دانلود کتاب آموزشی Embedded Linux Performance Optimization جلد اول

دوره آموزشی Embedded Linux Performance Optimization بر روی بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌های لینوکس امبدد (Embedded Linux) تمرکز دارد و شامل سر فصل‌های تخصصی برای بهبود بهره‌وری سیستم‌های با منابع محدود است. سر فصل‌های این دوره به طور معمول شامل موارد زیر می‌باشد:

بخش 1. مقدمه به بهینه‌سازی عملکرد

فصل 1. تعریف عملکرد در سیستم‌های لینوکس امبدد

• مفهوم عملکرد از دیدگاه سیستم‌های محدود منابع

• تفاوت “عملکرد سیستم” با “پایداری” و “قابلیت اطمینان”

• درک نقش عملکرد در پایداری سیستم‌های صنعتی، IoT و بلادرنگ

فصل 2. اهداف بهینه‌سازی در Embedded Linux

• افزایش سرعت اجرای نرم‌افزار

• کاهش مصرف حافظه و منابع

• بهبود زمان پاسخ‌گویی سیستم

• کاهش زمان بوت

• صرفه‌جویی در مصرف انرژی

• افزایش عمر سخت‌افزار در تجهیزات خاص

فصل 3. چالش‌ها و محدودیت‌های رایج در سیستم‌های امبدد

• محدودیت‌های سخت‌افزاری (CPU، RAM، Flash)

• معماری‌های خاص پردازنده (ARM، RISC-V، MIPS)

• وابستگی به اندازه فایل سیستم و کرنل

• اجرای پایدار در دمای بالا، فضای صنعتی یا باتری‌محور

• نداشتن فضای کافی برای دیباگ و لاگ

فصل 4. اهمیت انتخاب معماری، کرنل و ابزارهای توسعه

• مقایسه معماری‌های پردازنده رایج در Embedded

• انتخاب نوع سیستم‌عامل (RTOS vs Embedded Linux)

• تاثیر نوع بوت‌لودر، فایل سیستم و ابزارهای Buildroot/Yocto در عملکرد

فصل 5. درک زمان‌بندی و نحوه اجرای وظایف در لینوکس

• مفاهیم زمان‌بندی در کرنل لینوکس

• رفتار سیستم در زمان بار سنگین

• تاثیر ساختار برنامه‌نویسی در عملکرد نهایی سیستم

• تفاوت اجرای Thread، Process و Task در سیستم‌های بلادرنگ

فصل 6. معیارها و شاخص‌های اندازه‌گیری عملکرد

• شاخص‌های کلیدی در CPU، RAM، I/O و شبکه

• تفاوت Throughput و Latency

• تحلیل Bottleneck و مفهوم گلوگاه

• مفهوم Benchmarking و انواع تست‌های عملکردی در Embedded

• تعریف SLA در سیستم‌های امبدد صنعتی

فصل 7. معیارهای نرم‌افزاری در بهینه‌سازی

• حجم کد اجرایی و وابستگی به کتابخانه‌ها

• طراحی ماژولار و تأثیر آن بر مصرف منابع

• انتخاب زبان برنامه‌نویسی مناسب برای سیستم‌های محدود

• تحلیل سبک‌وزنی (Lightweightness) نرم‌افزارهای سیستم امبدد

فصل 8. جایگاه بهینه‌سازی در چرخه عمر توسعه نرم‌افزار امبدد

• نقش Performance Optimization در مراحل مختلف توسعه

• بررسی زمان مناسب برای اعمال بهینه‌سازی

• ارتباط بین Debugging و Performance Tuning

• ارتباط بین Testing، Profiling و Optimization

فصل 9. نقش بهینه‌سازی در افزایش امنیت و پایداری سیستم

• تأثیر بهینه‌سازی حافظه در جلوگیری از حملات

• کاهش بار پردازشی برای جلوگیری از Denial of Service

• استفاده از ساختارهای امن و سبک در طراحی برنامه‌ها

فصل 10. مقدمه‌ای بر ابزارها و روش‌های آینده بهینه‌سازی

• آشنایی اولیه با ابزارهای رایج آنالیز عملکرد

• نقش Automation و Continuous Integration در Performance Testing

بخش 2. تحلیل و پروفایلینگ سیستم

فصل 1. مفاهیم پایه در پروفایلینگ و مانیتورینگ عملکرد

• تعریف پروفایلینگ (Profiling) و مانیتورینگ (Monitoring)

• تفاوت بین زمان اجرا (Runtime)، مصرف منابع، و تأخیر سیستم

• انواع Bottleneckها: CPU، حافظه، دیسک، شبکه و سیستم‌فایل

فصل 2. بررسی فرآیندها و وضعیت کلی سیستم

• مشاهده و تحلیل وضعیت کلی CPU، RAM و فرآیندها در لحظه

• شناسایی پردازش‌های پرمصرف و تحلیل رفتار آن‌ها

• پایش پیوسته عملکرد سیستم برای شناسایی رفتارهای غیرعادی

فصل 3. ابزارهای بررسی مصرف منابع

• ابزارهای بررسی مصرف CPU و Load Average

• ابزارهای نظارت بر مصرف حافظه (فیزیکی و Swap)

• ابزارهای مشاهده عملیات ورودی/خروجی دیسک و تأخیرها

• ابزارهای تحلیل مصرف پهنای باند شبکه

فصل 4. تحلیل عملکرد نرم‌افزار در سطح سیستم‌عامل

• ردیابی فراخوانی‌های سیستمی (System Calls) و بررسی زمان اجرا

• بررسی ارتباط بین ماژول‌های نرم‌افزاری و کرنل

• تشخیص فعالیت‌های غیرضروری در زمان اجرا

فصل 5. ابزارهای تحلیل دقیق رفتار کد

• ابزارهای اندازه‌گیری زمان اجرای توابع و مسیرهای کد

• یافتن توابع یا ساختارهای غیر بهینه در کد

• ردیابی حافظه تخصیص‌یافته و نشتی حافظه (Memory Leaks)

فصل 6. تحلیل الگوهای بار کاری و سناریوهای عملکردی

• ایجاد و شبیه‌سازی بارهای کاری مختلف برای سنجش عملکرد

• سنجش پاسخ سیستم به شرایط بحرانی (Stress Test)

• ارزیابی مصرف منابع در زمان اجرای واقعی برنامه‌ها

فصل 7. ابزارهای تخصصی برای پروفایلینگ پیشرفته

• دسته‌بندی ابزارها: سطح کرنل، سطح کاربر، گرافیکی و متنی

• انتخاب ابزار مناسب برای نیاز خاص: حافظه، زمان اجرا، دیسک یا شبکه

• ترکیب ابزارهای مختلف برای رسیدن به تحلیل جامع

فصل 8. ثبت و تحلیل لاگ‌های عملکرد

• نحوه جمع‌آوری، ذخیره‌سازی و فیلتر لاگ‌های سیستمی

• استخراج اطلاعات قابل تحلیل از لاگ‌ها

• تشخیص مشکلات مزمن از طریق بررسی الگوهای تکرارشونده در لاگ‌ها

فصل 9. نکات مهم در پروفایلینگ سیستم‌های امبدد

• محدودیت‌های منابع در زمان اجرای ابزارهای مانیتورینگ

• انجام تحلیل با کمترین سربار ممکن

• زمان‌بندی صحیح مانیتورینگ در شرایط واقعی عملیاتی

بخش 3. بهینه‌سازی هسته لینوکس (Linux Kernel Optimization)

فصل 1. مفاهیم پایه در ساختار و عملکرد هسته لینوکس

• بررسی نقش هسته در مدیریت منابع و پردازش‌ها

• اجزای کلیدی هسته (Scheduler، Memory Manager، Interrupt Handler و …)

• تفاوت‌های هسته عمومی با هسته‌های امبدد

فصل 2. انتخاب و پیکربندی هسته مناسب برای سیستم‌های امبدد

• انتخاب نسخه مناسب هسته برای دستگاه هدف

• بررسی تفاوت بین هسته‌های Mainline و Vendor-specific

• اصول پیکربندی هسته (Kernel Configuration) و انتخاب ماژول‌ها

فصل 3. حذف مؤلفه‌ها و ماژول‌های غیرضروری برای کاهش حجم و بار سیستمی

• شناسایی مؤلفه‌های غیرقابل استفاده در سیستم هدف

• کاهش حجم فایل هسته و بهبود زمان بوت

• مدیریت ماژول‌های بارگذاری‌شونده و Built-in

فصل 4. بهینه‌سازی Scheduler و زمان‌بندی وظایف

• انتخاب نوع Scheduler مناسب (CFS، RT، Deadline و …)

• تنظیمات مربوط به Priority و Affinity در پردازش‌ها

• کاربرد Context Switching و تاثیر آن بر عملکرد

فصل 5. استفاده از قابلیت‌های Real-Time در هسته

• معرفی PREEMPT_RT Patch و ویژگی‌های آن

• مزایا و معایب سیستم Real-Time برای امبدد

• پیاده‌سازی یک سیستم Real-Time مبتنی بر لینوکس

فصل 6. کاهش تاخیرهای سیستم و افزایش پاسخ‌گویی

• شناسایی منابع Latency در مسیر اجرای برنامه‌ها

• تکنیک‌های حذف یا کاهش Latency در I/O، IRQ و Context Switch

• بررسی تاثیر Latency در عملکرد Real-Time

فصل 7. بهینه‌سازی مدیریت وقفه‌ها (Interrupt Handling)

• طراحی بهینه مسیر دریافت و پردازش وقفه‌ها

• تعیین استراتژی SoftIRQ و Tasklet در سیستم امبدد

• مدیریت IRQ Binding و Masking

فصل 8. استفاده از تکنیک‌های CPU Idle و CPU Frequency Scaling

• حالت‌های Idle در پردازنده و نقش آن‌ها در مصرف انرژی

• کنترل فرکانس پردازنده با توجه به بار کاری

• تأثیر تنظیمات CPU Governor بر عملکرد سیستم

فصل 9. تخصیص منابع به پردازش‌ها در سطح کرنل

• کنترل دسترسی و مدیریت منابع در سطح هسته

• استفاده از Cgroups برای محدود سازی منابع

• کنترل پردازش‌های زمان‌بر یا پرمصرف

فصل 10. تحلیل عملکرد کرنل با ابزارهای سطح پایین

• ابزارهای Trace و Profile برای عملکرد هسته

• ثبت رفتار هسته در شرایط مختلف بار

• مشاهده Bottleneckهای داخل کرنل

بخش 4. مدیریت حافظه

فصل 1. مقدمه‌ای بر ساختار حافظه در لینوکس

• معماری حافظه در سیستم‌های لینوکس (کاربر، کرنل، کش‌ها)

• تفاوت بین حافظه فیزیکی و مجازی

• انواع تخصیص‌دهنده‌های حافظه در سیستم‌های امبدد

فصل 2. محدودیت‌های حافظه در سیستم‌های امبدد

• تاثیر کمبود حافظه RAM بر عملکرد

• بررسی محدودیت‌های حافظه در سیستم‌های بدون MMU

• نقش حافظه کش، حافظه سوآپ، و محدودیت‌های CPU در مدیریت حافظه

فصل 3. مدیریت حافظه پویا (Dynamic Memory Allocation)

• بررسی روش‌های تخصیص حافظه در زمان اجرا

• تحلیل مشکلات Memory Leak و Fragmentation

• معرفی الگوریتم‌های تخصیص حافظه مناسب برای سیستم‌های با منابع محدود

فصل 4. کاهش Fragmentation در حافظه

• تفاوت Fragmentation داخلی و خارجی

• تکنیک‌های کاهش Fragmentation در برنامه‌نویسی C/C++

• نقش تخصیص‌دهنده‌های کارآمد در کاهش Fragmentation

فصل 5. استفاده بهینه از حافظه کش (Cache Management)

• معرفی انواع Cache (L1, L2, CPU Cache)

• نقش Cache در عملکرد پردازنده و زمان پاسخ‌دهی

• تکنیک‌های افزایش بهره‌وری از Cache در برنامه‌های Embedded

فصل 6. تحلیل استفاده از حافظه در سطح سیستم

• روش‌های پایش مصرف حافظه

• تحلیل برنامه‌ها برای شناسایی مصرف‌کنندگان اصلی حافظه

• شناسایی نشت حافظه در برنامه‌های در حال اجرا

فصل 7. بهینه‌سازی تخصیص حافظه در کرنل لینوکس

• بررسی زیرسیستم حافظه در کرنل لینوکس

• نقش Memory Zones، Page Cache و Slab Allocator

• پیکربندی کرنل برای تخصیص بهتر حافظه در سیستم‌های امبدد

فصل 8. نقش حافظه مجازی در عملکرد سیستم‌های دارای MMU

• بررسی مزایا و معایب استفاده از حافظه مجازی

• تحلیل عملکرد Page Faults و تاثیر آن‌ها بر زمان پاسخ سیستم

• سیاست‌های مدیریت حافظه مجازی در سیستم‌های Real-Time

فصل 9. استفاده از تکنیک‌های Memory Pooling

• تعریف و کاربرد Memory Pools

• مقایسه Memory Pool با تخصیص سنتی

• مزایا و محدودیت‌های استفاده از Memory Pool در برنامه‌های واقعی

فصل 10. مدیریت حافظه در زبان‌های مختلف برنامه‌نویسی

• مقایسه مدیریت حافظه در C، C++، و زبان‌های سطح بالاتر

• بررسی Garbage Collection در مقابل Manual Memory Management

• انتخاب زبان مناسب با توجه به محدودیت‌های حافظه

فصل 11. مطالعه موردی (Case Study) از بهینه‌سازی حافظه در یک پروژه واقعی

• بررسی پروژه با مصرف حافظه بالا

• تحلیل گلوگاه‌های حافظه و نشت منابع

• ارائه راه‌حل‌های عملی برای کاهش مصرف حافظه

بخش 5. بهینه‌سازی سیستم فایل (Filesystem Optimization)

فصل 1. مفاهیم پایه‌ای فایل‌سیستم در لینوکس امبدد

• نقش فایل‌سیستم در عملکرد کلی سیستم

• ساختارهای متداول فایل‌سیستم در محیط‌های Embedded

• تفاوت فایل‌سیستم‌های read-write و read-only

فصل 2. انتخاب فایل‌سیستم مناسب برای سیستم‌های Embedded

• بررسی فایل‌سیستم‌های رایج مانند Ext2/Ext3/Ext4

• معرفی فایل‌سیستم‌های ویژه فلش مانند JFFS2، YAFFS2، UBIFS

• معیارهای انتخاب فایل‌سیستم: پایداری، سرعت، مصرف حافظه، قابلیت تحمل خطا

• مقایسه فایل‌سیستم‌های مبتنی بر بلاک و فایل‌سیستم‌های مبتنی بر MTD

فصل 3. بهینه‌سازی تنظیمات فایل‌سیستم برای عملکرد بهتر

• تنظیمات mount برای افزایش سرعت و کاهش نوشتن

• استفاده از گزینه‌های لاجیکال برای غیرفعال‌سازی ویژگی‌های غیرضروری

• بررسی نقش journal در عملکرد و تأخیر فایل‌سیستم‌ها

فصل 4. مدیریت حافظه فلش و نکات بهینه‌سازی

• اصول طراحی فایل‌سیستم برای حافظه‌های NAND و NOR

• بهینه‌سازی برای جلوگیری از سایش حافظه (Wear Leveling)

• اهمیت Garbage Collection در فایل‌سیستم‌های فلش

• همبستگی بین block size و کارایی دسترسی

فصل 5. فشرده‌سازی فایل‌سیستم برای کاهش حجم و افزایش سرعت دسترسی

• استفاده از squashfs برای ساخت rootfs فشرده

• مزایا و معایب فشرده‌سازی فایل‌سیستم در کاربردهای مختلف

• زمان‌بندی برای فشرده‌سازی در مرحله build نه runtime

فصل 6. بررسی سلامت و پایداری فایل‌سیستم در زمان اجرا

• ابزارهای بررسی خرابی و تعمیر فایل‌سیستم

• تأثیر power loss و reset ناگهانی بر ساختار فایل‌سیستم

• طراحی مکانیزم‌های خودترمیم برای افزایش دوام فایل‌سیستم

فصل 7. ساخت و آماده‌سازی فایل‌سیستم در مرحله توسعه

• روش‌های ایجاد image برای فلش و فایل‌سیستم

• آماده‌سازی فایل‌سیستم به صورت readonly یا read/write

• مدیریت به‌روزرسانی فایل‌سیستم (OTA Update Strategies)

فصل 8. فایل‌سیستم‌های درون حافظه (In-Memory Filesystems)

• استفاده از tmpfs و ramfs برای داده‌های موقتی

• مزایا در کاهش دسترسی به فلش و افزایش سرعت

• موارد استفاده در طراحی rootfs یا لاگ‌های موقت

فصل 9. تکنیک‌های کاهش تعداد نوشتن روی فلش

• لاگینگ به صورت موقت در RAM

• کش کردن داده‌ها به جای نوشتن آنی

• نوشتن گروهی (Write Coalescing) و بافرینگ

فصل 10. مدیریت پارتیشن‌بندی برای افزایش عملکرد

• تقسیم‌بندی دقیق بر اساس نوع داده (کد، داده، لاگ‌ها)

• تخصیص بهینه فضای پارتیشن‌ها

• جداسازی rootfs، data و log برای کاهش تداخل دسترسی