Formation - Écriture de drivers et programmation noyau Linux

1 - 1ère partie : Programmer pour le noyau Linux

2 - Noyau Linux et modules

• Modèle
• Versions
• Licence GPL
• Développement du noyau
• Appels-systèmes
• Modules
• Travaux pratiques : observation des appels-système invoqués par des applications et commandes utilisateur et manipulation des modules précompilés

3 - Outils de développement noyau

• Sources
• Compilation du noyau et des modules
• Écriture et compilation de modules
• Cross-compilation
• Messages
• Dépendances
• Travaux pratiques : compilation et installation d'un noyau, écriture de modules simples, intégration dans le noyau, paramètres au boot, cross-compilation sur Raspberry Pi

4 - API du noyau

• Chaînes
• Blocs mémoire
• Fonctions numériques et conversions
• Éléments temporels et actions différées
• Préemptibilité du noyau
• Travaux pratiques : écriture d'un module d'horodatage, chronométrage des phases de boot, mesure de précision d'horloge et mesure de durée d'un appel-système

5 - Environnement du noyau

• Tâches et processus courants
• Espaces d'adressage
• Dialogue avec /proc
• Travaux pratiques : écriture d'un module d'information sur les structures internes des processus, écriture d'un module d'horodatage via /proc et tests sur Raspberry Pi

6 - 2ème partie : Écriture d'un driver

7 - Écriture d'un pilote de périphérique

• Principe
• Numéros majeurs et mineurs
• Classes de périphériques
• Enregistrement du driver
• Fonctions de lecture et écriture
• Travaux pratiques : manipulation des fichiers spéciaux, réservation de numéro majeur, enregistrement de périphérique et écriture d'un driver simple

8 - Appels-système et I/O

• Paramétrage par ioctl
• Synchronisation d'appels-système par mutex
• Accès matériel
• Ports d'entrées-sorties
• GPIO sur carte embarquée
• Travaux pratiques : mise en évidence de la nécessité des mutex, écriture d'un driver d'entrées-sorties sur GPIO du Raspberry Pi

9 - Gestion d'interruption

• Contextes d'exécution
• Installation d'un handler
• Traitement différé (tasklet, workqueue et thread interrupt)
• Travaux pratiques : écriture d'un gestionnaire sur interruption clavier PC et sur GPIO du Raspberry Pi, visualisation des threadeds interrupts

10 - Interactions entre appels-système et interruptions

• Protection des variables globales (spinlock)
• Attentes d'événements (waitqueue)
• Appels-système bloquants
• Travaux pratiques : influence des priorités temps-réel sur les threads d'interruption et mesure de temps de latence des interruptions du Raspberry Pi

11 - 3ème partie : Aspects avancés d'un driver de périphérique

12 - Entrées-sorties avancées

• Multiplexage d'entrée-sorties (select et poll)
• Principes des transferts de données par DMA
• Travaux pratiques : création d'un périphérique "file de messages" virtuel implémentant plusieurs appels-système, implémentation de select sur des entrées GPIO

13 - Gestion de la mémoire

• Allocation et libération de mémoire (kmalloc, vmalloc, get_free_pages, kmem_cache)
• Projections (mmap)
• Travaux pratiques : expériences sur la projection mémoire en espace utilisateur et allocations mémoire maximales

14 - Périphériques blocs et VFS

• Principes
• Enregistrement
• Disque générique
• File de requêtes
• Partitionnement
• Sous-système Block, i/o scheduler
• Virtual File System
• Travaux pratiques : écriture d'un driver de disque virtuel, partitionnement, formatage et montage de disque virtuel, observation des effets des caches-disques du VFS

15 - Périphériques PCI Express

• Principe
• Détection et enregistrement de driver
• Base Address Registers
• Interruptions classiques et MSI
• Travaux pratiques : étude d'un driver PCIe de pilotage d'une carte à FPGA

16 - 4ème partie : Autres types de périphériques

17 - Périphériques réseau

• Interfaces bas-niveau et protocoles réseau
• Périphérique net_device
• Enregistrement
• Activation
• Émission et réception de paquets
• Travaux pratiques : écriture progressive d'un driver pour périphérique virtuel permettant l'utilisation du protocole IPv4

18 - Communications réseau

• Statistiques d'utilisation d'interface
• Principes de la pile IP
• Communications entre protocoles et interface bas-niveau
• Travaux pratiques : examen du trajet des données au sein de la pile IPv4 lors de réception et d'émission de données avec le protocole TCP/IP

19 - Utilisation du bus USB

• Organisation du sous-système USB de Linux
• Implémentation d'un driver Interrupt
• Type de Endpoints
• Communication avec les URB
• Travaux pratiques : écriture d'un driver pour carte d'entrée-sortie Velleman K8055

20 - Aspects avancés

• Écritures successives rapides
• Déconnexions intempestives
• Accès concurrents
• Exemples de drivers Bulk, Control et Isochrones

21 - Conclusion : discussions libres sur l'ensemble des thèmes abordés

22 - Travaux pratiques : expérimentations libres suivant les demandes des participants