Programowanie sterowników urządzeń w jądrze Linux

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:

4 dni (32 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, urdządzenia klas: 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.
• Przygotowanie środowiska pracy, programy pomocnicze i ich wersje.
• Praca z kodem źródłowym jądra i zewnętrznych modułów w środowisku Eclipse.
• Uruchamianie jądra systemu, rola bootloadera. U-BOOT.
• Moduły jądra - zarządzanie modułami, organizacja kodu jądra.
• Komunikacja z przestrzenią użytkownika: wywołania systemowe. 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 żródłowym jądra i modułów.
• (opcjonalnie) Konfiguracja QTCreator-a do pracy z kodem żródłowym 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.

Dzień 2

• Komunikacja ze sprzętem (wejście-wyjście).
• przestrzeń adresowa procesora, adresowanie fizyczne, wirtualna przestrzeń adresowa
• MMU, TLB - mapowanie adresów wirtualnych na fizyczne
• Procesy: pamięć wirtualna, przestrzeń adresowa procesu, cykl życia procesu, tworzenie procesu, atrybuty procesu, task_struct, implementacja wątków.
• 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)
• Komunikacja proces-jądro
  • rodzaje urządzeń udostępnianych przez jądro,
  • urządzenia znakowe,
  • wymiana danych (kopiowanie, mmap())

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

Dzień 3

• 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.
• Magistrala SPI, specyfika urządzeń i sterowników SPI.
• (opcjonalnie) Magistrala PCI, specyfika urządzeń i sterowników PCI.
• (opcjonalnie) Magistrala USB, specyfika urządzeń i sterowników USB.
• Urządzenia blokowe – struktura sterownika i wydajność.
• Urządzenia sieciowe – struktura sterownika, kontrola transmisji, interfejs gniazd, strojenie parametrów,
• Podsystem urządzeń wejściowych interfejsu użytkownika (input).

Ćwiczenia

• Konfiguracja Device-Tree dla kontrolega I2C i urządznia - ekspandera I2C.
• Implementacja sterownika magistrali platform.
• Implementacja obsługi wielu urządzeń w sterowniku.
• Komunikacja z ekspanderem, udostępnianie funkcji ekspandera przy użyciu frameworka misc
• Urządzenia input (polled_input) - sterownik klawiatury.

Dzień 4

• 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, SHCED_FIFO, SCHED_RR, SCHED_DEADLINE), priorytety procesów, afiniczność.
• 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.
• Debugowanie i profilowanie jądra systemu:
• metody i narzędzia debugowania
• printk i funkcje pomocnicze
• debugfs
• oops – analiza zrzutów stosu i rejestrów
• zewnętrzne metody debugowania: KGDB, QEMU, JTAG (dla platform wbudowanych)
• śledzenie wykonania i profilowanie jądra: ftrace, perf, LTTng
• wykrywanie zakleszczeń
• 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.