Εσώτερο Λειτουργικό των Πυρήνων GNU/Linux και Οδηγοί Συσκευών

Prerequisites:

• Βασική εξοικείωση με τη χρήση ενός συστήματος GNU/Linux ως τελικού χρήστη
• Βασική εξοικείωση με το τερματικό εντολών
• Βασική γνώση ανάπτυξης στο χώρο χρήστη (user space) / εφαρμογών
• Μεσαίο επίπεδο γνώσεων προγραμματισμού σε C
• Θα πρέπει να έχετε παρακολουθήσει προηγουμένως το Αρχιτεκτονική Ενσωματωμένων Συστημάτων GNU/Linux (ισχυρά συνιστάται!) και/ή να έχετε καλή κατανόηση των θεμάτων που καλύπτονται εκεί

Overview:

Περιγραφή

Αυτό το σεμινάριο πέντε ημερών συνδυάζει πρακτικές ασκήσεις με διδασκαλία για την αποσαφήνιση των εννοιών της εσωτερικής λειτουργίας του πυρήνα GNU/Linux και της ανάπτυξης οδηγών συσκευών. Σκοπός είναι να σας φέρει γρήγορα σε επαγγελματικό επίπεδο. Παρουσιάζουμε τις διαδικασίες, τις έννοιες και τις εντολές που απαιτούνται για τη συγγραφή οδηγών συσκευών GNU/Linux, μέσω ενός συνδυασμού θεωρητικής γνώσης και πρακτικής εκπαίδευσης.

Αντί να επανακατασκευάσετε τον τροχό, μάθετε από έναν έμπειρο εκπαιδευτή και αποχωρήστε possessing μια πρακτική κατανόηση και την ικανότητα να την εφαρμόσετε αποτελεσματικά στο δικό σας έργο ενσωματωμένης ανάπτυξης.

Σε ποιους απευθύνεται;

Σε άτομα με ενδιαφέρον ή υπεύθυνες για την ανάπτυξη ή αξιολόγηση της ανάπτυξης οδηγών συσκευών GNU/Linux, όπως μηχανικούς λογισμικού, μηχανικούς υποστήριξης πελάτη, διευθυντές έργου, και μηχανούς υλικού.

Course Outline:

Εισαγωγή

• Σύντομη ιστορία του GNU/Linux
• Άδειες χρήσης
• Σχεδιασμός εκδόσεων του πυρήνα
• Κύκλος κυκλοφορίας
• Δέντρα πυρήνα
• Mainline (Κύρια γραμμή)
• Πυρήνας vs χώρος χρήστη
• Μηχανισμός vs πολιτική
• Εναλλακτικές λύσεις για οδηγούς πυρήνα
• RTOS vs Linux

Διαχείριση Μνήμης

• Εικονική μνήμη vs φυσική μνήμη
• Κατανομή μνήμης στον πυρήνα
• Σελίδες
• Ζώνες (zones)
• API
• Slab allocator

Επιδιορθώσεις Πυρήνα (Kernel Patches)

• Κύκλος ζωής
• git
• πηγαίος κώδικας πυρήνα
• Δημιουργία επιδιορθώσεων (patch)
• Έλεγχος επιδιορθώσεων
• Διόρθωση επιδιορθώσεων
• Παράδοση επιδιορθώσεων
• Ελεγμένος κώδικας

Module Κώδικα Πυρήνα

• Λήψη πηγών πυρήνα
• Διαμόρφωση / Κατασκευή / Εγκατάσταση
• Οδηγοί συσκευών (στατικά συνδεδεμένοι, φορτώνονται σε εκτέλεση)
• init/exit
• Άδειες χρήσης
• EXPORT_SYMBOL GPL
• makefile εκτός δέντρου (out of tree)
• εργαλεία εκκίνησης module (module-init-tools)
• module εντός του δέντρου του πυρήνα
• Kconfig
• Μετάδοση παραμέτρων
• sparse

Οδηγοί Χαρακτήρων (Char Drivers)

• Αρχιτεκτονική
• Διασύνραση χρήστη/πυρήνα
• Υπόσύστημα I/O
• VFS
• sysfs (συσκευές, δίαυλοι, οδηγοί, κλάσεις),
• kobject/ktype/kset
• μοντέλο οδηγών πυρήνα Linux
• αρχεία συσκευών
• οδηγοί χαρακτήρων
  • αρχικοποίηση
  • εγγραφή
  • άνοιγμα, κλείσιμο
  • cdev, cdev add, cdev del,...
  • αριθμοί major/minor
  • udev, udevmonitor, udevadm

Προηγμένες Λειτουργίες Οδηγών Χαρακτήρων

• ioctl
• unlocked ioctl
• compat ioctl
• API χώρου χρήστη
• API χώρου πυρήνα
• Κύκλος ζωής διεργασιών
• ύπνος/εμπλοκή (sleeping/blocking)
• ύπνος/ξύπνημα
• ουρά αναμονής (wait queue)
• φαινόμενο ομήλου (thundering herd)
• poll/select

Αποσφαλμάτωση Πυρήνα

• αποσφαλμάτωση
• αποσφαλμάτωση του πυρήνα
  • δυαδική αναζήτηση με git
  • υποστήριξη αποσφαλμάτωσης από τον πυρήνα
  • printk syslogd, klogd, επίπεδα καταγραφής (loglevels), περιορισμός ρυθμού, επίπεδα debugging, εκλεπτυσμένη επιλογή υποσυστημάτων
  • αποσφαλμάτωση μέσω ανάθεσης debugfs
  • αποσφαλμάτωση oops, επαλήθευση oops
  • Μαγικό πλήκτρο SysRq
  • kgdb/kdb
  • JTAG

Ανίχνευση (Tracing)

• gcov
• lcov
• oprofile
• ftrace
  • ανιχνευτής nop
  • ανιχνευτής συναρτήσεων
  • ανιχνευτής εναλλαγής προγραμματισμού (sched switch)
  • ανιχνευτής γραφικής συνάρτησης
  • δυναμικός ανιχνευτής
• trace-cmd/kernelshark
• perf
• LTTng

Διακοπές (Interrupts)

• διακοπές vs polling
• διακοπή
• τμήματα προγράμματος
• αναπληρωματικότητα (reentrancy)
• γεγονότα
• χειριστής διακοπής
• κοινοποιημένος χειριστής διακοπής
• ροή διακοπής
• έλεγχος διακοπής

Αναβολή Εργασιών (Deferring Work)

• top/bottom halves
• softirqs
• tasklets
• ουρές εργασιών
• νηματοποιημένες διακοπές

Ταυτόχρονη Εκτέλεση (Concurrency)

• κρίσιμη περιοχή/τμήμα
• ατομικές ενέργειες
• συνθήκη αγώνα (race condition)
• συγχρονισμός
• κλειδώματα (locking)
• λύσεις κλειδώματος
• αδιέξοδο (deadlock)
• ανταγωνισμός (contention)
• τι πρέπει να κλειδώσουμε;
• τι μπορεί να χρησιμοποιηθεί;
  • ατομικές ενέργειες
  • spin locks
  • κλειδώματα spin ανάγνωσης-εγγραφής
  • αριστεύματα (semaphore)
  • δυαδικό αριστεύμα
  • mutex
  • αριστεύμα ανάγνωσης-εγγραφής
  • μεταβλητές ολοκλήρωσης (completion variables)
  • κλειδώματα ακολουθιακά
  • απενεργοποίηση προεπιλογής (disable preemption)
  • σειρά και barriers

Χρόνος

• HZ
• Jiffies
• μεγάλες/μικρές καθυστερήσεις
• χρονόμετρα πυρήνα

Υλικό I/O

• Θύρες I/O
• Μνήμη I/O
• Πώς να αντιμετωπίσουμε τις παρενέργειες πρόσβασης σε καταχωρητές;

Επικοινωνία Χρήστη-Πυρήνα

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

Φορητότητα (Portability)

• μέγεθος λέξης
• τύποι αδιαφάνειας (opaque types)
• signed/unsigned char
• ευθυγράμμιση δεδομένων
• προώθηση ακέραιων (integral promotion)
• επαναχρησιμοποίηση κώδικα
• endianess
• κύκλος συστήματος
• μέγεθος σελίδας
• σειρά εντολών
• SMP/preemption/high memory

Εκτός εάν αναφέρεται διαφορετικά, το περιεχόμενο και το παρόν πρόγραμμα μαθήματος είναι υπό την άδεια Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0).