Programowanie sterowników urządzeń w jądrze Linux
Zobacz ceny szkoleń i zapisz się »
Intensywny kurs, na praktycznych przykładach, dostarcza wiedzę niezbędną do rozpoczęcia projektowania i implementacji sterowników urządzeń w jądrze Linux.
Praktyczne ćwiczenia polegają na sukcesywnej implementacji kolejnych funkcji sterownika obsługującego ekspander I2C. Sterownik alokuje pamięć, wykrywa i inicjuje urządzenie, komunikuje się z nim, rejestruje przerwanie, udostępnia funkcje urządzenia w systemie jako urządzenie znakowe, oraz za pośrednictwem frameworków: input (klawiatura/mysz), GPIO, interrupt controller. Definiowane w Device-Tree urządzenie opisuje zasoby sterownika, określa multipleksację i rezerwację PIN-ów procesora.
- Cas trwania: 3 dni (24 godziny)
Cel szkolenia
- poznanie zasad działania jądra Linux
- poznanie algorytmów, mechanizmów i ich warstw: planisty, wywołań systemowych, zarządzania pamięcią
- poznanie zasad i dobrych praktyk związanych z tworzeniem sterowników w Linuksie
- wykształcenie praktycznych umiejętności pisania sterowników (obsługi pamięci, przerwań, komunikacji z przestrzenią użytkownika, współbieżności itp.)
- poznanie frameworków dostarczanych przez jądro: model sterowników urządzeń, klasy urządzeń: misc, input, net, framebuffer i inne
- nabycie praktycznych umiejętności programowa w jądrze, debugowania go i rozwiązywania problemów
Program szkolenia
Dzień 1
- Wprowadzenie do programowania w jądrze Linux.
- Budowa systemu przy pomocy narzędzi automatycznych na przykładzie Yocto Project.
- Przygotowanie środowiska pracy, programy pomocnicze i ich wersje.
- Praca z kodem źródłowym jądra i zewnętrznych modułów w środowisku Eclipse i VSCode (do wyboru)
- Uruchamianie jądra systemu, rola bootloadera. U-BOOT.
- Moduły jądra - zarządzanie modułami, organizacja kodu jądra.
- Komunikacja z przestrzenią użytkownika: wywołania systemowe, rodzaje urządzeń (blokowe, znakowe, sieciowe), inne interfejsy komunikacyjne: procfs, sysfs, debugfs
- Działanie wywołań systemowych w architekturach x86 i ARM.
Ćwiczenia
- Konfiguracja systemu budowania Yocto. Budowanie systemu (dla zaoszczędzenia czasu dostarczone są: cache i prekompilowane obrazy/toolchain).
- Instalacja SDK zbudowanego przez Yocto.
- Konfiguracja i kompilacja jądra Linux - uruchomienie o na urządzeniu.
- Konfiguracja Eclipse do pracy z kodem źródłowym jądra i modułów.
- Kompilacja i ładowanie/wyładowanie modułów jądra.
- kompilacja modułów -- prosty moduł, moduł z parametrami (chodzi o poznanie specyfiki pracy z kodem)
- pisanie modułu "wirusa" - ćwiczenie przekrojowe - analizowanie wywołań systemowych, odnajdywanie implementacji wywołania w jądrze, operacje na listach, operacje na modułach.
- przykładowe moduły prezentujące sposoby komunikacji proces <-> jądro Linux.
Dzień 2
- Komunikacja ze sprzętem (wejście-wyjście).
- przestrzeń adresowa procesora, adresowanie fizyczne, wirtualna przestrzeń adresowa
- Procesy: pamięć wirtualna, przestrzeń adresowa procesu, cykl życia procesu, tworzenie procesu, atrybuty procesu,
task_struct, implementacja wątków. - MMU, TLB - mapowanie adresów wirtualnych na fizyczne
- Zarządzanie pamięcią, przestrzeń adresowa, alokacja pamięci, działanie systemu w środowisku z niewystarczającą ilością pamięci (
kmalloc,kzalloc,vmalloc,get_free_pages,ioremap, SLAB,SLUB, SLOB,oom_killer) - Zunifikowany model urządzeń w Linuksie. W jaki sposób system widzi i organizuje urządzenia? magistrala, sterownik magistrali, sterownik kontrolera, urządzenie, automatyczne kojarzenie sterowników z urządzeniami,
- Magistrala platform. Specyfikowanie urządzeń przy pomocy Device-Tree.
- Magistrala I2C, specyfika urządzeń i sterowników I2C.
- (opcjonalnie) Magistrala SPI, specyfika urządzeń i sterowników SPI.
- (opcjonalnie) Magistrala PCI, specyfika urządzeń i sterowników PCI.
- (opcjonalnie) Magistrala USB, specyfika urządzeń i sterowników USB.
Ćwiczenia
- Dostęp do fizycznych adresów z poziomu aplikacji i kodu jądra (
/dev/mem,ioremap()) - Prosty sterownik portu szeregowego - implementacja odczytów i zapisów do urządzenia znakowego, dostęp do rejestrów procesora.
- Alokacja pamięci - eksperymenty
- Konfiguracja Device-Tree dla kontrolega I2C i urządznia - ekspandera I2C.
- Implementacja sterownika magistrali platform.
- Implementacja obsługi wielu urządzeń w sterowniku (współbieżny dostęp do wielu urządzeń).
- Komunikacja z ekspanderem, udostępnianie funkcji ekspandera przy użyciu frameworka misc
- Urządzenia input (
polled_input) - sterownik klawiatury.
Dzień 3
- Przerwania: sposób obsługi i rejestracji przerwań w jądrze, dolne połówki (
softirq,tasklet,workqueue), przerwania w wątkach (RT). - Wejście-wyjście oparte na przerwaniach: synchronizacja proces-jądro,
waitqueue, przykłady rzeczywistych sterowników, - Planista: O(1), CFQ, cgroup, implementacja planisty, klasy szeregowania procesów (
SCHED_OTHER,SCHED_FIFO,SCHED_RR,SCHED_DEADLINE), priorytety procesów, - Wirtualny system plików - budowa i implementacja.
- Zaawansowane operacje na plikach w VFS -- komunikacja z przestrzenią użytkownika - metody synchroniczne i asynchroniczne,
ioctl,mmap,AIO. - Czas w jądrze systemu: pomiar upływu czasu, wstrzymanie uruchomienia - usypianie na określony czas, oczekiwanie na zdarzenia, timery, timery wysokiej rozdzielczości.
- Wielowątkowość i synchronizacja zasobów (zmienne atomowe, mutexy, semafory, spinlock, zmienne warunkowe, algorytmy niewymagające blokowania - RCU).
- DMA, zasada działania, alokacja pamięci dla DMA, synchronizacja.
- Podsystem urządzeń wejściowych interfejsu użytkownika (input).
- Urządzenia blokowe - struktura sterownika i wydajność.
- Urządzenia sieciowe - struktura sterownika, kontrola transmisji, interfejs gniazd, strojenie parametrów, NAPI
- Wybrane zagadnienia związane z debugowaniem i profilowaniem jądra systemu:
- metody i narzędzia debugowania
- oops - analiza zrzutów stosu i rejestrów
- zewnętrzne metody debugowania: KGDB, QEMU, JTAG (dla platform wbudowanych)
- śledzenie wykonania i profilowanie jądra: ftrace, perf, LTTng
- wykrywanie wycieków pamięci - narzędzia, dobre praktyki, praktyczne przykłady.
Ćwiczenia
- Realizacja sterownika ekspandera z użyciem obsługi przerwań.
- Debugowanie sterownika i obsługi przerwań.
- Eksperymenty z przykładowymi sterownikami i programami.
- Praktyczne profilowanie systemu przy użyciu LTTng.