUmdxhjD0wKTdhxIW5oqjvo/edit?usp=sharing)
* [完整解說錄影](https://youtu.be/KaQvUumu81c) (3 小時)
* 每週均安排隨堂測驗，採計其中最高分的 8 次
* 學期評分方式: 隨堂測驗 (25%) + 個人作業 (25%) + 分組報告及專題 (25%) + 自我評分 (25%)
- 歷屆修課學生心得: [張家榮](/User/JaredCJR), [陳品睿](/User/ggary9424), [蕭奕凱](/User/Veck)
- 分組報告示範: [ARM-Linux](/embedded/arm-linux), [Xvisor](/embedded/xvisor)
- [GNU/Linux 開發工具共筆](https://hackmd.io/c/rJKbX1pFZ): 務必 *自主* 學習 Linux 操作, Git, HackMD, LaTeX 語法 (特別是數學式), GNU make, perf, gnuplot
- [透過 Computer Systems: A Programmer’s Perspective 學習系統軟體](https://hackmd.io/c/S1vGugaDQ): 本學期教科書 (第 2 週可向助教購書)
- [軟體缺失導致的危害](https://hackmd.io/@sysprog/B1eo44C1-)
* 1970 年代推出的首款廣體民航客機波音 747 軟體由大約 40 萬行程式碼構成，而 2011 年引進的波音 787 的軟體規模則是波音 747 的 16 倍，約 650 萬行程式碼。換言之，你我的性命緊繫於一系列極為複雜的軟體系統之中，能不花點時間了解嗎？
* 軟體開發的安全性設計和測試驗證應獲得更高的重視
- [解讀計算機編碼](https://hackmd.io/@sysprog/rylUqXLsm)
* 人們對數學的加減運算可輕易在腦中辨識符號並理解其結果，但電腦做任何事都受限於實體資料儲存及操作方式，換言之，電腦硬體實際只認得 0 和 1，卻不知道符號 + 和 - 在數學及應用場域的意義，於是工程人員引入「補數」以表達人們認知上的正負數
* 您有沒有想過，為何「二補數」(2’s complement) 被電腦廣泛採用呢？背後的設計考量是什麼？本文嘗試從數學觀點去解讀編碼背後的原理
- [圖解傅立葉分析](https://hackmd.io/@sysprog/S1M6kQgiZ)
* 傅立葉 (Fourier) 分析不僅是個數學工具，更是種徹底顛覆一個人以前世界觀的思維模式
* 不幸的是，傅立葉分析的公式看起來太復雜，以至於很多人囫圇吞棗，並從此對它深惡痛絕
* 本文在不需要特別熟悉數學工具的狀況下，讓讀者體會到藉由傅立葉分析看到世界的另一個樣貌
- [Bit-wise operations](https://hackmd.io/s/By0MltO_m) / [bit-wise 的應用](https://hackmd.io/s/ByzoiggIb)
- [bit-field](https://hackmd.io/s/SJ8y82ZYQ)
* [為什麼要深入學習 C 語言？](https://hackmd.io/s/HJFyt37Mx)
- C 語言發明者 Dennis M. Ritchie 說：「C 很彆扭又缺陷重重，卻異常成功。固然有歷史的巧合推波助瀾，可也的確是因為它能滿足於系統軟體實作的程式語言期待：既有相當的效率來取代組合語言，又可充分達到抽象且流暢，能用於描述在多樣環境的演算法。」
* [C 語言：記憶體管理、對齊及硬體特性](https://hackmd.io/s/BkuMDQ9K7)
* 搭配閱讀: [The Lost Art of Structure Packing](http://www.catb.org/esr/structure-packing/)
* [C 語言: 數值系統](https://hackmd.io/s/BkRKhQGae)
* [基於 C 語言標準研究與系統程式安全議題](https://hackmd.io/s/S15o_K3cQ)
- 藉由研讀漏洞程式碼及 C 語言標準，討論系統程式的安全議題
- 透過除錯器追蹤程式碼實際運行的狀況，了解其運作原理;
- 取材自 dangling pointer, CWE-416 Use After Free, CVE-2017-16943 以及 integer overflow 的議題;
* [C 語言: 指標](https://hackmd.io/s/HyBPr9WGl)
- 解讀 C 語言規格書的 “object”
- 重讀 “type” 的定義，並且理解 incomplete type 的意義
- 三位一體: Array, function, pointer types: 都歸類於 derived declarator types
- `void *` 的設計考量
- C-style string
- [What comes after Moore’s Law?](https://enterprisersproject.com/article/2018/9/what-comes-after-moores-law): 隨著 Moore’s Law 時代的結束, 通用化硬體效能不再如以往快速進步, 因此軟硬體也必須因應如此的變化, 這篇點出 4 個面向:
* [Ephemeral](https://www.dictionary.com/browse/ephemeral) applications (短暫的軟體): 這點是以企業軟體來談，許多組織的觀點認為軟體壽命比運作其的硬體來得長久。在許多大企業依然如此，然而後續將大量導入 mobile, web, analytics 與其他軟體，更趨向快速轉變以符合客戶與市場所需;
* New workloads, such as machine learning: 呼應諸多計算架構大師所說的 Domain-Specific Architecture (DSA);
* Cloud platforms: 對於雲端應用而言，使用者不會在意它是在哪種處理器與加速器上運作的;
* Open source software: 主要在於特定的軟體開發商因人力與成本而減少支援硬體的範圍，開放原始碼軟體這時能夠作為考慮方案。儘管無法消弭對硬體的相依性，但不像軟體開發商對硬體平台支援或不支援的要求;
- [The Era of General Purpose Computers is Ending](https://www.nextplatform.com/2019/02/05/the-era-of-general-purpose-computers-is-ending/): 過往是研究員和從業者就設計瓶頸與發熱問題來說明困境，這篇則由製程發展與已發生的現象，討論以下變遷:
* 能追上最先進製程的晶圓廠商越來越少
* [TOP 500](https://www.top500.org/) 中使用特殊晶片比例不斷上升
* 特殊化處理器各方面變得更為經濟實惠
- [課程基本資料表單](https://forms.gle/8ix6EpskfjLH4qbR9): **務必填寫，以接收課程資訊**
- Week1 隨堂測驗: [題目](https://hackmd.io/@sysprog/HksKVpUIr)/[作答表單](https://forms.gle/zJ54J1HLJZRkBN8u9)
- [作業](https://hackmd.io/@sysprog/HJvjIvDIr)
* [review](https://hackmd.io/@sysprog/rJM4SPw8S)
* 第 2 週 (Sep 19): 課堂測驗
- 測驗時間: 15:10-18:10
- 可翻閱書籍和 Google 搜尋，但在測驗期間，禁止任何形式的討論。
- 作答以「紙筆」進行，請同學們記得攜帶文具。
- [測驗題目](https://hackmd.io/@sysprog/B1cWzRaLB)
- [作業](https://hackmd.io/@sysprog/BkZ4h5xPB)
* [lab0](https://hackmd.io/@sysprog/HyFQpqgPB), [quiz2](https://hackmd.io/@sysprog/rJn1C5xDS)
* 第 3 週 (Sep 26): C 語言程式設計
- [以位元駕馭能量](https://hackmd.io/s/rk2RO0cYX)
- [C 語言: linked list 和非連續記憶體操作](https://hackmd.io/@sysprog/SkE33UTHf) / [對 Linked List 進行氣泡排序](https://hackmd.io/s/BklGm1MhZ)
- [Count Leading Zero (clz) 的實作](https://hackmd.io/s/Skq6P9bpz)
* [clz 應用](https://hackmd.io/s/Bk-uxCYxz), [clz 分析](https://hackmd.io/s/Hyl9-PrjW)
* [C 語言: 函式呼叫](https://hackmd.io/s/SJ6hRj-zg)
* [C 語言: 遞迴呼叫](https://hackmd.io/s/rJ8BOjGGl)
* [C 語言: 前置處理器應用](https://hackmd.io/s/S1maxCXMl)
* [C 語言: goto 和流程控制](https://hackmd.io/s/B1e2AUZeM)
* [C語言：技巧篇](https://hackmd.io/@sysprog/HyIdoLnjl)
* Week3 隨堂測驗:
- [題目(上)](https://hackmd.io/@sysprog/ByEP8muwr) / [作答表單](https://docs.google.com/forms/d/e/1FAIpQLSciAcG9dJwldW_5fFj8O_l0J9vjiu7nsBLt5W5SkknfXPp9kA/viewform?usp=sf_link)
- [題目(下)](https://hackmd.io/@sysprog/ryu20CKvB) / [作答表單](https://forms.gle/bATLWyPoa6yThs2R9)
* [作業](https://hackmd.io/@sysprog/BJCG-HGdS)
- [list](https://hackmd.io/@sysprog/rJMNq4zuH), [quiz3](https://hackmd.io/@sysprog/rkw4SBMuH)
* 第 4 週 (Oct 3): code review
* 公告
- 10 月 10 日 15:10-23:10 安排在家測驗，請留意助教的信件通知以得知進行方式;
- 10 月 17 日安排課堂 code review，請及早更新 [Homework 3](https://hackmd.io/@sysprog/BJCG-HGdS) / [Homework 4](https://hackmd.io/@sysprog/Bkb5cDMuH) 共筆和程式碼;
- [回顧 Homework 1 / 2](https://hackmd.io/@sysprog/HJlug8GOS)
* [CS:APP 第 2 章重點提示和練習](https://hackmd.io/s/rJoxSsiuG)
* [作業](https://hackmd.io/@sysprog/Bkb5cDMuH)
- [compute-pi](https://hackmd.io/@sysprog/H1U778MOH), [quiz4](https://hackmd.io/@sysprog/HkiTiPzdr)
* Week 4 隨堂測驗:
- [題目](https://hackmd.io/@sysprog/B1keOS-dB) / [作答表單](https://forms.gle/uZP7nPpyNMHhda8d6)
* 第 5 週 (Oct 10): 停課一次，在家測驗
* [題目](https://hackmd.io/@sysprog/BJvfgm2_B) / [作答表單](https://forms.gle/hjHiqqYspQZbWY1T7) (測驗時間 15:00 - 23:50 Oct 10)
* 第 6 週 (Oct 17): Code Review
* [Making C Less Dangerous in the Linux Kernel](https://outflux.net/slides/2019/lca/danger.pdf) / [錄影](https://www.youtube.com/watch?v=FY9SbqTO5GQ)
- Linux 核心中各式 C 語言程式設計的安全和正確議題
- Variable Length Arrays are bad and slow
- Explicit switch case fall-through
- Always-initialized automatic variables
- Arithmetic overflow detection
- Hope for bounds checking
- Control Flow Integrity: forward edges
- Control Flow Integrity: backward edges
- 也提供了 gcc/clang 相關的編譯參數
- [解說1](https://news.ycombinator.com/item?id=19006025), [解說2](https://www.reddit.com/r/linux/comments/ajztr3/making_c_less_dangerous_in_the_linux_kernel_by/)
- [回顧 Homework 1 / 2](https://hackmd.io/@sysprog/HJlug8GOS)
* [回顧 Homework 3 / 4](https://hackmd.io/@sysprog/Sy4WU9HFH)
* 第 7 週 (Oct 24): 機器內部表示法
* [CS:APP 第 2 章重點提示和練習](https://hackmd.io/s/rJoxSsiuG)
* [CS:APP 第 3 章重點提示和練習](https://hackmd.io/s/HJDRfVCFG)
* [從餘數運算到 RSA 加密演算](https://hackmd.io/s/SyBXfc8i7)
* [隱藏在字典裡的數學](https://hackmd.io/@sysprog/BkE3uSvdN)
* [回顧 Homework 3 / 4](https://hackmd.io/@sysprog/Sy4WU9HFH)
* [C 語言: 未定義行為](https://hackmd.io/s/Skr9vGiQm): C 語言最初為了開發 UNIX 和系統軟體而生，本質是低階的程式語言，在語言規範層級存在 undefined behavior，可允許編譯器引入更多最佳化
* [C 語言: 編譯器和最佳化原理](https://hackmd.io/s/Hy72937Me)
* [C 語言: 連結器與程式行為](https://hackmd.io/s/SysiUkgUV)
* [C 語言: 動態連結器](https://hackmd.io/s/HkK7Uf4Ml)
* [C 語言: 執行階段程式庫 (CRT)](https://hackmd.io/s/Hkcr5cn97)
* [C 編譯器原理和案例分析](https://hackmd.io/s/H1ZzeiCIQ)
* [C 語言: Stream I/O, EOF 和例外處理](https://hackmd.io/s/Sy8pJ0x9G)
* [作業](https://hackmd.io/@sysprog/rkw3RV0YS)
- [dict](https://hackmd.io/@sysprog/S1Nn_ECYS), [quiz5](https://hackmd.io/@sysprog/HkXxerRFS), [quiz7](https://hackmd.io/@sysprog/Hy3zZSAtH)
* Week 7 隨堂測驗:
- [題目](https://hackmd.io/@sysprog/BkavHnFFS) / [作答表單](https://forms.gle/6peGUaUcEtT48FD16)
* 第 8 週 (Oct 31): 程式碼最佳化
* [Snap: a Microkernel Approach to Host Networking](https://ai.google/research/pubs/pub48630/)
- 來自 Google 的研究成果，發佈於 [SOSP 2019](https://sosp19.rcs.uwaterloo.ca/) / [Hacker News 討論](https://news.ycombinator.com/item?id=21374204)
- Google's user land networking system achieves "over 3x Gbps/core improvement for RPC workloads, RDMA-like perf of up to 5M IOPS/- core."
- [淺談 Microkernel 設計和真實世界中的應用](https://hackmd.io/@sysprog/SJ55y7fR)
* 為何你要掌握數學？即使 Linux 核心內部也大量可見:
- [從 CPU cache coherence 談 Linux spinlock 可擴展能力議題](https://hackmd.io/@sysprog/BJ8djgdnm)
- [Linux 核心設計: 淺談同步機制](https://hackmd.io/s/SJpp-bN0m)
- [Linux 核心設計: 多核處理器和 spinlock](https://hackmd.io/s/rJbXgzz-4)
- [Linux 核心設計: Scalability 議題](https://hackmd.io/@sysprog/HkfDtLnbH)
- [Reed-Solomon Library Programming Interface](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Documentation/core-api/librs.rst): Flash ECC
- [MTD NAND Driver Programming Interface](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Documentation/driver-api/mtdnand.rst): ECC, 參見 [錯誤更正碼簡介](https://w3.math.sinica.edu.tw/math_media/d184/18404.pdf) / [抽象代數的實務應用](http://bit.ly/abstract-algebra)
* [CS:APP 第 5 章重點提示和練習](https://hackmd.io/s/SyL8m4Lnm)
* [CS:APP 第 4 章重點提示](https://hackmd.io/s/ByKFm4CFz)
* [回顧 Homework 3 / 4](https://hackmd.io/@sysprog/Sy4WU9HFH)
* Week 8 隨堂測驗:
- [題目](https://hackmd.io/@sysprog/Skz51Kv5B) / [作答表單](https://forms.gle/31iLE35675JDCses5)
* 第 9 週 (Nov 7): Computer Architecture
* 人工智慧涉及大量運算，和底層計算機結構及數值表示法高度相關: [Making floating point math highly efficient for AI hardware](https://code.fb.com/ai-research/floating-point-math/), [bfloat16 floating-point format](https://en.wikipedia.org/wiki/Bfloat16_floating-point_format)
* [CS:APP 第 4 章重點提示和練習](https://hackmd.io/s/ByKFm4CFz)
* [CS:APP 第 5 章重點提示和練習](https://hackmd.io/s/SyL8m4Lnm)
* Week 9 隨堂測驗:
- [題目](https://hackmd.io/@sysprog/B10_EnxoS) / [作答表單](https://forms.gle/CkPAiVtcPBc8SDUL6)
* 第 10 週 (Nov 14): Memory Hierarchy
* [CS:APP 第 6 章重點提示](https://hackmd.io/s/H1vQ3vu2z)
* [Linux: 賦予應用程式生命的系統呼叫](https://hackmd.io/s/HyNbWoD1V)
* [Linux: 記憶體管理](https://hackmd.io/s/rJBXOchtE)
* 第 11 週 (Nov 21): Virtual Memory
* 佳句偶得：「寫程式就可以讓機器做事，當你會使用機器的時候，你就不用把人當機器用。但學校偏偏是個把學生訓練成機器的地方。」([出處](https://twitter.com/zonble/status/1170927028305944576))
* 最佳化來自對系統的掌握
- [Clang-format tanks performance](https://travisdowns.github.io/blog/2019/11/19/toupper.html)
* Slow:
```C
#include <algorithm>
#include <ctype.h>
```
* Fast:
```C
#include <ctype.h>
#include <algorithm>
```
- [Performance speed limits](https://travisdowns.github.io/blog/2019/06/11/speed-limits.html)
- [Beating up on qsort](https://travisdowns.github.io/blog/2019/05/22/sorting.html)
* [CS:APP 第 9 章重點提示](https://hackmd.io/s/SkCLi8YgN)
* Week 11 隨堂測驗:
- [題目](https://hackmd.io/@sysprog/Hymc9MmhS) / [作答表單](https://forms.gle/uf6nTe4VzkLbcVMaA)
* [分組表](https://hackmd.io/@sysprog/B1sHrRQhr): 請在 12 月 3 日前執行選定的任務
* 第 12 週 (Nov 28): 記憶體管理
- 確認 [分組表](https://hackmd.io/@sysprog/B1sHrRQhr)
- [The golden age of ever-changing computer architecture](https://hackaday.com/2019/11/27/the-golden-age-of-ever-changing-computer-architecture/)
* 李飛飛教授的 TED 演說 [How we teach computers to understand pictures](https://www.youtube.com/watch?v=40riCqvRoMs)
- [ImageNet: A Large-Scale Hierarchical Image Database](http://www.image-net.org/papers/imagenet_cvpr09.pdf)
- [Now anyone can train Imagenet in 18 minutes](https://www.fast.ai/2018/08/10/fastai-diu-imagenet/)
* [CS:APP 第 9 章重點提示](https://hackmd.io/s/SkCLi8YgN)
* 第 13 週 (Dec 5): 重新探討 Process
* [5G 晶片大廠新品對決](https://tw.appledaily.com/new/realtime/20191204/1672429)
- 有好規格就有話語權
- 「高通推出最新旗艦款處理器 S865 晶片需外掛數據晶片，整套開出 120-150 美元，符合市場價格，但今年特別的是，針對中高階的 5G 單晶片，聯發科天璣 1000採用台積電 7 奈米製程，以無敵貴的 75 美元至 80 美元，硬是比高通 5G S765 70 美元還來的高」
* [Linux: 不僅是個執行單元的 Process](https://hackmd.io/@sysprog/r1ojuBGgE)
* [Linux: 不只挑選任務的排程器](https://hackmd.io/@sysprog/rJbcHS5LE)
* [UNIX 作業系統裡頭 fork/exec 的前世今生](https://hackmd.io/@sysprog/SJMxX4cUB)
- [Creating new processes with fork()](https://youtu.be/ss1-REMJ9GA)
- [Bash fork bomb](https://kerneltalks.com/scripts/bash-fork-bomb-how-it-works/)
* [Malloc Bootcamp](http://www.cs.cmu.edu/~213/activities/mallocbootcamp-f19.pdf)
* Week 13 隨堂測驗:
- [題目](https://hackmd.io/@sysprog/B1k4cfU6S) / [作答表單](https://forms.gle/9zcWKa1uaPL6ZPBr7)
* 第 14 週 (Dec 12): Memory Hierarchy
* 第 14 週 (Dec 12): 數學基礎 + 分組報告重點提示
* 2018 年 11 月 16 日新版國際單位制通過，新的公斤定義將改以物理學的普朗克常數為標準 (WTF?!)
* 世界上所有的測量結果都可以追溯到「國際單位制」(Système International d'Unités；SI Units)
* 國際單位制以七個基本單位為基礎，並由此推導出各種可相互換算的測量單位。多年來，測量的定義 —— 安培(ampere)、燭光(candela)、克耳文(kelvin)、公斤(kilogram)、公尺(meter)、莫耳(mole)以及秒(second) —— 都已重新定義
* 質量測量的標準源於存放在法國巴黎近郊國際度量衡局的單一物件 —— 國際公斤原器 (IPK)，自 1884 年被鑄造成為公斤的標準以來一直存放在此，[有什麼問題呢？](https://www.eettaiwan.com/news/article/20181123NT01-The-Kilogram-Has-a-New-Definition)
- 根據近年的量測顯示，IPK 重量已減少約 50 微克
- 經過全球國家度量機構數十年的討論和研究，決定捨棄實體的 IPK，改以普朗克常數重新定義公斤單位，其定義比 IPK 至少穩定 100 萬倍
* video: [公斤是如何重新定義？](https://www.youtube.com/watch?v=E-IBVXNHyKc)
- 目前的公斤質量是指以地心引力施加特定的力，修訂後的定義改用電磁力取代機械力進行測量
- 未來改以基布爾秤（Kibble balance）測量，後者以電磁力精準量測物體質量，可測量出多少電流產生的電磁力，才等同於作用在給定質量上的力。
* [Week9 提過碎形](https://hackmd.io/@sysprog/B10_EnxoS)，現在來思考 [希爾伯特曲線與豪斯多夫維度](https://youtu.be/WCZRRw_0Fa0)
* [CS:APP 第 6 章重點提示](https://hackmd.io/s/H1vQ3vu2z)
* [分組報告重點提示](https://hackmd.io/@sysprog/B1sHrRQhr)
* 第 15 週 (Dec 19): Virtual Memory
* [CS:APP 第 9 章重點提示](https://hackmd.io/s/SkCLi8YgN)
* 第 16 週 (Dec 26): Virtual Memory + 傅立葉分析
* [CS:APP 第 9 章重點提示](https://hackmd.io/s/SkCLi8YgN)
* [圖解傅立葉分析](https://hackmd.io/s/S1M6kQgiZ)
* [CS:APP Assign5.18](https://hackmd.io/s/rkdzvWJTX)
* 第 17 週 (Jan 2):
* [在網頁瀏覽器裡頭執行 MS-DOS 和毀滅戰士遊戲](https://js-dos.com/DOOM/)
- [HackerNews 討論](https://news.ycombinator.com/item?id=18817278)
- [其他示範](https://github.com/kripken/emscripten/wiki/Porting-Examples-and-Demos)
* [CS:APP 第 10 章重點提示](https://hackmd.io/s/H1TtmVTTz)
* [CS:APP 第 11 章重點提示](https://hackmd.io/s/ByPlLNaTG)
* 第 18 週 (Jan 9): Concurrency + 課程回顧
* [隱藏的傅立葉分析](https://hackmd.io/s/S1jR0mHfN)
* [簡單的 FizzBuzz 藏有深度 (Google 面試題)](https://medium.com/@william456821/%E7%B0%A1%E5%96%AE%E7%9A%84-fizzbuzz-%E8%97%8F%E6%9C%89-%E6%B7%B1%E5%BA%A6-google-%E9%9D%A2%E8%A9%A6%E9%A1%8C-f5e66e3a97be)
* [Toward Concurrency](https://hackmd.io/s/Skh_AaVix)
* Linux: [多核處理器和 spinlock](https://hackmd.io/s/rJbXgzz-4), [RCU 同步機制](https://hackmd.io/s/H19V4eyfV)
