Вградени вътрешни принципи на ядрото GNU/Linux и драйвери на устройства

Prerequisites:

• Базово запознаване с използването на система GNU/Linux като крайни потребители
• Базово запознаване с командна среда (shell)
• Базови знания за разработка на приложения в потребителско пространство
• Средно ниво на познания по програмиране в езика C
• Препоръчително е преди това да сте посетили Вградена архитектура на системите GNU/Linux (силно препоръчително!) и/или да имате добро разбиране на темите, описани там

Overview:

Описание

Този 5-дневен обучителен курс използва практически упражнения в комбинация с теоретични материали, за да илюстрира концепциите за вътрешни принципи на ядрото GNU/Linux и разработката на драйвери на устройства. Курсът е създаден с цел да ви позволи бързо да усвоите материята. Описваме процесите, концепциите и командите, необходими за писането на драйвери на устройства в GNU/Linux, чрез комбинация от теория и практически опит.

Не измисляйте отново колелото, а се възползвайте от опита на обучител с дългогодишен стаж и си загрейте с практически знания и умеейки да ги прилагате ефективно във вашия собствен проект за вградена разработка.

За кого е предназначен курсът?

За лица с интерес или задължение за развитие или оценка на драйвери на устройства в GNU/Linux, като например софтуерни инженери, полеви инженери, (проектни) мениджъри, хардуерни инженери.

Course Outline:

Въведение

• бърза история на GNU/Linux
• лицензиране
• версиониране на ядрото
• цикъл на излизане на нови версии
• дървета на ядрото (kernel trees)
• основни версии (mainline)
• ядро срещу потребителско пространство
• механизъм срещу политика
• алтернативи на драйвери в ядрото
• RTOS срещу Linux

Управление на паметта

• виртуална памет срещу физическа памет
• разпределение на паметта в ядрото
• страници
• зони
• API
• slab

Пачове на ядрото (Kernel Patches)

• жизнен цикъл
• git
• изходен код на ядрото
• създаване на пач (patch)
• проверка на пач (check patch)
• корекция на пач (fix patch)
• изпращане на пач (ship patch)
• одитиран код

Модули на ядрото (Kernel Modules)

• получаване на изходен код на ядрото
• конфигуриране/изграждане/инсталиране
• драйвери на устройства (статично свързани, зареждани във времето на изпълнение)
• init/exit
• лицензиране
• EXPORT SYMBOL GPL
• Makefile извън дървото на ядрото
• module-init-tools
• модул в дървото на ядрото
• Kconfig
• предаване на параметри
• sparse

Драйвери за характерни устройства (Char Drivers)

• архитектура
• интерфейс потребител/ядро
• подсистема I/O
• VFS
• sysfs (устройства, магистрални устройства, драйвери, класове),
• kobject/ktype/kset
• модел на драйверите на ядрото на Linux
• файлове на устройства
• драйвер за характерни устройства
  • инициализация
  • регистрация
  • отваряне, затваряне
  • cdev, добавяне на cdev, изтриване на cdev,...
  • главни/вторични номера
  • udev, udevmonitor, udevadm

Разширени операции за драйвери на характерни устройства

• ioctl
• неблокиращ ioctl (unlocked ioctl)
• совместим ioctl (compat ioctl)
• API за потребителско пространство
• API за ядро пространство
• жизнен цикъл на процеса
• спиране/блокиране
• спиране/събуждане
• опашка за чакащи (wait queue)
• тълпата (thundering herd)
• poll/select

Отстраняване на грешки в ядрото (Kernel Debugging)

• дебъгване (debugging)
• дебъгване на ядрото
  • двоичен търсач с git
  • поддръжка за дебъгване от ядрото
  • printk syslogd, klogd, нива на лог, ограничаване на честотата, нива на дебъгване, избор на подсистеми за дебъгване
  • дебъгване чрез запитване на debugfs
  • дебъгване на oops, форсиране на oops
  • Magic SysRq Key
  • kgdb/kdb
  • JTAG

Проследяване (Tracing)

• gcov
• lcov
• oprofile
• ftrace
  • nop tracer
  • function tracer
  • sched switch tracer
  • function graph tracer
  • dynamic tracer
• trace-cmd/kernelshark
• perf
• LTTng

Преки (Interrupts)

• преки срещу полиране (polling)
• преки
• секции на кода
• вносимост (reentrancy)
• събития
• обработчик на преки (interrupt handler)
• споделен обработчик на преки
• поток на преки
• контрол на преки

Отложено изпълнение (Deferring Work)

• горни/долни половини (top/bottom halves)
• софт прекъсвания (softirqs)
• tasklets
• опашки за задачи (work queues)
• преки на нишки (threaded interrupts)

Паралелизъм (Concurrency)

• критична област/секция
• атомарни операции
• състезание на данни (race condition)
• синхронизация
• заключване (locking)
• решения за заключване
• мъртво заключване (deadlock)
• състезание за ресурси (contention)
• какво да заключим?
• какво може да се използва?
  • атомарни операции
  • спинове замкове (spin locks)
  • спинове замкове за четене/запис (reader-writer spin locks)
  • семафор
  • двоен семафор (binary semaphore)
  • мутекс (mutex)
  • семафор за четене/запис (reader-writer semaphore)
  • променливи за завършване (completion variables)
  • поредни замкове (sequential locks)
  • деактивиране на превключване (disable preemption)
  • поредност и бариери (ordering and barriers)

Време

• HZ
• Jiffies
• големи/малки забавяния
• таймери на ядрото

Апаратен I/O

• I/O Портове
• I/O Памет
• Как да работим със странични ефекти при достъп до регистри?

комуникация между потребител и ядро

• put(get)_user()
• копиране към(от)_user()
• ядро I/O
• мапиране на паметта
• procfs
• sysfs
• debugfs
• relayfs
• netlink
• ioctl

Преносимост

• размер на думата
• непрозрачни типове (opaque types)
• знак/беззнаков char
• подравняване на данните
• цяло число за промоция
• повторна употреба на код
• крайност (endianess)
• тикет на системата
• размер на страницата
• подредба на инструкции
• SMP/превключване/висока памет

Освен където е отбелязано иначе, съдържанието и тази учебна програма са лицензирани под Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0).