LFD435 Entwicklung von Gerätetreibern für embedded Linux-Systeme

Ziele

In diesem Kurs lernen Sie die Entwicklung von Gerätetreibern für Linux-Systeme und erlangen ein Verständnis von Linux-Kernels. Sie erhalten dabei einen Einblick in die unterschiedlichen Typen von Gerätetreibern in Linux sowie in geeignete APIs zur Programmierung von Gerätetreibern. 

Zielgruppe

• Programmierer
• Entwickler

Voraussetzungen

• Kenntnisse zu wesentlichen Kernel-Schnittstellen und Techniken
• Anwendungserfahrung mit Synchronisationsfunktionen
• Grundlagenkenntnisse zu Speicherzuweisung und -verwaltung

Agenda

Einführung

Überblick

• Verfahren
• Kernel-Versionen
• Kernel-Quellen und Verwendung von git
• Hardware

Wie man in OSS-Projekten arbeitet

• Überblick darüber, wie man richtig beiträgt
• Bleiben Sie nah an der Hauptstrecke für Sicherheit und Qualität
• Lernen und Verstehen der Projekt-DNA
• Herausfinden, welches Itch Sie Scratchen möchten
• Identifizieren Sie die Maintainer und ihre Arbeitsabläufe und Methoden
• Frühzeitige Eingaben und Arbeit im Freien erhalten
• Inkrementelle Bits beisteuern, keine großen Code-Dumps
• Lassen Sie Ihr Ego an der Tür: Seien Sie nicht Thin-Skinned
• Seien Sie geduldig, entwickeln Sie langfristige Beziehungen, seien Sie hilfsbereit

Entwicklungsübergreifende Toolchain

• Das Compiler-Triplet
• Eingebauter Cross-Compiler für Linux-Distributionen
• Linaro
• CodeSourcery
• crosstool-ng
• Buildroot
• OpenEmbedded
• Yocto-Projekt

QEMU

• Was ist QEMU?
• Emulierte Architekturen
• Bildformate
• Warum QEMU verwenden?

Booten eines Target Development Board von uSD

• Warum verwenden wir uSD-Karten?
• SW auf eine uSD-Karte bringen
• Warum ist die Verwendung von uSD-Karten eine schlechte Idee?

Booten eines Target-Entwicklungsboards über Ethernet

• Verwendung virtueller Hardware
• Ein einfacherer Weg zur Entwicklung
• Ziele des Labs

Konfigurieren, Compilieren und Booten des Kernels

• Konfigurieren des Kernels für den Entwicklungsausschuss

Gerätetreiber

• Arten von Geräten
• Mechanismus vs. Richtlinie
• Binary Blobs vermeiden
• Energieverwaltung
• Wie Anwendungen Gerätetreiber verwenden
• Durch einen Systemanruf gehen und auf ein Gerät zugreifen
• Fehler-Nummern
• printk()
• devres: Verwaltete Geräteressourcen

Module und Gerätetreiber

• Die module_driver()-Makros
• Module und Hot Plug

Speicherverwaltung und -zuweisung

• Virtueller und physischer Speicher
• Memory Zones
• Page Tables
• kmalloc()
• __get_free_pages()
• vmalloc()
• Slabs und Cache-Zuweisungen

Zeichenorientierte Geräte

• Geräte-Nodes
• Haupt- und Nebenzahlen
• Reservieren von Haupt-/Minderwertigen Nummern
• Zugriff auf den Geräte-Nodes
• Registrieren des Geräts
• udev
• dev_printk() und Associates
• file_operationen Struktur
• Driver Entry für Fahrer
• Die Datei- und Inode-Strukturen
• Diverse Zeichen-Treiber

Kernel-Funktionen

• Komponenten des Kernels
• Benutzer-Space vs. Kernel-Space
• Was sind Systemaufrufe?
• Verfügbare Systemanrufe
• Zeitplanungsalgorithmen und Aufgabenstrukturen
• Prozess-Kontext

Übertragung zwischen User- und Kernel-Space

• Übertragen zwischen Spaces
• put(get)_user() und copy_to(from)_user()
• Direkter Transfer: Kernel-I/O und Speicherzuordnung
• Kernel-I/O
• Abbildung von Benutzerseiten
• Memory Mapping
• User-Space Functions für mmap()
• Driver Entry Point für mmap()
• Zugriff auf Dateien vom Kernel aus

Plattform-Treiber

• Übertragen zwischen Spaces
• put(get)_user() und copy_to(from)_user()
• Direkter Transfer: Kernel-I/O und Speicherzuordnung
• Kernel-I/O
• Abbildung von Benutzerseiten
• Memory Mapping
• User-Space Functions für mmap()
• Driver Entry Point für mmap()
• Zugriff auf Dateien vom Kernel aus

Device Trees

• Was sind Device Trees?
• Was Device Trees tun und was sie nicht tun
• Device Trees-Syntax
• Device Trees-Durchgang
• Device Trees-Bindungen
• Unterstützung von Device Trees in Bootloadern
• Verwendung von Device Trees in Treibern
• Koexistenz und Konversion alter Treiber

Interrupts und Exceptions

• Was sind Interrupts und Exceptions?
• Exceptions
• Asynchrone Unterbrechungen
• MSI
• Aktivieren/Deaktivieren von Unterbrechungen
• Was Sie zur Unterbrechungszeit nicht tun können
• IRQ-Datenstrukturen
• Installieren eines Interrupt-Handlers

Zeitmessungen

• Arten von Timing-Messungen
• Jiffies
• Abrufen der aktuellen Zeit
• Takt-Quellen
• Echtzeituhr
• Programmierbarer Intervall-Timer
• Zeitstempel-Zähler
• HPET
• Tickless werden

Kernel-Timer

• Einfügen von Delays
• Was sind Kernel-Timer?
• Low-Resolution Timer-Funktionen
• Low-Resolution Timer-Implementierung
• High-Resolution Timer
• Verwendung High-Resolution Timer

ioctls

• Was sind Ioctls?
• Treiber Einstiegspunkt für Ioctls
• Ioctl definieren

Firmware

• Was ist Firmware?
• Laden von Firmware

Sleeping und Wait Queues

• Was sind Wait Queues?
• Going to Sleep und Waking Up
• Going to Sleep Details
• Exclusives Sleeping
• Waking Up Details
• Umfrage

Unterbrechungsbehandlung: Aufschiebbare Funktionen und Benutzertreiber

• Top und Bottom Halves
• Softirqs
• Aufgaben
• Work Queues
• Neue Work Queue-API
• Kernel-Threads erstellen
• Threaded Interrupt-Handler
• Behandlung von Unterbrechungen im Benutzerbereich

Hardware-I/Os

• Speicher-Barrieren
• Zuweisen und Zuordnen von I/O-Speicher
• Zugriff auf I/O-Speicher

Direkter Speicherzugriff (DMA)

• Was ist DMA?
• DMA direkt zum Benutzer
• DMA und Unterbrechungen
• DMA-Speicher-Einschränkungen
• DMA-Masken
• DMA-API
• DMA-Pools
• Scatter/Gather Mappings

Speichertechnologie-Geräte (Flash Memory Filesystems)

• Was sind MTD-Geräte?
• NAND vs. NOR vs. eMMC
• Treiber- und Anwendermodule
• Flash-Dateisysteme

USB-Treiber

• Was ist USB?
• USB-Topologie
• Terminologie
• Endpunkte
• Deskriptoren
• USB-Geräte-Klassen
• USB-Unterstützung unter Linux
• Registrieren von USB-Gerätetreibern
• Daten verschieben
• Beispiel eines USB-Treibers

Abschluss- und Bewertungsumfrage

• Evaluations-Umfrage

Anhänge

Booten des Target Development

• Board von uSD
• Ziele des Labs

Kernel-Architektur I

• UNIX und Linux
• Monolithische und Mikrokerne
• Objektorientierte Methoden
• Hauptaufgaben im Kernel
• Benutzer-Space und Kernel-Space

Vorschau der Kernel-Programmierung

• Task-Strukturierung
• Speicherzuweisung
• Übertragen von Daten zwischen Benutzer- und Kernel-Bereichen
• Verknüpfte Listen
• Jiffies

Module

• Was sind Module?
• Ein triviales Beispiel
• Module kompilieren
• Module vs. Eingebaut
• Module Dienstprogramme
• Automatisches Laden/Entladen von Modulen
• Anzahl der Modulnutzungen
• Modul-Lizenzierung
• Symbole exportieren
• Symbole auflösen

Kernel-Architektur II

• Prozesse, Threads und Aufgaben
• Kernel-Befreiung
• Echtzeit Preemption Patches

Kernel-Konfiguration und Kompilierung

• Installation und Layout der Kernel-Quelle
• Kernel-Browser
• Kernel-Konfigurationsdateien
• Kernelbau und Makefiles
• initrd und initramfs

Kernel Style und allgemeine Erwägungen

• Kodierungsstil
• Verwendung generischer Kernel-Routinen und -Methoden
• Erstellen eines Kernel-Patches
• sparse
• Verwendung von likely() und unlikely()
• Schreiben von portablem Code, CPU, 32/64-Bit, Endianness
• Schreiben für SMP
• Schreiben für hohe Speichersysteme
• Energieverwaltung
• Sicherheit im Auge behalten

Race Conditions und Synchronisationsmethoden

• Methoden zur Gleichzeitigkeit und Synchronisierung
• Atomare Operationen
• Bit-Operationen
• Spinlocks
• Seqlocks
• Deaktivieren des Vorkaufs
• Mutexe
• Semaphoren
• Funktionen der Vervollständigung
• Lese-Kopier-Update (RCU)
• Referenzzählungen

Speicheradressierung

• Verwaltung des virtuellen Speichers
• Systeme mit und ohne MMU und TLB
• Speicher-Adressen
• Hoher und niedriger Speicher
• Speicher-Zonen
• Spezielle Geräte-Knoten
• NUMA
• Seite
• Seite Tabellen
• Seitenstruktur

Speicherzuweisung

• Anfordern und Freigeben von Seiten
• Buddy-System
• Slabs und Cache-Zuweisungen
• Speicher-Pools
• kmalloc()
• vmalloc()
• Frühe Zuteilungen und bootmem()
• Defragmentierung