Objectifs de la formation
- Maîtriser le développement de pilotes de périphériques
- Comprendre en détail les mécanismes internes du noyau
- Savoir développer et intégrer de nouveaux éléments dans le noyau Linux
- Ecrire un pilote périphérique en mode caractère ou bloc
Programme de la formation
Présentation du noyau
- Vue d’ensemble du système et rôle du noyau.
- Les sites de référence.
- Spécificités des noyaux 3.x et 4.x.
- Cycles de développement du noyau, les patchs.
- Mode de fonctionnement (superviseur et utilisateur). Appels système.
- Organisation des sources (Include/linux, Arch, Kernel, Documentation…).
- Principe de compilation du noyau et des modules.
- Les dépendances et symboles.
- Les exportations de symboles.
- Le chargement du noyau (support, argument…).
Travaux pratiques
Compilation et installation d’un noyau 3.x.
Les outils utilisables
- Outils de développement (Gcc, Kbuild, Kconfig et Makefile…).
- Outils de débogage (GDB, KGDB, ftrace…).
- Environnement de débogage (Linux Trace Toolkit…).
- Outil de gestion de version (Git…).
- Tracer les appels système (ptrace…).
Travaux pratiques
Installer l’ensemble des outils et des sources pour générer un module pour le noyau. Configurer le système pour effectuer le chargement automatique de module au boot. Ecriture et test de modules simples.
Gestion des threads, scheduling
- Les différents types de périphériques.
- Contextes de fonctionnement du noyau. Protection des variables globales.
- Représentation des threads (état, structure task_stru, thread_info…).
- Les threads, contexte d’exécution.
- Le scheduler de Linux et la préemption.
- Création d’un thread noyau (kthread_create, wakeup_process…).
Travaux pratiques
Créer un module qui crée un thread noyau lors de l’insertion et le décharge lors du rmmod. Ecriture d’un module d’horodatage d’événements à haute précision. Ecriture d’un module d’information sur les structures internes des processus.
Gestion de la mémoire, du temps et de proc
- L’organisation mémoire pour les architectures UMA et NUMA.
- L’espace d’adressage utilisateur et noyau.
- La gestion de pages à la demande (demand paging).
- Allocations mémoire, buddy allocator, kmalloc, slabs et pools mémoire.
- La gestion des accès à la mémoire (les caches et la MMU).
- Les problèmes liés à la sur-réservation de la mémoire.
- Gestion de la mémoire sur x86 et ARM, utilisation des Hugepages.
- Optimisation des appels systèmes (IAPX32, VDSO).
- Synchronisations et attentes dans le noyau, waitqueues, mutex et les completions.
- Les ticks et les jiffies dans Linux.
- L’horloge temps réel, RTC (real Time Clock), implémentation des timers.
- Interface timers haute résolution, estampilles.
- Les outils spécifiques au noyau, listes chaînées, kfifo et container_of.
- L’interface noyau avec /proc par le procfs.
Travaux pratiques
Utilisation des timers et des estampilles. Implémentation d’un accès au procfs. Mise en œuvre de l’allocation mémoire dans le noyau et optimisation à l’aide des slabs.
Périphérique en mode caractère
- Ecriture de pilotes de périphériques caractère.
- Le VFS (Virtual File System).
- Les méthodes associées aux périphériques caractères.
- Gestion des interruptions DMA et accès au matériel.
- Enregistrement des pilotes de périphériques de type caractère et optimisations.
Travaux pratiques
Ecriture progressive d’un pilote périphérique en mode caractère. Implémentation des synchronisations d’entrée-sortie entre threads et avec la routine d’interruption. Implémentation de l’allocation mémoire.
Linux Driver Framework – sysfs
- Présentation du framework, kobject, kset et kref.
- Les objets drivers, device driver, bus et class.
- Utilisation et génération des attributs présentés dans le sysfs.
- Interface avec le hotplug, méthodes match, probe et release.
- Gestion du firmware.
- Gestion de l’énergie, méthodes de gestion de l’énergie.
Travaux pratiques
Implémentation d’un bus, d’un driver et d’un device driver. Adaptation du pilote de périphériques caractère. Exemple d’utilisation de l’interface.
Périphérique en mode bloc et systèmes de fichiers
- Principe des périphériques en mode bloc. Enregistrement du driver.
- Callback de lecture et écriture. Support du formatage et opérations avancées.
- Ordonnanceur des entrées-sorties par bloc du noyau.
- Conception des systèmes de fichiers.
- Enregistrement d’un nouveau système de fichiers.
Travaux pratiques
Exemple de pilote complet de périphérique virtuel. Exemple d’un système de fichiers personnalisé.
Interfaces et protocoles réseau
- Gestion des interfaces réseau sous Linux.
- Utilisation des skbuff.
- Les hooks netfilter.
- Intégration d’un protocole.
Travaux pratiques
Exemple de driver réseau pour périphérique virtuel. Implémentation de protocole réseau.
Drivers pour périphériques USB
Les gadgets USB.
Principe des périphériques USB. Interface avec le module USB-core.
Interaction du périphérique avec le noyau Linux.
Construction d’un URB (USB Request Block).