دانلود کتاب آموزشی Cross-Compilation for Embedded Linux جلد اول

سر فصل‌های دوره Cross-Compilation for Embedded Linux معمولاً بر مفاهیم اساسی، ابزارهای مورد نیاز، و فرآیندهای مرتبط با کراس‌کامپایل (Cross-Compilation) متمرکز است. این دوره به توسعه‌دهندگان کمک می‌کند تا بتوانند نرم‌افزارهای خود را برای معماری‌های متفاوت سخت‌افزاری بر روی سیستم‌های امبدد آماده کنند. در ادامه، سر فصل‌های رایج این دوره آورده شده است:

بخش 1. مبانی Cross-Compilation

فصل 1. مقدمه‌ای بر Cross-Compilation

• تعریف کراس‌کامپایل (Cross-Compilation) و مقایسه با نیتیو کامپایل (Native Compilation)
• چرا به کراس‌کامپایل نیاز داریم؟
• کاربردهای کراس‌کامپایل در توسعه سیستم‌های امبدد، اینترنت اشیا (IoT) و سخت‌افزارهای خاص

فصل 2. معماری‌های سخت‌افزاری و تفاوت آن‌ها در Cross-Compilation

• معرفی معماری‌های رایج مانند ARM، MIPS، PowerPC، x86، RISC-V
• بررسی تفاوت‌های ISA (Instruction Set Architecture) در معماری‌های مختلف
• تأثیر تفاوت معماری بر باینری‌های تولیدشده
• معرفی مفاهیم Little Endian و Big Endian در معماری‌های مختلف

فصل 3. تفاوت‌های ABI و تأثیر آن در کراس‌کامپایل

• تعریف ABI (Application Binary Interface) و نقش آن در اجرای برنامه‌ها
• بررسی تفاوت‌های ABI بین معماری‌های مختلف
• بررسی نقش ABI در انتخاب کتابخانه‌های استاندارد مانند glibc، musl، uClibc

فصل 4. بررسی اجزای GNU Toolchain در Cross-Compilation

• معرفی GCC (GNU Compiler Collection) و نقش آن در کراس‌کامپایل
• آشنایی با Binutils (مانند linker، assembler و objdump)
• بررسی نقش C Library (مانند glibc، musl، uClibc) در کراس‌کامپایل
• معرفی GDB (GNU Debugger) برای اشکال‌زدایی برنامه‌های کراس‌کامپایل‌شده

فصل 5. مراحل اصلی فرایند Cross-Compilation

• انتخاب معماری هدف (Target Architecture)
• نصب و راه‌اندازی Cross-Toolchain
• تنظیم Environment Variables برای کراس‌کامپایل
• کامپایل و تولید باینری برای سیستم هدف

فصل 6. چالش‌های رایج در Cross-Compilation

• ناسازگاری کتابخانه‌های باینری با معماری‌های مختلف
• مشکلات مرتبط با وابستگی‌های نرم‌افزاری
• تفاوت در نسخه‌های glibc و مشکلات اجرا روی سخت‌افزار واقعی
• راه‌حل‌های عملی برای رفع این چالش‌ها

بخش 2. معرفی ابزارهای Cross-Compilation

فصل 1. آشنایی با GNU Toolchain برای Cross-Compilation

• GNU Compiler Collection (GCC):
  • معرفی GCC و نقش آن در کراس‌کامپایل
  • تفاوت‌های GCC برای سیستم‌های میزبان و هدف
• GNU Binutils:
  • بررسی ابزارهای کاربردی مانند as، ld، objdump، nm و strip
• Glibc, musl, uClibc:
  • مقایسه و انتخاب کتابخانه مناسب برای سیستم‌های امبدد
  • نحوه کامپایل و پیکربندی کتابخانه‌ها برای معماری‌های مختلف

فصل 2. معرفی و نصب کراس‌کامپایلرهای معروف

• Linaro GCC (ویژه معماری ARM)
  • دانلود و نصب Linaro Toolchain
  • بررسی مزایای Linaro در مقایسه با نسخه‌های دیگر GCC
• ARM GNU Toolchain
  • نصب و راه‌اندازی ابزارهای کراس‌کامپایل برای پردازنده‌های ARM
  • تنظیمات محیطی مورد نیاز
• crosstool-ng (ساخت کراس‌کامپایلر اختصاصی)
  • نصب و راه‌اندازی crosstool-ng
  • ایجاد یک Toolchain سفارشی برای معماری خاص

فصل 3. بررسی نقش هر ابزار در فرآیند کراس‌کامپایل

• Preprocessor (cpp): پردازش اولیه کد منبع
• Compiler (gcc, clang): تبدیل کد منبع به کد ماشین
• Assembler (as): ترجمه کد اسمبلی به باینری
• Linker (ld): ترکیب فایل‌های شیء و تولید باینری نهایی
• Archiver (ar): ساخت کتابخانه‌های استاتیک
• Debugger (gdb): دیباگ برنامه‌های کراس‌کامپایل‌شده

فصل 4. بررسی ساختار Toolchain و اجزای آن

• تفاوت Native Toolchain و Cross Toolchain
• ساختار یک Toolchain و اجزای اصلی آن
• انتخاب نسخه مناسب GCC و Glibc برای معماری هدف

فصل 5. بررسی پیش‌نیازهای استفاده از کراس‌کامپایلرها

• تنظیم متغیرهای محیطی مانند PATH, CC, CXX, LD, AR, RANLIB
• نحوه بررسی صحت نصب کراس‌کامپایلر (gcc --version, ld --version)
• تست اولیه کامپایل یک برنامه ساده برای معماری هدف

بخش 3. تنظیم محیط توسعه (Development Environment Setup)

فصل 1. مقدمه‌ای بر تنظیم محیط توسعه

• اهمیت داشتن محیط توسعه مناسب برای کراس‌کامپایل
• معرفی ابزارها و وابستگی‌های موردنیاز
• تفاوت بین محیط‌های توسعه نیتیو و کراس

فصل 2. نصب و راه‌اندازی کراس‌کامپایلر

• روش‌های نصب کراس‌کامپایلر (دستی و استفاده از پکیج‌های آماده)
• دانلود و نصب Linaro GCC, ARM GNU Toolchain, crosstool-ng
• بررسی مسیر نصب و صحت عملکرد ابزارها

فصل 3. تنظیم متغیرهای محیطی (Environment Variables)

• معرفی متغیرهای مهم مانند PATH, CC, CXX, LD, AR, AS
• نحوه اضافه کردن مسیر کراس‌کامپایلر به PATH
• تنظیم متغیرهای SYSROOT و CROSS_COMPILE برای سازگاری بهتر

فصل 4. ایجاد مسیر کاری مناسب برای توسعه

• ساختار مناسب دایرکتوری برای توسعه نرم‌افزارهای امبدد
• تنظیم دسترسی‌ها و بررسی صحت مجوزهای فایل‌ها
• بررسی سیستم فایل و ابزارهای موردنیاز در محیط کاری

فصل 5. بررسی صحت عملکرد کراس‌کامپایلر

• اجرای دستور arm-linux-gnueabihf-gcc --version و بررسی خروجی
• بررسی قابلیت اجرای باینری‌های کراس‌کامپایل‌شده روی سیستم هدف
• تست ساده با یک برنامه Hello World برای معماری امبدد

فصل 6. مدیریت وابستگی‌های نرم‌افزاری در محیط توسعه

• نصب و تنظیم کتابخانه‌های استاندارد (مانند glibc, musl, uclibc)
• استفاده از pkg-config برای مدیریت وابستگی‌ها
• بررسی نسخه‌ها و سازگاری کتابخانه‌ها با معماری هدف

فصل 7. راه‌اندازی یک شبیه‌ساز برای تست محیط توسعه

• معرفی QEMU برای شبیه‌سازی معماری‌های مختلف
• نحوه اجرای باینری‌های کامپایل‌شده در QEMU
• دیباگ برنامه‌های کراس‌کامپایل‌شده بدون نیاز به سخت‌افزار واقعی

فصل 8. استفاده از سیستم‌های مدیریت بسته برای توسعه امبدد

• معرفی Buildroot و Yocto برای مدیریت وابستگی‌ها و پکیج‌ها
• استفاده از Buildroot برای ایجاد یک محیط توسعه کامل
• پیکربندی Yocto برای تولید یک کراس‌کامپایلر سفارشی

فصل 9. رفع مشکلات متداول در تنظیم محیط توسعه

• مشکلات رایج در مسیر کراس‌کامپایلر و تنظیم PATH
• خطاهای مرتبط با نسخه‌های ناسازگار glibc و binutils
• بررسی و رفع مشکلات مربوط به ld.so و sysroot

بخش 4. ساخت و کامپایل هسته لینوکس (Linux Kernel)

فصل 1. معرفی هسته لینوکس برای سیستم‌های امبدد

• ساختار کلی هسته لینوکس
• نقش هسته در سیستم‌عامل و ارتباط آن با سخت‌افزار
• تفاوت نسخه‌های مختلف هسته و نحوه انتخاب مناسب‌ترین نسخه

فصل 2. دریافت و آماده‌سازی سورس کد هسته

• دریافت سورس کد از منابع معتبر (مانند kernel.org)
• بررسی شاخه‌های مختلف Git برای انتخاب نسخه مناسب
• دانلود و مدیریت Patchهای مخصوص بردهای امبدد

فصل 3. انتخاب و پیکربندی هسته برای معماری هدف

• بررسی فایل‌های پیکربندی در مسیر /arch/<architecture>/configs/
• استفاده از ابزارهای پیکربندی مانند:
  • make menuconfig (رابط متنی)
  • make xconfig (رابط گرافیکی)
  • make defconfig (تنظیمات پیش‌فرض برای معماری)
• فعال‌سازی درایورهای سخت‌افزاری موردنیاز

فصل 4. کامپایل هسته لینوکس با استفاده از کراس‌کامپایلر

• تنظیم متغیرهای محیطی برای کامپایلر
• اجرای make و انتخاب خروجی‌های مناسب مانند:
  • zImage (برای معماری‌های ARM)
  • uImage (برای بوت‌لودر U-Boot)
  • bzImage (برای معماری‌های x86)
• مدیریت ماژول‌های کرنل و ایجاد modules.tar.gz

فصل 5. ایجاد Device Tree برای سیستم امبدد

• مفهوم Device Tree و نقش آن در بوت لینوکس
• ساخت و کامپایل Device Tree Blob (.dtb)
• تنظیمات مربوط به Bootloader برای بارگذاری Device Tree

فصل 6. ادغام کرنل با بوت‌لودر (Bootloader Integration)

• بررسی نقش بوت‌لودرهایی مانند U-Boot و GRUB
• تبدیل خروجی کرنل به فرمت مناسب برای بوت‌لودر
• ایجاد اسکریپت‌های بوت برای بارگذاری خودکار کرنل

فصل 7. تست و اشکال‌زدایی کرنل

• استفاده از QEMU برای تست کرنل قبل از اجرا روی سخت‌افزار واقعی
• دیباگ هسته با ابزارهایی مانند KGDB و printk
• بررسی لاگ‌های بوت با استفاده از dmesg

فصل 8. بهینه‌سازی و کاهش حجم هسته برای سیستم‌های امبدد

• حذف قابلیت‌های غیرضروری از پیکربندی هسته
• استفاده از LTO (Link Time Optimization) و فشرده‌سازی کرنل
• بررسی حجم ماژول‌ها و غیرفعال‌سازی موارد غیر ضروری

بخش 5. ساخت کتابخانه‌های سیستم و فایل‌های باینری

فصل 1. مقدمه‌ای بر کتابخانه‌های سیستم در لینوکس امبدد

• نقش و اهمیت کتابخانه‌های استاندارد (C Library) در سیستم‌های امبدد
• مقایسه کتابخانه‌های معروف:
  • Glibc (GNU C Library) – استاندارد اما سنگین برای سیستم‌های امبدد
  • musl – جایگزینی سبک و سریع
  • uClibc – مناسب برای سیستم‌های با منابع محدود
• نحوه انتخاب کتابخانه مناسب برای معماری هدف

فصل 2. کامپایل و پیکربندی کتابخانه Glibc برای معماری هدف

• دریافت سورس کد Glibc از مخزن رسمی
• تنظیمات پیش‌نیاز و وابستگی‌ها برای کامپایل
• ایجاد یک محیط ساخت مناسب
• پیکربندی و ساخت Glibc با استفاده از کراس‌کامپایلر
• نصب و بررسی خروجی‌های کتابخانه

فصل 3. کامپایل musl و uClibc برای سیستم‌های سبک‌وزن

• مقایسه musl و uClibc با Glibc
• نحوه دانلود و تنظیمات اولیه برای کامپایل
• روش‌های مختلف برای ساخت و نصب این کتابخانه‌ها
• بررسی عملکرد و سازگاری باینری‌های تولید‌شده

فصل 4. ساخت ابزارهای ضروری سیستم با BusyBox

• معرفی BusyBox و نقش آن در سیستم‌های امبدد
• دریافت سورس کد و انجام تنظیمات اولیه
• نحوه پیکربندی و تنظیم ویژگی‌های BusyBox برای سیستم هدف
• کامپایل و تولید باینری BusyBox
• تست و اجرای BusyBox روی معماری امبدد

فصل 5. مدیریت فایل‌های باینری در سیستم امبدد

• بررسی ساختار ELF و ویژگی‌های فایل‌های باینری
• استفاده از ابزارهای بررسی باینری مانند:
  • file (بررسی نوع باینری)
  • readelf (تحلیل فایل‌های ELF)
  • objdump (بررسی جزئیات داخلی باینری‌ها)
• حل مشکلات مربوط به ناسازگاری باینری‌ها با معماری هدف

فصل 6. مدیریت وابستگی‌های کتابخانه‌ای در برنامه‌های امبدد

• نحوه یافتن وابستگی‌های یک فایل باینری با ابزار ldd
• روش‌های استاتیک و داینامیک لینکینگ در کراس‌کامپایل
• کاهش حجم کتابخانه‌های داینامیک برای بهینه‌سازی مصرف حافظه
• بررسی مشکلات و راهکارهای اجرای باینری‌ها در سیستم امبدد

فصل 7. آزمایش و اعتبارسنجی باینری‌های ساخته‌شده

• تست اجرای کتابخانه‌ها و باینری‌ها روی سخت‌افزار هدف
• استفاده از QEMU برای اجرای باینری‌ها بدون نیاز به سخت‌افزار واقعی
• دیباگ کردن باینری‌های تولید شده با GDB
• ارزیابی کارایی و عملکرد باینری‌ها در محیط امبدد