Interní struktura jádra GNU/Linuxu a ovladače zařízení

Prerequisites:

• Základní zkušenost s používáním systému GNU/Linux jako koncový uživatel
• Základní povědomí o příkazovém řádku
• Základní znalost vývoje v uživatelském prostoru / aplikacích
• Středně pokročilé znalosti programování v C
• Měl by jste dříve absolvoval kurzu Architektura systémů Embedded GNU/Linux (důrazně doporučeno) a/nebo mít dobré porozumění tématům uvedeným v tomto kurzu

Overview:

Popis

Tento pětidenní školicí kurz kombinuje praktická cvičení s výukou, aby ilustroval koncepty interní struktury jádra GNU/Linuxu a vývoje ovladačů zařízení. Je navržen tak, aby vás rychle seznámil s danou problematikou. Popisujeme procesy, koncepty a příkazy nezbytné pro psaní ovladačů zařízení GNU/Linux prostřednictvím kombinace teorie a praktického školení.

Nevynalézejte kolo znovu, ale učte se od zkušeného trenéra a odneste si funkční znalosti a schopnost je efektivně použít ve vašem vlastním projektu zabudovaného vývoje.

Kdo by měl navštívit?

Lidé s zájmem o vývoj nebo hodnocení vývoje ovladačů zařízení GNU/Linux, kteří jsou za to zodpovědní, jako softwaroví inženýři, fieldoví inženýři, manažeři (projektů), hardware inženýři.

Course Outline:

Úvod

• rychlá historie GNU/Linux
• licence
• verzování jádra
• cyklus vydávání
• stromy jádra
• hlavní větve (mainline)
• jádro vs. uživatelský prostor
• mechanismus vs. politika
• alternativy ovladačů jádra
• RTOS vs. Linux

Správa paměti

• virtuální paměť vs. fyzická paměť
• alokace paměti v jádře
• stránky
• zóny
• API
• slab allocator

Záplaty jádra

• životní cyklus
• git
• zdrojový kód jádra
• vytvoření záplaty
• kontrola záplaty
• oprava záplaty
• doručení záplaty
• auditovaný kód

Moduly jádra

• stažení zdrojového kódu jádra
• konfigurace/sestavení/instalace
• ovladače zařízení (staticky linkované, načítány za běhu)
• inicializace/odchod
• licence
• EXPORT SYMBOL GPL
• Makefile mimo strom jádra
• module-init-tools
• modul v stromu jádra
• Kconfig
• předávání parametrů
• sparse

Ovladače znakových zařízení (Char Drivers)

• architektura
• rozhraní uživatel/jádro
• podsystem I/O
• VFS (Virtual File System)
• sysfs (zařízení, sběrnice, ovladače, třídy),
• kobject/ktype/kset
• model ovladače linuxového jádra
• soubory zařízení
• ovladač znakových zařízení
  • inicializace
  • registrace
  • otevření, uzavření
  • cdev, cdev add, cdev del,...
  • hlavní/mínor čísla
  • udev, udevmonitor, udevadm

Pokročilé operace ovladačů znakových zařízení

• ioctl
• unlocked ioctl
• compat ioctl
• API uživatelského prostoru
• API jádra
• životní cyklus procesu
• spánek/blokování
• probuzení z režimu spánku
• fronta čekání
• efekt hordy
• poll/select

Ladění jádra

• ladění
• ladění jádra
  • binární vyhledávání pomocí git
  • podpora ladění z jádra
  • printk syslogd, klogd, úrovně logování, omezení rychlosti, ladící úrovně, výběr laděných subsystémů
  • ladění dotováním se na debugfs
  • ladění oops, vyvolání oops
  • kouzelný klíč SysRq
  • kgdb/kdb
  • JTAG

Sledování (Tracing)

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

Přerušení

• přerušení vs. polling
• přerušení
• programové sekce
• reenterance
• události
• obslužná rutina přerušení
• sdílená obslužná rutina přerušení
• tok přerušení
• řízení přerušení

Odložení práce

• horní/dolní polovina
• softirqs
• tasklets
• pracovní fronty
• vláknová přerušení

Souběžnost (Concurrency)

• kritická oblast/sekce
• atomické operace
• stav závodní podmínky (race condition)
• synchronizace
• zamykání
• řešení zamykání
• deadlock
• contendování
• co zamknout?
• co lze použít?
  • atomické operace
  • spin locks
  • čtenář-písař spin locks
  • semafor
  • binární semafor
  • mutex
  • čtenář-písař semafor
  • proměnné dokončení
  • sekvenční zámky
  • zakázání přerušení přednostní (preemption)
  • pořadí a bariéry

Čas

• HZ
• Jiffies
• velké/malé zpoždění
• časovače jádra

Hardware I/O

• I/O porty
• Paměť I/O
• Jak se vypořádat se vedlejšími účinky přístupu k registrům?

Komunikace Uživatelské prostoru - Jádro

• put(get)_user()
• copy to(from)_user()
• Jádrový I/O
• mapování paměti
• procfs
• sysfs
• debugfs
• relayfs
• netlink
• ioctl

Přenositelnost

• velikost slova
• neprůhledné typy
• signed/unsigned char
• zarovnání dat
• integral promotion
• opětovné použití kódu
• endianita
• systémový tik
• velikost stránky
• pořadí instrukcí
• SMP/preemption/high memory

Kromě tam, kde je uvedeno jinak, jsou obsah a tento osnovy kurzu licencovány pod Atribusi-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0).