Interne Struktur des GNU/Linux-Kernels und Gerätetreiber

Prerequisites:

• Grundlegende Kenntnisse im Umgang mit einem GNU/Linux-System als Endbenutzer
• Grundlegende Vertrautheit mit einer Kommandozeilen-Shell
• Grundlegende Kenntnisse in der Entwicklung von Benutzerraum-Anwendungen
• Mittelgute C-Programmierkenntnisse
• Sollten vorab an der Schulung Embedded GNU/Linux Systems Architecture teilgenommen haben (dringend empfohlen!) und/oder die dort behandelten Themen gut verstehen

Overview:

Beschreibung

Dieser 5-tägige Schulungskurs verbindet praktische Übungen mit theoretischer Unterweisung, um die Konzepte der internen Struktur des GNU/Linux-Kernels und der Entwicklung von Gerätetreibern zu veranschaulichen. Er ist so konzipiert, dass Sie sich schnell in die Materie einarbeiten können. Wir erläutern die Prozesse, Konzepte und Befehle, die für die Erstellung von GNU/Linux-Gerätetreibern erforderlich sind, und zwar durch eine Kombination aus Theorie und praktischer Anwendung.

Sie müssen das Rad nicht neu erfinden, sondern können von einem erfahrenen Trainer lernen und mit einem fundierten theoretischen und praktischen Wissen sowie der Fähigkeit, es effektiv in Ihren eigenen eingebetteten Entwicklungsprojekten einzusetzen, nach Hause gehen.

Zielgruppe

Personen mit Interesse an der Entwicklung oder Bewertung der Entwicklung von GNU/Linux-Gerätetreibern oder die damit beauftragt sind, wie Softwareentwickler, Field Engineers (Vor-Ort-Techniker), (Projekt)Manager und Hardware-Ingenieure.

Course Outline:

Einführung

• kurze Geschichte von GNU/Linux
• Lizenzierung
• Kernel-Versionierung
• Veröffentlichungszyklus
• Kernel-Verzweigungen (Trees)
• Mainline-Kernel
• Kernel versus Benutzerraum
• Mechanismus versus Richtlinie
• Alternativen für Kernel-Treiber
• RTOS versus Linux

Speicherverwaltung

• Virtueller Speicher versus physischer Speicher
• Speicherzuweisung im Kernel
• Seiten (Pages)
• Zonen
• API
• Slab-Allokator

Kernel-Patches

• Lebenszyklus
• git
• Kernel-Quellcode
• Erstellen eines Patches
• patch-Prüfung
• Beheben von Fehlern im Patch
• Ausliefern eines Patches
• überprüfter Code

Kernel-Module

• Herunterladen der Kernel-Quelldateien
• Konfigurieren/Erstellen/Installieren
• Gerätetreiber (statisch verlinkt, zur Laufzeit geladen)
• init/exit
• Lizenzierung
• EXPORT_SYMBOL GPL
• Makefile für Module außerhalb des Baums
• module-init-tools
• Module im Kernel-Baum
• Kconfig
• Übergabe von Parametern
• sparse (statische Analyse-Tool)

Zeichenorientierte Treiber (Char Drivers)

• Architektur
• Schnittstelle zwischen Benutzer- und Kernelraum
• E/I-Subsystem (I/O-Subsystem)
• VFS (Virtuelles Dateisystem)
• sysfs (Geräte, Busse, Treiber, Klassen)
• kobject/ktype/kset
• Linux-Kernel-Treibermodell
• Gerätedateien
• Zeichenorientierter Treiber
  • Initialisierung
  • Registrierung
  • open, release
  • cdev, cdev_add, cdev_del,...
  • Major- und Minor-Nummern
  • udev, udevmonitor, udevadm

Erweiterte Operationen für Zeichenorientierte Treiber

• ioctl
• unlocked ioctl
• compat ioctl
• API im Benutzerraum
• API im Kernelraum
• Lebenszyklus von Prozessen
• Schlafen/Blockieren
• Schlafen/Aufwachen
• Warteschlangen (Wait Queues)
• Thundering Herd Problem
• poll/select

Fehlersuche im Kernel

• Fehlersuche (Debugging)
• Fehlersuche im Kernel
  • Binäre Suche mit git
  • Debug-Unterstützung im Kernel
  • printk, syslogd, klogd, Loglevel, Ratenbegrenzung, Debug-Level, selektive Subsysteme
  • Debugging durch Abfragen von debugfs
  • Oops-Debugging, Auslösen eines Oops
  • Magic SysRq-Taste
  • kgdb/kdb
  • JTAG

Tracing (Ereignisverfolgung)

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

Unterbrechungen (Interrupts)

• Interrupts versus Polling
• Interrupt
• Programmabschnitte
• ReEntrancy (Wiedereintrittsfähigkeit)
• Ereignisse (Events)
• Interrupt-Handler
• Shared Interrupt Handler (geteilter Interrupt-Handler)
• Interrupt-Fluss
• Interrupt-Steuerung

Verschieben von Arbeiten (Deferring Work)

• Top/Bottom Halves
• Softirqs
• Tasklets
• Work Queues
• Threaded Interrupts

Nebenläufigkeit (Concurrency)

• Kritischer Bereich/Abschnitt
• atomare Operationen
• Wettlaufsituation (Race Condition)
• Synchronisation
• Sperren (Locking)
• Lösungsmöglichkeiten für Sperren
• Deadlock
• Contention (Wettbewerb um Ressourcen)
• Was soll gesperrt werden?
• Was kann verwendet werden?
  • atomare Operationen
  • Spinlocks
  • Reader-Writer-Spinlocks
  • Semaphore
  • Binary Semaphore
  • Mutex
  • Reader-Writer-Semaphore
  • Completion-Variablen
  • Sequential Locks
  • Deaktivieren der Unterbrechung (Disable Preemption)
  • Ordnung und Barriers

Zeit

• HZ
• Jiffies
• Große/kleine Verzögerungen
• Kernel-Timer

Hardware-E/I

• I/O-Ports
• I/O-Speicher
• Wie geht man mit Seiteneffekten beim Zugriff auf Register um?

Kommunikation zwischen Benutzer- und Kernelraum

• put(get)_user()
• copy to(from)_user()
• Kernel I/O
• Memory Mapping
• procfs
• sysfs
• debugfs
• relayfs
• netlink
• ioctl

Portabilität

• Wortgröße (word size)
• Opaque Typen
• signed/unsigned char
• Datenausrichtung (Data Alignment)
• integrale Promotion
• Code-Wiederverwendung
• Endianess (Byte-Reihenfolge)
• System-Takt
• Seitengröße
• Anweisungsreihenfolge
• SMP/Preemption/High Memory

Soweit nicht anders angegeben, unterliegen Inhalt und dieser Kursplan der Lizenz Namensnennung-NichtKommerziell-Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0).