Kiến trúc Nhân GNU/Linux Nhúng và Trình điều khiển Thiết bị

Prerequisites:

• Hiểu biết cơ bản về cách sử dụng hệ thống GNU/Linux với tư cách là người dùng cuối
• Hiểu biết cơ bản về dòng lệnh shell
• Kiến thức cơ bản về phát triển ứng dụng không gian người (user space)
• Kiến thức lập trình C ở mức độ trung cấp
• Đã tham gia khóa học Kiến trúc Hệ thống GNU/Linux Nhúng trước đây (khuyên dùng!) và/hoặc có sự hiểu biết tốt về các chủ đề được đề cập trong khóa đó

Overview:

Mô tả

Khóa học đào tạo 5 ngày này sử dụng các bài tập thực hành kết hợp với hướng dẫn để minh họa các khái niệm về kiến trúc nhân GNU/Linux và phát triển trình điều khiển thiết bị. Khóa học được thiết kế giúp bạn nhanh chóng nắm bắt kiến thức cốt lõi. Chúng tôi mô tả các quy trình, khái niệm và lệnh cần thiết để viết trình điều khiển GNU/Linux thông qua sự kết hợp giữa lý thuyết và đào tạo thực tiễn.

Đừng làm lặp lại những gì đã có, mà hãy học hỏi từ một giảng viên giàu kinh nghiệm và mang về nhà kiến thức thực tiễn cùng khả năng ứng dụng hiệu quả trong dự án phát triển nhúng của riêng bạn.

Đối tượng tham gia

Những người có quan tâm hoặc được giao trách nhiệm phát triển hoặc đánh giá việc phát triển trình điều khiển GNU/Linux, chẳng hạn như kỹ sư phần mềm, kỹ sư hiện trường, nhà quản lý (dự án), kỹ sư phần cứng.

Course Outline:

Giới thiệu

• Lịch sử nhanh của GNU/Linux
• Giấy phép
• Phân loại phiên bản nhân
• Chu kỳ phát hành
• Cây mã nguồn nhân (kernel trees)
• Mã nguồn chính (mainline)
• Nhân (kernel) so với Không gian người (user space)
• Cơ chế so với Chính sách
• Các lựa chọn thay thế cho trình điều khiển nhân
• Hệ điều thời gian thực (RTOS) so với Linux

Quản lý bộ nhớ

• Bộ nhớ ảo so với bộ nhớ vật lý
• Cấp phát bộ nhớ trong nhân
• Các trang (pages)
• Các vùng (zones)
• Giao diện lập trình ứng dụng (API)
• Slab

Bản vá nhân

• Chu kỳ đời sống
• Git
• Mã nguồn nhân
• Tạo bản vá (patch)
• Kiểm tra bản vá (check patch)
• Sửa bản vá (fix patch)
• Phán duyệt bản vá (ship patch)
• Mã đã được kiểm duyệt

Mô-đun nhân

• Lấy mã nguồn nhân
• Cấu hình/xây dựng/cài đặt
• Trình điều khiển thiết bị (liên kết tĩnh, tải khi chạy)
• Khởi tạo/Kết thúc
• Giấy phép
• EXPORT SYMBOL GPL
• Makefile ngoài cây mã nguồn (out of tree)
• Module-init-tools
• Mô-đun trong cây mã nguồn nhân
• Kconfig
• Truyền tham số
• Sparse

Trình điều khiển Ký tự (Char Drivers)

• Kiến trúc
• Giao diện người/nhân
• Hệ thống con I/O
• VFS (Hệ thống file ảo)
• Sysfs (thiết bị, bus, trình điều khiển, lớp),
• kobject/ktype/kset
• Mô hình trình điều khiển kernel Linux
• Tệp thiết bị
• Trình điều khiển ký tự
  • Khởi tạo
  • Đăng ký
  • Mở, đóng
  • cdev, cdev_add, cdev_del,...
  • Số chính/phụ
  • udev, udevmonitor, udevadm

Các thao tác nâng cao trên Trình điều khiển Ký tự

• ioctl
• unlocked ioctl
• compat ioctl
• API không gian người
• API không gian nhân
• Chu kỳ đời sống tiến trình
• Ngủ/khối chặn
• Ngủ/thức dậy
• Hàng chờ (wait queue)
• Bầy chim gào thét (thundering herd)
• poll/select

Gỡ lỗi nhân

• Gỡ lỗi
• Gỡ lỗi nhân
  • Tìm kiếm nhị phân với git
  • Hỗ trợ gỡ lỗi từ nhân
  • printk syslogd, klogd, mức log, giới hạn tốc độ, mức gỡ lỗi, gỡ lỗi chọn lọc các hệ thống con
  • Gỡ lỗi bằng cách truy vấn debugfs
  • Gỡ lỗi lỗi hệ thống (oops), gây ra lỗi hệ thống (asserting oops)
  • Phím Magic SysRq
  • kgdb/kdb
  • JTAG

Theo dõi (Tracing)

• gcov
• lcov
• oprofile
• ftrace
  • trình theo dõi nop
  • trình theo dõi hàm (function tracer)
  • trình theo dõi chuyển đổi lập lịch (sched switch tracer)
  • trình theo dõi đồ thị hàm (function graph tracer)
  • trình theo dõi động (dynamic tracer)
• trace-cmd/kernelshark
• perf
• LTTng

Ngắt (Interrupts)

• Ngắt so với vòng lặp kiểm tra (polling)
• Ngắt
• Các đoạn mã chương trình
• Tính tái nhập lại (reentrancy)
• Sự kiện
• Trình xử lý ngắt
• Trình xử lý ngắt chia sẻ
• Luồng ngắt
• Kiểm soát ngắt

Trì hoãn công việc

• nửa trên/nửa dưới (top/bottom halves)
• softirqs
• tasklets
• hàng đợi công việc (work queues)
• ngắt có luồng (threaded interrupts)

Tính đồng thời (Concurrency)

• Vùng/đoạn tới hạn (critical region/section)
• Nguyên tử (atomic)
• Điều kiện đua (race condition)
• Đồng bộ hóa
• Khóa (locking)
• Giải pháp khóa
• Deadlock
• Tranh chấp (contention)
• Cần khóa những gì?
• Có thể sử dụng những gì?
  • Thao tác nguyên tử
  • Spinlock
  • Spinlock đọc-viết
  • Semaphor
  • Semaphor nhị phân
  • Mutex
  • Semaphor đọc-viết
  • Biến hoàn thành (completion variables)
  • Lock tuần tự
  • Tắt tiền chế độ (disable preemption)
  • Thứ tự và rào chắn (barriers)

Thời gian

• HZ
• Jiffies
• Độ trễ lớn/nhỏ
• Bộ hẹn giờ nhân

I/O Phần cứng

• Cổng I/O
• Bộ nhớ I/O
• Cách xử lý các tác dụng phụ khi truy cập thanh ghi?

Giao tiếp Người-Nhân

• put(get)_user()
• copy to(from)_user()
• I/O của nhân
• Ánh xạ bộ nhớ
• procfs
• sysfs
• debugfs
• relayfs
• netlink
• ioctl

Khả năng di chuyển (Portability)

• Kích thước từ (word size)
• Kiểu ẩn (opaque types)
• char có dấu/không dấu
• Căn chỉnh dữ liệu
• Nâng cấp nguyên (integral promotion)
• Tái sử dụng mã
• Thứ tự byte (endianess)
• Nhịp hệ thống (system tick)
• Kích thước trang
• Sắp xếp hướng dẫn (instruction ordering)
• SMP/tiền chế độ/bộ nhớ cao

Trừ khi được ghi chú khác, nội dung và phác thảo khóa học này được cấp phép theo Giấy phép Creative Commons Ghi công-Không thương mại-Chia sẻ tương tự 4.0 Quốc tế (CC BY-NC-SA 4.0).