دانلود کتاب آموزشی Embedded Linux Advanced Topics جلد اول

دوره آموزشی “Embedded Linux Advanced Topics” معمولاً شامل موضوعات پیشرفته‌تری در زمینه توسعه و مدیریت سیستم‌های لینوکس امبدد می‌شود. در این دوره، دانشجویان با مباحث پیچیده‌تر و تکنیک‌های سفارشی‌سازی سیستم‌عامل لینوکس برای استفاده در دستگاه‌های امبدد آشنا می‌شوند. سر فصل‌های این دوره می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

بخش 1. Advanced Linux Kernel Configuration and Customization

فصل 1. معماری و ساختار داخلی هسته لینوکس

• اجزای اصلی هسته: مدیریت حافظه، مدیریت فرایندها، سیستم فایل، شبکه، درایورها و ماژول‌ها

• بررسی تعامل بین هسته، کتابخانه‌های سیستم و نرم‌افزارهای سطح کاربر

• تفاوت‌های هسته مونولیتیک و میکروکرنل در طراحی سیستم‌های امبدد

فصل 2. آماده‌سازی سورس‌کد هسته برای توسعه امبدد

• ساختار دایرکتوری سورس‌کد هسته لینوکس

• انتخاب نسخه مناسب هسته متناسب با سخت‌افزار هدف

• بررسی تفاوت نسخه‌های Mainline، LTS و vendor-specific

فصل 3. تنظیمات پیکربندی کرنل برای برد هدف

• استفاده از فایل‌های تنظیماتی خاص برد (defconfig)

• فعال‌سازی یا غیرفعال‌سازی ویژگی‌های مرتبط با سخت‌افزار امبدد

• بررسی گزینه‌های کلیدی برای معماری‌های خاص مانند ARM و MIPS

فصل 4. سفارشی‌سازی سیستم فایل /proc و /sys

• اضافه یا حذف اطلاعات در pseudo-filesystems برای کاربردهای خاص

• پنهان کردن یا دستکاری نودهای سیستمی برای ایمن‌سازی یا کاهش حجم

فصل 5. فعال‌سازی یا غیرفعال‌سازی زیرسیستم‌ها در هسته

• مدیریت زیرسیستم‌های ماژولار مانند شبکه، فایل‌سیستم‌ها، گرافیک و USB

• بهینه‌سازی اندازه کرنل با حذف مؤلفه‌های غیرضروری

• بررسی وابستگی ماژول‌ها و زیرسیستم‌ها هنگام سفارشی‌سازی

فصل 6. بررسی گزینه‌های امنیتی و ایمن‌سازی کرنل

• تنظیم قابلیت‌های امنیتی مانند Stack Protector، Kernel Address Space Layout Randomization

• پشتیبانی از ابزارهای امنیتی سطح هسته مانند AppArmor و SELinux

• محدودسازی قابلیت‌های runtime برای کاهش سطح حمله در دستگاه‌های امبدد

فصل 7. پیکربندی کرنل برای پشتیبانی از سیستم‌های فایل سفارشی

• افزودن پشتیبانی از فایل‌سیستم‌های سبک‌وزن مانند squashfs، cramfs، ubifs

• بررسی عملکرد و سازگاری فایل‌سیستم با حافظه‌های محدود مانند NAND و NOR

فصل 8. پشتیبانی از بوت سریع (Fast Boot)

• حذف ویژگی‌های بلااستفاده برای کاهش زمان بارگذاری هسته

• استفاده از تکنیک‌های کاهش زمان mount و init برای افزایش سرعت راه‌اندازی

فصل 9. اعمال پچ‌ها و به‌روزرسانی‌های سفارشی بر روی هسته

• ساختار patch در لینوکس و نحوه اعمال آن در workflow توسعه

• بررسی نحوه تست و نگهداری تغییرات در برابر نسخه‌های جدید

فصل 10. مستندسازی، بررسی سازگاری و تست عملکرد کرنل سفارشی

• مستندسازی دقیق پیکربندی‌ها و تغییرات انجام‌شده

• استفاده از ابزارهای تست عملکرد و سازگاری هسته در محیط امبدد

• بررسی نتایج کارایی و ثبات کرنل تحت بارهای مختلف

بخش 2. Real-Time Linux (RTLinux)

فصل 1. مقدمه و مفاهیم پایه Real-Time

• تعریف سیستم‌های Real-Time: تفاوت Hard Real-Time و Soft Real-Time

• بررسی نیازمندی‌های کاربردهای زمان‌واقعی در سیستم‌های امبدد

• اهمیت تأخیر پایین (Low Latency) و پاسخ‌دهی قطعی (Determinism)

فصل 2. ساختار هسته لینوکس و محدودیت‌های آن برای Real-Time

• تحلیل رفتار پیش‌فرض کرنل لینوکس در زمان‌بندی وظایف

• بررسی نقاط بحرانی (Critical Sections) و Latency در هسته استاندارد

• نقش Scheduler در پیش‌بینی‌پذیری زمان پاسخ

فصل 3. معرفی RT Preempt Patch و RTLinux

• آشنایی با Preempt-RT Patch و کاربرد آن در لینوکس Real-Time

• مقایسه Preempt-RT با روش‌های دیگر مانند Xenomai، RTAI، و Jailhouse

• بررسی معماری کرنل پس از اعمال Preempt-RT و تأثیر آن در زمان‌بندی

فصل 4. ارزیابی قابلیت Real-Time در سیستم‌عامل لینوکس

• تحلیل پارامترهایی مانند Interrupt Latency، Scheduling Latency و Timer Resolution

• بررسی ابزارهای تحلیل Real-Time Behavior در کرنل لینوکس

• سنجش قابلیت اطمینان سیستم در شرایط بحرانی

فصل 5. پیکربندی سیستم برای عملکرد Real-Time

• بهینه‌سازی تنظیمات کرنل برای پاسخ‌دهی Real-Time

• بررسی پیکربندی‌های BIOS/UEFI مانند خاموش‌کردن Hyperthreading و C-States

• مدیریت بار پردازشی، IRQ Affinity و تنظیم CPU برای دستیابی به عملکرد پایدار

فصل 6. مدیریت فرآیندها و اولویت‌بندی در سیستم‌های Real-Time

• بررسی سیاست‌های زمان‌بندی (Scheduling Policies) مانند SCHED_FIFO، SCHED_RR و SCHED_DEADLINE

• تعیین اولویت وظایف و نحوه برخورد سیستم با بارهای رقابتی

• ملاحظات امنیتی و عملکردی در زمان تخصیص منابع

فصل 7. ابزارهای تحلیل، نظارت و پروفایل‌گیری Real-Time

• آشنایی با ابزارهایی مانند cyclictest، latencytop، و Trace ابزارها

• بررسی رفتار زمان‌بندی با استفاده از ابزارهای Visualization

• تحلیل Bottleneckها و راهکارهای کاهش تأخیرها

فصل 8. طراحی و پیاده‌سازی سیستم‌های Real-Time در پروژه‌های امبدد

• انتخاب اجزای مناسب نرم‌افزاری و سخت‌افزاری برای سیستم‌های حساس به زمان

• نحوه طراحی معماری سیستم برای تضمین پاسخ‌دهی دقیق

• سناریوهای کاربردی مانند رباتیک، کنترل صنعتی، سیستم‌های تصویربرداری و مخابرات

فصل 9. چالش‌های متداول و راهکارها در پیاده‌سازی Real-Time

• مشکلات رایج در Latency، اولویت‌های اشتباه، و Interrupt Storm

• ملاحظات مرتبط با مصرف منابع، توان پردازش و دقت زمان‌بندی

• توصیه‌هایی برای افزایش پایداری و کاهش رفتار غیرقابل پیش‌بینی سیستم

فصل 10. مقایسه Real-Time Linux با RTOSهای کلاسیک

• مقایسه قابلیت‌های لینوکس Real-Time با FreeRTOS، Zephyr، VxWorks و سایر RTOSها

• بررسی مزایا و معایب استفاده از لینوکس زمان‌واقعی در برابر RTOS مستقل

• تحلیل Trade-offها در انتخاب بین RTOS و لینوکس برای پروژه‌های مختلف

بخش 3. Advanced Cross-Compilation Techniques

فصل 1. مروری بر مفهوم Cross-Compilation

• تعریف و تفاوت Cross-Compilation و Native Compilation

• نقش Cross-Toolchain و اهمیت آن در توسعه سیستم‌های امبدد

• معرفی اجزای اصلی Toolchain (Compiler, Assembler, Linker, Libc)

فصل 2. تحلیل ساختار Toolchain برای معماری‌های مختلف

• بررسی ساختار toolchain برای معماری‌هایی مانند ARM، MIPS، RISC-V

• تفاوت toolchainهای bare-metal و Linux-based

• انتخاب مناسب‌ترین Toolchain برای پروژه‌های امبدد

فصل 3. تنظیم و مدیریت محیط توسعه Cross-Compilation

• ایجاد محیط ایزوله برای کامپایل روی میزبان (Host)

• بررسی روش‌های مدیریت وابستگی‌ها در محیط کراس

• بررسی تفاوت‌های ABI و API در محیط‌های کراس

فصل 4. بررسی و استفاده از Toolchainهای استاندارد

• آشنایی با Toolchainهای معروف مانند Linaro، Sourcery، Yocto Toolchain

• مدیریت نسخه‌ها و سازگاری بین کرنل، libc و Toolchain

• بررسی ساختار فایل‌ها و دایرکتوری‌های Toolchain

فصل 5. مدیریت وابستگی‌های نرم‌افزاری در محیط Cross

• بررسی مشکلات رایج در لینک‌دهی بین کتابخانه‌ها

• تحلیل مسیرهای جستجوی کتابخانه‌ها و فایل‌های Header

• راهکارهایی برای Cross-Compile کردن پروژه‌هایی با وابستگی پیچیده

فصل 6. بررسی تکنیک‌های ساخت سیستم‌های امبدد چندبخشی

• کامپایل و مدیریت پروژه‌هایی شامل Bootloader، Kernel، RootFS و Application

• جداسازی فرآیند ساخت برای اجزای مختلف سیستم

• تعیین ترتیب صحیح کامپایل برای سیستم‌های پیچیده

فصل 7. بهینه‌سازی عملکرد کامپایل در پروژه‌های بزرگ

• استفاده از build cache برای کاهش زمان کامپایل

• مدیریت خروجی‌های میانی و فایل‌های موقتی

• طراحی ساختارهای build منعطف و مقیاس‌پذیر

فصل 8. بررسی چالش‌ها و خطاهای متداول در Cross-Compilation

• تحلیل خطاهای رایج در مرحله لینک‌دهی و resolve وابستگی‌ها

• رفع ناسازگاری‌های معماری بین میزبان و هدف

• مستندسازی و دیباگ خطاهای مربوط به Toolchain

فصل 9. یکپارچه‌سازی Cross-Compilation با سیستم‌های Build خودکار

• استفاده از CMake، Make و Meson در پروژه‌های Cross

• اتصال سیستم‌های build به CI/CD برای تست خودکار در محیط‌های امبدد

• تحلیل مزایا و معایب هر سیستم Build در پروژه‌های واقعی

فصل 10. ابزارهای پیشرفته برای تولید و تست Cross-Toolchain

• بررسی ابزارهایی برای تولید خودکار Toolchain مانند crosstool-NG

• تحلیل ساختار خروجی این ابزارها و نحوه استفاده از آن‌ها

• اجرای تست‌های یکپارچگی برای اطمینان از صحت عملکرد Toolchain

بخش 4. Yocto Project Advanced Features

فصل 1. معماری و ساختار پیشرفته پروژه‌های Yocto

• مرور دقیق لایه‌ها (layers)، متادیتا (metadata) و نحوه تفکیک آن‌ها

• بررسی ساختار meta, recipes, conf و تعامل آن‌ها

• مدیریت بهینه ساختار پروژه با استفاده از لایه‌های سفارشی

فصل 2. مدیریت و ساخت لایه‌های سفارشی (Custom Layers)

• ایجاد لایه‌های اختصاصی برای پشتیبانی از برد یا نرم‌افزار خاص

• اصول طراحی لایه‌های تمیز و قابل نگهداری

• اولویت‌بندی و ترتیب اعمال لایه‌ها در Yocto

فصل 3. استفاده و سفارشی‌سازی BitBake

• مفاهیم پیشرفته در نحوه کار BitBake

• تعریف کلاس‌ها (classes) و توابع سفارشی برای وظایف خاص

• تفکیک و استفاده مجدد از کدهای ساخت در قالب include و bbclass

فصل 4. مدیریت بسته‌ها و دستورالعمل‌های ساخت (Recipes)

• تعریف و سفارشی‌سازی دستورالعمل‌های ساخت برای نرم‌افزارهای جدید

• روش‌های استفاده مجدد از دستورالعمل‌های موجود در سایر لایه‌ها

• تکنیک‌های override و patch برای کنترل دقیق روند ساخت بسته‌ها

فصل 5. تنظیمات و کنترل دقیق سیستم فایل روت (Root Filesystem)

• نحوه انتخاب، ترکیب و محدود سازی بسته‌های مورد استفاده در سیستم نهایی

• پیکربندی ساختار فایل‌سیستم (مانند BusyBox، systemd، init.d)

• مدیریت اندازه، نوع فایل‌سیستم و فایل‌های startup سفارشی

فصل 6. استفاده از ابزارهای توسعه Yocto

• بررسی ابزارهایی مانند devtool و toaster برای توسعه سریع‌تر

• استفاده از ابزارهای گرافیکی و مرورگرهای وب برای مدیریت و تحلیل پروژه

• مقایسه و کاربرد ابزارهای debugging و profiling موجود در اکوسیستم Yocto

فصل 7. مدیریت وابستگی‌ها و وابستگی‌های شرطی

• تکنیک‌های کنترل و تعریف وابستگی‌های ساخت و زمان اجرا

• پشتیبانی از وابستگی‌های انتخابی بر اساس متغیرهای محیطی یا نوع برد

• بهینه‌سازی ساخت برای حذف وابستگی‌های غیرضروری

فصل 8. مدیریت تنظیمات build و variantها

• تعریف کانفیگ‌های مختلف برای بردهای متنوع در یک پروژه

• استفاده از MACHINE, DISTRO و IMAGE_FEATURES برای ایجاد تنوع در خروجی

• طراحی توزیع‌های لینوکسی سبک، مینیمال یا با قابلیت‌های خاص برای بازار هدف

فصل 9. کار با توزیع‌ها و BSPهای مختلف

• استفاده و تطبیق Board Support Package های موجود

• افزودن BSP جدید برای یک برد سفارشی

• مدیریت و به‌روزرسانی BSPهای قدیمی

فصل 10. پیاده‌سازی مکانیسم‌های به‌روزرسانی و تولید ایمیج نهایی

• آماده‌سازی سیستم برای پشتیبانی از OTA و به‌روزرسانی امن

• پیکربندی و ساخت انواع خروجی‌های ایمیج: ext4, squashfs, wic و غیره

• استراتژی‌های تولید ایمیج برای تولید انبوه، توسعه و تست

بخش 5. Kernel Module Programming and Debugging

فصل 1. مقدمه‌ای بر ماژول‌های هسته

• تفاوت ماژول‌ها و کدهای کامپایل‌شده درون هسته

• کاربرد ماژول‌ها در توسعه سیستم‌های امبدد

• معماری کلی بارگذاری ماژول‌ها در هسته لینوکس

فصل 2. ساختار ماژول‌های هسته

• اجزای اصلی یک ماژول لینوکس

• مفاهیم اولیه مانند ورودی و خروجی ماژول

• مدیریت وابستگی بین ماژول‌ها

فصل 3. فرآیند توسعه ماژول‌ها برای سیستم‌های امبدد

• چرخه طراحی، کامپایل، تست و بهینه‌سازی ماژول

• هماهنگی بین ماژول‌های سفارشی و معماری هدف

• ایجاد محیط توسعه برای ماژول‌نویسی در سیستم‌های امبدد

فصل 4. مدیریت و بارگذاری ماژول در زمان اجرا

• مفهوم ماژول‌های قابل بارگذاری دینامیک

• فرآیند بارگذاری و حذف ماژول‌ها

• بررسی لاگ‌ها و تعامل با پیام‌های هسته هنگام بارگذاری

فصل 5. اشکال‌زدایی اولیه ماژول‌ها

• بررسی خروجی‌های کرنل برای ردیابی رفتار ماژول

• مدیریت خطاهای بارگذاری و ناسازگاری نسخه‌ها

• تحلیل رفتار ماژول با ابزارهای پایه‌ای کرنل

فصل 6. استفاده از ابزارهای اشکال‌زدایی پیشرفته

• معرفی ابزارهای کرنل برای اشکال‌زدایی مانند printk و dmesg

• کاربرد ابزارهای تخصصی نظیر KGDB، ftrace، kprobes و dynamic debug

• استفاده از ابزارهای گرافیکی برای تحلیل عملکرد ماژول‌ها

فصل 7. تحلیل و تست ماژول‌ها در محیط‌های امبدد

• ایجاد سناریوهای تست در بردهای واقعی

• تست عملکرد، پایداری و تعامل ماژول با دیگر اجزای سیستم

• استفاده از منابع محدود سخت‌افزاری برای تست دقیق

فصل 8. مدیریت منابع و جلوگیری از نشت حافظه در ماژول‌ها

• روش‌های تشخیص و پیشگیری از memory leak

• رعایت نکات مربوط به تخصیص و آزادسازی منابع در ماژول‌ها

• اهمیت مدیریت زمان و وقفه‌ها در طراحی ماژول‌های پایدار

فصل 9. امنیت در ماژول‌نویسی

• بررسی تهدیدات امنیتی مرتبط با ماژول‌های کرنل

• بهترین روش‌ها برای افزایش امنیت در طراحی ماژول

• نقش امضاهای دیجیتال و محدودسازی بارگذاری ماژول در سیستم‌های تولیدی

فصل 10. تحلیل crash و kernel panic ناشی از ماژول‌ها

• روش‌های بررسی و مستندسازی crashها

• آشنایی با ابزارهای بررسی crash dump

• استراتژی‌هایی برای بازیابی سیستم در زمان خرابی ماژول