دانلود کتاب آموزشی Embedded Linux Performance Optimization جلد دوم

بخش 6. بهینه‌سازی مصرف انرژی

فصل 1. مفاهیم پایه مصرف انرژی در سیستم‌های امبدد

• تعریف مصرف انرژی در سیستم‌های لینوکس امبدد

• اهمیت بهینه‌سازی انرژی در کاربردهای IoT، باتری‌محور و صنعتی

• تفاوت میان Power Efficiency و Performance Efficiency

فصل 2. منابع اصلی مصرف انرژی در سیستم‌های امبدد

• پردازنده (CPU) و مصرف در حالت‌های مختلف (Idle، Load)

• نمایشگرها و رابط‌های کاربری گرافیکی

• تجهیزات جانبی (USB، WiFi، Bluetooth، Sensors)

• دسترسی به حافظه و عملیات I/O

• ارتباطات شبکه‌ای و بی‌سیم

فصل 3. حالت‌های مدیریت توان در پردازنده

• حالت‌های C-States و P-States در پردازنده‌ها

• تفاوت میان Idle Mode و Sleep Mode

• Dynamic Frequency Scaling و Dynamic Voltage Scaling

• حالت‌های خاص در پردازنده‌های ARM مانند WFI و WFE

فصل 4. پیاده‌سازی قابلیت‌های مدیریت توان در سطح سیستم‌عامل

• نقش تنظیمات Kernel در مدیریت انرژی

• فعال‌سازی ماژول‌های مدیریت انرژی (CPUFreq، cpuidle)

• بررسی وضعیت سیستم از نظر پشتیبانی از حالت‌های صرفه‌جویی انرژی

فصل 5. زمان‌بندی و بهینه‌سازی فعالیت‌های نرم‌افزاری

• اجرای وظایف در بازه‌های فشرده برای صرفه‌جویی بیشتر

• ادغام فعالیت‌های پردازشی برای کاهش بیدار بودن پردازنده

• جلوگیری از فعالیت‌های Background غیرضروری

• طراحی الگوهای زمان‌بندی منطبق بر Low Power Mode

فصل 6. نقش سیستم فایل و I/O در مصرف انرژی

• تأثیر دفعات و حجم دسترسی به دیسک

• انتخاب سیستم فایل مناسب برای کاهش فعالیت‌های نوشتن

• استفاده از کش‌های حافظه برای کاهش I/O فیزیکی

فصل 7. کاهش مصرف انرژی در تجهیزات جانبی

• خاموش‌سازی Selective برای ماژول‌های USB، WiFi، BLE و…

• استفاده از Wake-on-Event به‌جای Wake-on-Timer

• کنترل توان از طریق GPIO و باس‌های ارتباطی

فصل 8. طراحی نرم‌افزار با رویکرد کم‌مصرف

• جلوگیری از Polling و استفاده از Event-Driven Programming

• بهینه‌سازی حلقه‌های بی‌پایان و بررسی زمان‌بندی‌های داخلی

• کاهش مصرف RAM برای کاهش فعالیت Swap

فصل 9. ابزارهای پایش و تحلیل مصرف انرژی

• معرفی ابزارهای کاربردی برای مانیتور مصرف انرژی

• جمع‌آوری و تحلیل داده‌های واقعی در شرایط مختلف کاری

• مقایسه مصرف انرژی در حالت‌های Before/After Optimization

فصل 10. سناریوهای کاربردی و بررسی Case Study

• بهینه‌سازی یک سیستم IoT مبتنی بر باتری

• بررسی مصرف انرژی در پلتفرم‌هایی مانند Raspberry Pi، BeagleBone و i.MX

• اجرای پروژه کاهش مصرف انرژی با تحلیل تأثیر تنظیمات مختلف

بخش 7. بهینه‌سازی ارتباطات و شبکه

فصل 1. شناخت چالش‌های شبکه در سیستم‌های امبدد

• بررسی محدودیت‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری در ماژول‌های شبکه

• تأثیر منابع محدود بر روی کیفیت ارتباط

• ملاحظات امنیتی در ارتباطات شبکه‌ای سیستم‌های امبدد

فصل 2. انتخاب و پیکربندی استک شبکه

• انتخاب پروتکل‌های مناسب (TCP، UDP، CoAP، MQTT و…)

• سبک‌سازی و حذف ویژگی‌های غیرضروری در استک شبکه

• بررسی قابلیت اطمینان (Reliability) در ارتباطات با منابع محدود

فصل 3. کاهش تاخیر در ارتباطات شبکه‌ای

• استفاده از الگوریتم‌های بهینه صف‌بندی بسته‌ها

• بهینه‌سازی تنظیمات MTU و TCP Window Size

• مدیریت وقفه‌ها و بار شبکه برای پاسخ‌گویی سریع‌تر

فصل 4. افزایش کارایی انتقال داده

• استفاده از فشرده‌سازی داده‌ها پیش از ارسال

• طراحی الگوهای انتقال داده مبتنی بر مصرف پایین

• کنترل اندازه و نرخ ارسال بسته‌ها (Throttling و Rate Control)

فصل 5. بهینه‌سازی ارتباطات بی‌سیم

• بهینه‌سازی مصرف انرژی در ماژول‌های WiFi و Bluetooth

• پیکربندی مناسب برای ارتباط‌های پایدار در محیط‌های نویزی

• زمان‌بندی روشن/خاموش کردن ماژول‌های شبکه برای صرفه‌جویی انرژی

فصل 6. بهینه‌سازی ارتباطات سیمی (Ethernet, CAN, Serial)

• کاهش سر بارهای اضافی در ارتباطات سریال

• تنظیم نرخ انتقال و بافرهای مناسب در ارتباط‌های صنعتی

• مدیریت وقفه‌ها و تداخلات در ارتباطات چند کاناله

فصل 7. پیکربندی شبکه برای کاربردهای Real-Time

• انتخاب پروتکل‌ها و تنظیمات مناسب برای کاهش jitter

• ایزوله‌سازی ترافیک Real-Time از ترافیک‌های ثانویه

• به‌کارگیری Quality of Service (QoS) در شبکه‌های امبدد

فصل 8. مانیتورینگ و تحلیل عملکرد شبکه

• جمع‌آوری آمار ترافیک ورودی و خروجی

• تحلیل لاگ‌های شبکه برای شناسایی خطاها و گلوگاه‌ها

• استفاده از ابزارهای سبک مانیتورینگ برای سیستم‌های Embedded

فصل 9. طراحی و پیاده‌سازی معماری‌های شبکه‌ای بهینه

• معماری‌های Client-Server در محیط‌های محدود

• مدل‌های مبتنی بر Publish/Subscribe برای IoT

• تطبیق معماری ارتباطات با نیازهای منابع سیستمی

فصل 10. بهینه‌سازی امنیت ارتباطات

• انتخاب الگوریتم‌های رمزنگاری سبک و سریع

• محدود سازی سطح دسترسی در شبکه‌های محلی

• جلوگیری از حملات شبکه‌ای متداول در سیستم‌های امبدد

بخش 8. بهینه‌سازی عملکرد پردازنده

فصل 1. مقدمه‌ای بر معماری‌های پردازنده در سیستم‌های امبدد

• معرفی پردازنده‌های رایج در سیستم‌های امبدد (ARM، MIPS، x86، RISC-V)

• تفاوت معماری‌های تک‌هسته‌ای و چند‌هسته‌ای

• بررسی نقش عملکرد پردازنده در پاسخ‌دهی سیستم

فضل 2. تحلیل بار پردازشی و الگوهای استفاده از CPU

• شناسایی الگوهای مصرف CPU توسط نرم‌افزارها

• تعیین نقاط گلوگاه مرتبط با پردازش

• بررسی نسبت بار بین وظایف مختلف سیستم

فصل 3. طراحی و مدیریت بار در پردازنده‌های چند‌هسته‌ای

• توزیع بهینه وظایف روی هسته‌ها

• جلوگیری از Overload یک هسته خاص

• استفاده از Affinity برای مدیریت بار

فصل 4. پیکربندی Scheduler لینوکس برای بهبود پردازنده

• بررسی الگوریتم‌های زمان‌بندی (CFS، RT و…)

• تخصیص اولویت پردازش‌ها

• تنظیم رفتار Scheduler در سیستم‌های Real-Time

فصل 5. بهینه‌سازی پردازش هم‌زمان (Concurrency & Parallelism)

• بررسی مدل‌های اجرای موازی

• استفاده بهینه از Threading در برنامه‌های امبدد

• مشکلات رایج در هم‌زمانی (Race condition، Deadlock و…)

فصل 6. استفاده از قابلیت‌های خاص پردازنده‌ها

• فعال‌سازی یا غیرفعال‌سازی ویژگی‌های سخت‌افزاری خاص (Cache، Branch Prediction، FPU)

• پشتیبانی از دستورات SIMD و تسریع پردازش محاسباتی

• بررسی Performance Monitor Unit (PMU) در CPUها

فصل 7. بهینه‌سازی مصرف پردازنده در حالت بیکار

• بررسی حالت‌های Idle و Sleep در CPU

• نقش Power Management در استفاده بهینه از پردازنده

• کاهش مصرف پردازنده در سناریوهای IoT یا بی‌سیم

فصل 8. سنجش و پایش عملکرد پردازنده

• شاخص‌های کلیدی سنجش عملکرد CPU

• گزارش‌گیری دوره‌ای از عملکرد پردازنده

• تشخیص و تحلیل رفتار غیرعادی پردازنده در زمان اجرا

فصل 9. ارتباط عملکرد پردازنده با سایر منابع

• تعامل پردازنده با حافظه RAM، کش‌ها و I/O

• اثر عملکرد پردازنده بر تاخیرهای سیستم

• بهینه‌سازی مشترک CPU و سایر زیرسیستم‌ها

فصل 10. چالش‌های خاص پردازنده در سیستم‌های Real-Time

• تضمین پاسخ‌دهی در زمان مشخص

• بررسی Worst Case Execution Time (WCET)

• مقابله با jitter در عملکرد پردازنده

بخش 9. بهینه‌سازی عملکرد نرم‌افزار

فصل 1. اصول پایه در بهینه‌سازی نرم‌افزارهای امبدد

• تفاوت‌های بهینه‌سازی در محیط‌های Embedded و Desktop

• شناسایی اهداف اصلی بهینه‌سازی (سرعت، حافظه، مصرف انرژی، اندازه فایل اجرایی)

فصل 2. تحلیل رفتار برنامه

• شناسایی بخش‌های پرمصرف با ابزارهای پروفایلینگ

• بررسی گلوگاه‌های پردازشی و حافظه‌ای

فصل 3. انتخاب و طراحی الگوریتم‌های بهینه

• انتخاب الگوریتم مناسب برای پردازش داده‌ها

• طراحی ساختارهای داده مؤثر با حداقل استفاده از حافظه

• تحلیل پیچیدگی زمانی و فضایی الگوریتم‌ها

فصل 4. بهینه‌سازی در سطح کد منبع (Source-Level Optimization)

• استفاده بهینه از حلقه‌ها و جلوگیری از تکرارهای غیرضروری

• کاهش وابستگی‌های ماژولار و سربار تابع‌های غیرضروری

• تکنیک‌های Inline کردن توابع کوچک و پر تکرار

• اجتناب از استفاده گسترده از حافظه پویای runtime

فصل 5. استفاده از کتابخانه‌های سبک و تخصصی

• جایگزینی کتابخانه‌های سنگین با نسخه‌های سبک‌تر

• انتخاب کتابخانه‌هایی با کمترین نیاز به منابع

فصل 6. فشرده‌سازی و کاهش حجم باینری

• تکنیک‌های کاهش حجم فایل نهایی اجرایی

• حذف نمادها و اشکال‌زداها برای نسخه نهایی تولیدی

• استفاده از Link-Time Optimization برای کاهش حجم خروجی

فصل 7. تنظیمات کامپایلر برای بهینه‌سازی

• پیکربندی Build System برای بهینه‌سازی اندازه و سرعت

• استفاده از سوییچ‌های بهینه‌سازی در ابزارهای Cross-Compilation

• بررسی trade-off بین بهینه‌سازی سرعت و اندازه کد

فصل 8. مدیریت حافظه در سطح نرم‌افزار

• جلوگیری از Fragmentation در حافظه پویا

• استفاده محدود از تخصیص‌دهنده‌های حافظه در زمان اجرا

• بازیابی و آزادسازی به‌موقع حافظه

فصل 9. پورت‌کردن نرم‌افزارها به معماری‌های مختلف

• تحلیل تفاوت‌های معماری مانند ARM، x86، MIPS

• بهینه‌سازی برای پردازنده‌های تک‌هسته‌ای و چند‌هسته‌ای

• بررسی مسائل alignment، cache و عملکرد حافظه در معماری مقصد

فصل 10. بررسی تأثیر ویژگی‌های سخت‌افزار بر عملکرد نرم‌افزار

• استفاده از شتاب‌دهنده‌های سخت‌افزاری درون‌پردازنده‌ای (مانند FPU، DSP)

• درک بهتر ویژگی‌های معماری پردازنده هدف برای بهره‌برداری مؤثرتر

فصل 11. ارزیابی و تست عملکرد نرم‌افزار بهینه‌شده

• مقایسه عملکرد نرم‌افزار قبل و بعد از بهینه‌سازی

• تحلیل اثر بهینه‌سازی روی سایر بخش‌های سیستم (مانند مصرف انرژی، پایداری)

• مستندسازی نتایج برای پشتیبانی و توسعه آتی

بخش 10. استفاده از ابزارهای پروفایلینگ و دیباگینگ

فصل 1. مقدمه‌ای بر مفهوم پروفایلینگ و دیباگینگ در سیستم‌های امبدد

• تفاوت اهداف بین پروفایلینگ و دیباگینگ

• اهمیت تحلیل دقیق در شرایط واقعی کاری (Real Workload)

فصل 2. آشنایی با دسته‌بندی ابزارهای پروفایلینگ

• ابزارهای سطح بالا برای بررسی مصرف منابع

• ابزارهای سطح پایین برای تحلیل رفتار اجرای کد

• ابزارهای مبتنی بر Trace، Sampling و Instrumentation

فصل 3. بررسی ابزارهای عمومی و سبک برای سیستم‌های امبدد

• انتخاب ابزار بر اساس محدودیت‌های منابع

• اجرای ابزارها به صورت Native یا Cross

فصل 4. تحلیل مصرف CPU و زمان اجرای برنامه

• اندازه‌گیری زمان‌های اجرای بخش‌های مختلف برنامه

• بررسی بار روی CPU و توزیع آن بین فرآیندها و Threadها

فصل 5. بررسی مصرف حافظه و مدیریت آن

• شناسایی نشتی حافظه در برنامه‌ها

• بررسی الگوهای تخصیص و آزادسازی حافظه

• تحلیل Fragmentation در حافظه پویا

فصل 6. شناسایی گلوگاه‌های عملکردی در تعامل با I/O

• تحلیل زمان انتظار برای ورودی/خروجی

• بررسی Bottleneck در ارتباط با دیسک، شبکه یا پورت‌ها

فصل 7. دیباگینگ تعاملی برنامه‌ها در محیط واقعی

• تکنیک‌های توقف، بررسی و اصلاح اجرای برنامه

• بررسی وضعیت متغیرها، بافرها و جریان داده‌ها

• مانیتورینگ رفتار برنامه بدون تغییر عملکرد سیستم

فصل 8. تحلیل رفتار سیستم در سناریوهای بحرانی

• بررسی Crash، Hang و Freeze در نرم‌افزار

• تحلیل Stack Traceها و Core Dumpها

• شبیه‌سازی و بازسازی شرایط رخداد خطا

فصل 9. استفاده از ابزارهای Trace و لاگ‌برداری

• ثبت و بررسی رویدادهای سیستم‌عامل و برنامه

• تحلیل لاگ‌های زمانی برای بررسی ترتیب عملیات

• فیلتر کردن و مصورسازی داده‌های Trace

فصل 10. استفاده از ابزارهای Visual برای تحلیل داده‌ها

• بررسی نمودارهای مصرف منابع و ارتباط بین آن‌ها

• مصورسازی Threadها، فراخوانی‌ها و وقفه‌ها

• استخراج گزارش‌های گرافیکی برای تحلیل بهتر

فصل 11. یکپارچه‌سازی پروفایلینگ با فرآیند توسعه

• افزودن مرحله‌های تحلیل به چرخه Build و Deploy

• نگهداری نتایج پروفایلینگ برای بررسی‌های آینده

• استفاده از اسکریپت‌های خودکار برای تکرار آزمایش‌ها

فصل 12. انتخاب ابزار مناسب برای معماری و شرایط پروژه

• مقایسه ابزارها برای پردازنده‌های ARM، MIPS و x86

• ارزیابی تطابق ابزارها با شرایط Real-Time و سیستم‌های کوچک

• انتخاب بین ابزارهای متن‌باز، تجاری و سخت‌افزاری

بخش 11. پیکربندی و بهینه‌سازی زمان بوت

فصل 1. مفاهیم پایه زمان بوت در لینوکس امبدد

• تعریف زمان بوت و اجزای تشکیل‌دهنده آن

• تفاوت Boot Time با Ready Time در کاربردهای بلادرنگ

• معرفی مراحل اصلی فرآیند بوت (Bootloader، Kernel، Init System)

فصل 2. تحلیل ساختار بوت سیستم

• بررسی فرآیند بوت از روشن شدن تا اجرای برنامه اصلی

• تحلیل مسیرهای بارگذاری سیستم‌عامل، درایورها، ماژول‌ها و سرویس‌ها

فصل 3. انتخاب بوت‌لودر مناسب برای زمان بوت سریع

• مقایسه بوت‌لودرهای متداول مانند U-Boot، Barebox، Coreboot

• تنظیمات بوت‌لودر برای شروع سریع بارگذاری کرنل

فصل 3.بهینه‌سازی بوت‌لودر

• حذف قابلیت‌های غیرضروری در بوت‌لودر

• تنظیم پیش‌فرض‌ها و کاهش تأخیرهای ورودی/تعامل کاربر

• استفاده از محیط‌های بوت ذخیره‌شده به صورت پیش‌فرض

فصل 4. کاهش حجم و زمان بارگذاری هسته لینوکس

• حذف ماژول‌های غیر ضروری از هسته

• استفاده از کرنل تک‌ماژوله به جای ماژولار در سیستم‌های ساده

• فشرده‌سازی کرنل و بررسی تأثیر آن بر سرعت بوت

فصل 5. ساده‌سازی فرآیند Init و Initramfs

• حذف مراحل Initramfs در صورت عدم نیاز

• استفاده از سیستم‌های Init سریع‌تر (مانند BusyBox Init، systemd، OpenRC)

• بررسی ترتیب و اولویت‌بندی فرآیندها و سرویس‌های راه‌اندازی

فصل 6. مدیریت سرویس‌های سیستم هنگام بوت

• غیرفعال کردن سرویس‌های غیرضروری در راه‌اندازی

• استفاده از بارگذاری هم‌زمان (Parallel Services) در Init System

• زمان‌بندی تأخیری (Deferred Start) برای برخی سرویس‌ها

فصل 7. استفاده از فایل‌سیستم سریع برای راه‌اندازی

• انتخاب فرمت‌های فایل‌سیستم مناسب با سرعت بوت بالا

• کاهش عملیات Mount و بررسی فشرده‌سازی فایل‌سیستم Root

• استفاده از تکنیک‌های Read-Only Filesystem برای کاهش عملیات I/O

فصل 8. پیاده‌سازی مکانیزم بوت سریع (Fast Boot)

• تکنیک‌های Snapshot و Resume

• بوت با استفاده از Initrd آماده‌شده یا Image بوتیبل ترکیبی

• بوت مستقیم به برنامه کاربردی بدون واسطه‌های اضافی

فصل 9. ابزارها و روش‌های اندازه‌گیری زمان بوت

• روش‌های دقیق برای محاسبه مدت زمان بوت

• تقسیم‌بندی مراحل بوت بر اساس مدت زمان مصرفی

• استفاده از لاگ‌های زمان‌دار برای تحلیل فرآیند بوت

این دوره‌ها معمولاً توسط آموزش‌دهندگان تخصصی مانند Linux Foundation، شرکت‌های سخت‌افزاری، و پلتفرم‌های آنلاین آموزشی (مانند Udemy و Coursera) ارائه می‌شود و به صورت عملی و پروژه‌محور برگزار می‌گردد تا دانش‌پذیران مهارت‌های لازم را برای بهینه‌سازی سیستم‌های لینوکس امبدد کسب کنند.