Interni del kernel GNU/Linux e driver di dispositivo

Prerequisites:

• Conoscenza di base dell'uso di un sistema GNU/Linux come utente finale
• Conoscenza di base della shell a riga di comando
• Conoscenza di base dello sviluppo in user space (spazio utente) / applicazioni
• Conoscenza intermedia del linguaggio di programmazione C
• Si raccomanda di aver frequentato in precedenza il corso Architettura dei sistemi GNU/Linux embedded e/o di avere una buona comprensione degli argomenti trattati in quel corso

Overview:

Descrizione

Questo corso di formazione della durata di 5 giorni combina esercitazioni pratiche con spiegazioni teoriche per illustrare i concetti relativi agli interni del kernel GNU/Linux e allo sviluppo di driver di dispositivo. Il programma è progettato per far acquisire rapidamente le competenze necessarie. Vengono descritti processi, concetti e comandi fondamentali per scrivere driver di dispositivo GNU/Linux, attraverso un mix di teoria e formazione pratica.

Non serve reinventare la ruota: impara da un formatore esperto e porta a casa una conoscenza operativa e la capacità di applicarla efficacemente nel tuo progetto di sviluppo embedded.

A chi si rivolge?

Personale interessato o incaricato dello sviluppo o della valutazione di driver di dispositivo GNU/Linux, come ingegneri software, tecnici field, responsabili di progetto (project managers) e ingegneri hardware.

Course Outline:

Introduzione

• Breve storia di GNU/Linux
• Licenze
• Versionamento del kernel
• Ciclo di rilascio
• Branch del kernel
• Mainline
• Kernel vs spazio utente (user space)
• Meccanismo vs politica
• Alternative per i driver del kernel
• RTOS vs Linux

Gestione della memoria

• Memoria virtuale vs memoria fisica
• Allocazione della memoria nel kernel
• Pagine
• Zone
• API
• Slab allocator

Patch del kernel

• Ciclo di vita
• Git
• Sorgenti del kernel
• Creare una patch
• Controllare una patch (checkpatch)
• Correggere una patch
• Inviare una patch
• Codice verificato (audited code)

Moduli del kernel

• Ottenere i sorgenti del kernel
• Configurare/compilare/installare
• Driver di dispositivo (collegati staticamente, caricati a runtime)
• Inizializzazione (init) e chiusura (exit)
• Licenze
• EXPORT_SYMBOL GPL
• Makefile out-of-tree
• Strumenti per i moduli (module-init-tools)
• Modulo all'interno del albero dei sorgenti del kernel
• Kconfig
• Passaggio dei parametri
• Sparse

Driver di tipo carattere (Char Drivers)

• Architettura
• Interfaccia utente/kernel
• Sottosistema I/O
• VFS (Virtual File System)
• sysfs (dispositivi, bus, driver, classi),
• kobject/ktype/kset
• Modello dei driver del kernel Linux
• File di dispositivo
• Driver di tipo carattere
  • Inizializzazione
  • Registrazione
  • Open, release
  • cdev, cdev_add, cdev_del, ...
  • Numeri major/minor
  • udev, udevmonitor, udevadm

Operazioni avanzate per i driver di tipo carattere

• ioctl
• unlocked ioctl
• compat ioctl
• API nello spazio utente (user space)
• API nello spazio kernel (kernel space)
• Ciclo di vita del processo
• Sleep/blocking
• Sleep/wakeup
• Code di attesa (wait queue)
• Problema del branco (thundering herd)
• poll/select

Debugging del kernel

• Debugging
• Debugging del kernel
  • Ricerca binaria con git
  • Supporto al debug fornito dal kernel
  • printk, syslogd, klogd, livelli di log (loglevels), limiti di velocità (rate limit), livelli di debug, sottosistemi di debug selettivi
  • Debug tramite query a debugfs
  • Debug degli oops, generazione intenzionale di oops
  • Tasto Magic SysRq
  • kgdb/kdb
  • JTAG

Tracing

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

Interruzioni (Interrupts)

• Interruzioni vs polling
• Interruzione (interrupt)
• Sezioni di programma
• Rientro (reentrancy)
• Eventi
• Handler di interruzione
• Handler di interruzione condiviso
• Flusso dell'interruzione
• Controllo dell'interruzione

Posticipazione delle attività (Deferring Work)

• Top/bottom halves
• Softirq
• Tasklet
• Code di lavoro (work queues)
• Interrupt threadati

Concorrenza

• Regione/sezione critica
• Atomicità (atomic)
• Race condition
• Sincronizzazione
• Locking
• Soluzioni di locking
• Deadlock
• Contention
• Cosa bloccare?
• Cosa utilizzare?
  • Operazioni atomiche
  • Spinlock
  • Spinlock read-write
  • Semaphore
  • Binary semaphore
  • Mutex
  • Semaphore read-write
  • Variabili di completamento (completion variables)
  • Seqlock
  • Disabilitare la preempting
  • Ordinamento e barriere (ordering and barriers)

Tempo

• HZ
• Jiffies
• Ritardi lunghi/corti
• Timer del kernel

I/O hardware

• Porte I/O
• Memoria I/O
• Come gestire gli effetti collaterali durante l'accesso ai registri?

Comunicazione User-Kernel

• put/get_user()
• copy_to/from_user()
• I/O del kernel
• Mappatura della memoria
• procfs
• sysfs
• debugfs
• relayfs
• netlink
• ioctl

Portabilità

• Dimensione della parola (word size)
• Tipi opachi
• Char signed/unsigned
• Allineamento dei dati
• Promozione integrale (integral promotion)
• Riutilizzo del codice
• Endianness
• Tick di sistema
• Dimensione della pagina
• Ordinamento delle istruzioni
• SMP/preemption/high memory

Tranne dove diversamente indicato, i contenuti e questo programma del corso sono concessi in licenza secondo Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0).