Embedded GNU/Linux Kernel Internals and Device Drivers

• 具備基本的GNU/Linux系統終端用戶使用經驗
• 熟悉命令行操作
• 具備用戶空間/應用開發的基礎知識
• 具備中級C語言編程能力
• 建議先參加嵌入式GNU/Linux系統架構課程，或對其中涉及的主題有深入理解

課程描述

本課程爲期5天，結合實踐操作與理論講解，深入探討GNU/Linux內核內部機制與設備驅動開發。課程旨在幫助學員快速掌握相關知識。我們通過理論與實踐相結合的方式，詳細講解編寫GNU/Linux設備驅動所需的過程、概念與命令。

無需重複造輪子，從經驗豐富的講師那裏學習，掌握實用的知識，並能在自己的嵌入式開發項目中有效應用。

適合人羣

對GNU/Linux設備驅動開發感興趣或負責相關開發與評估的人員，如軟件工程師、現場工程師、（項目）經理、硬件工程師等。

引言

• GNU/Linux的簡要歷史
• 許可協議
• 內核版本管理
• 發佈週期
• 內核樹
• 主線內核
• 內核空間與用戶空間
• 機制與策略
• 內核驅動替代方案
• RTOS與Linux對比

內存管理

• 虛擬內存與物理內存
• 內核中的內存分配
• 頁
• 區域
• API
• slab分配器

內核補丁

• 生命週期
• git
• 內核源代碼
• 創建補丁
• 檢查補丁
• 修復補丁
• 提交補丁
• 代碼審計

內核模塊

• 獲取內核源代碼
• 配置/編譯/安裝
• 設備驅動（靜態鏈接，運行時加載）
• init/exit
• 許可協議
• EXPORT SYMBOL GPL
• 外部模塊的Makefile
• module-init-tools
• 內核樹中的模塊
• Kconfig
• 參數傳遞
• sparse

字符驅動

• 架構
• 用戶/內核接口
• I/O子系統
• VFS
• sysfs（設備、總線、驅動、類）
• kobject/ktype/kset
• Linux內核驅動模型
• 設備文件
• 字符驅動
  • 初始化
  • 註冊
  • open、release
  • cdev、cdev_add、cdev_del等
  • 主/次設備號
  • udev、udevmonitor、udevadm

高級字符驅動操作

• ioctl
• 非鎖定ioctl
• 兼容ioctl
• 用戶空間API
• 內核空間API
• 進程生命週期
• 睡眠/阻塞
• 睡眠/喚醒
• 等待隊列
• 驚羣效應
• poll/select

內核調試

• 調試
• 內核調試
  • 使用git進行二分查找
  • 內核的調試支持
  • printk、syslogd、klogd、日誌級別、速率限制、調試級別、選擇子系統調試
  • 通過debugfs查詢進行調試
  • oops調試、觸發oops
  • Magic SysRq鍵
  • kgdb/kdb
  • JTAG

追蹤

• gcov
• lcov
• oprofile
• ftrace
  • nop追蹤器
  • 函數追蹤器
  • 調度切換追蹤器
  • 函數圖追蹤器
  • 動態追蹤器
• trace-cmd/kernelshark
• perf
• LTTng

中斷

• 中斷與輪詢
• 中斷
• 程序段
• 可重入性
• 事件
• 中斷處理程序
• 共享中斷處理程序
• 中斷流程
• 中斷控制

延遲工作

• 上半部與下半部
• 軟中斷
• 任務隊列
• 工作隊列
• 線程化中斷

併發

• 臨界區/段
• 原子操作
• 競態條件
• 同步
• 鎖
• 鎖的解決方案
• 死鎖
• 競爭
• 鎖什麼？
• 可以使用什麼？
  • 原子操作
  • 自旋鎖
  • 讀寫自旋鎖
  • 信號量
  • 二進制信號量
  • 互斥鎖
  • 讀寫信號量
  • 完成變量
  • 順序鎖
  • 禁用搶佔
  • 順序與屏障

時間

• HZ
• Jiffies
• 長/短延遲
• 內核定時器

硬件I/O

• I/O端口
• I/O內存
• 如何處理訪問寄存器時的副作用？

用戶-內核通信

• put(get)_user()
• copy to(from)_user()
• 內核I/O
• 內存映射
• procfs
• sysfs
• debugfs
• relayfs
• netlink
• ioctl

可移植性

• 字長
• 不透明類型
• 有符號/無符號字符
• 數據對齊
• 整型提升
• 代碼複用
• 字節序
• 系統時鐘
• 頁大小
• 指令順序
• SMP/搶佔/高內存

除非另有說明，本課程內容及大綱均遵循署名-非商業性使用-相同方式共享 4.0 國際 (CC BY-NC-SA 4.0) 許可協議。