دوره آموزشی Introduction to Embedded Linux جلد اول

دوره آموزشی Introduction to Embedded Linux معمولاً برای افرادی طراحی می‌شود که به تازگی وارد دنیای سیستم‌های لینوکس امبدد می‌شوند و قصد دارند با اصول و مفاهیم پایه‌ای آشنا شوند. سر فصل‌های این دوره می‌تواند به شکل زیر باشد:

بخش 1. مقدمه‌ای بر سیستم‌های امبدد (Embedded Systems)

فصل 1. تعریف و مفهوم سیستم‌های امبدد

• تعریف سیستم‌های امبدد (Embedded Systems)
• تفاوت سیستم‌های امبدد با سیستم‌های کامپیوتری عمومی
• مثال‌هایی از سیستم‌های امبدد در زندگی روزمره (مانند وسایل خانگی، خودروها، دستگاه‌های پزشکی)

فصل 2. اجزای اصلی سیستم‌های امبدد

• واحد پردازش مرکزی (CPU):
  • میکروکنترلرها (Microcontrollers)
  • میکروپروسسورها (Microprocessors)
• حافظه‌ها:
  • RAM و ROM
  • حافظه‌های فلش و کاربرد آن‌ها
• ورودی و خروجی (I/O):
  • انواع سنسورها و عملگرها
  • ارتباط با دستگاه‌های جانبی
• منابع تغذیه:
  • انواع منبع تغذیه در سیستم‌های امبدد
  • مدیریت انرژی و بهینه‌سازی مصرف

فصل 3. کاربردهای سیستم‌های امبدد

• در صنایع مختلف:
  • خودروها و سیستم‌های کنترل موتور
  • تجهیزات پزشکی و دستگاه‌های نظارت بر بیمار
  • لوازم الکترونیکی مصرفی مانند تلویزیون و گوشی هوشمند
• در اینترنت اشیاء (IoT):
  • نقش سیستم‌های امبدد در ارتباط دستگاه‌های IoT
  • نمونه‌هایی از دستگاه‌های هوشمند مبتنی بر امبدد

فصل 4. انواع سیستم‌های امبدد

• سیستم‌های بلادرنگ (Real-Time Systems):
  • تفاوت بین سیستم‌های سخت‌بلادرنگ و نرم‌بلادرنگ
  • کاربردهای بلادرنگ در صنایع حساس
• سیستم‌های مستقل و توزیع‌شده:
  • تفاوت و کاربرد هر کدام
  • مثال‌هایی از سیستم‌های توزیع‌شده مانند شبکه‌های سنسور بی‌سیم

فصل 5. ویژگی‌های سیستم‌های امبدد

• طراحی برای یک وظیفه خاص
• محدودیت‌های پردازشی و حافظه
• بهینه‌سازی مصرف انرژی
• قابلیت اطمینان و پایداری بالا

فصل 6. معماری سیستم‌های امبدد

• مدل‌های معماری پردازش:
  • معماری هاروارد و فون نویمان
  • مزایا و معایب هر معماری
• مدارهای مجتمع خاص (ASIC) و مدارهای منطقی قابل برنامه‌ریزی (FPGA):
  • تفاوت‌ها و کاربردهای هر یک

فصل 7. زبان‌ها و ابزارهای برنامه‌نویسی در سیستم‌های امبدد

• معرفی زبان‌های رایج (C، C++، Assembly)
• ابزارهای توسعه نرم‌افزار (IDE‌ها، کامپایلرها و دیباگرها)
• شبیه‌سازها و ابزارهای تست سخت‌افزاری

فصل 8. چالش‌های طراحی سیستم‌های امبدد

• محدودیت‌های سخت‌افزاری و منابع
• زمان‌بندی و اجرای بلادرنگ
• مسائل امنیتی در سیستم‌های امبدد

فصل 9. روندهای آینده در سیستم‌های امبدد

• پیشرفت‌ها در میکروکنترلرها و میکروپروسسورها
• ادغام سیستم‌های امبدد با هوش مصنوعی و یادگیری ماشین
• تأثیر فناوری‌های نوظهور مانند 5G و IoT

بخش 2. معرفی سیستم‌عامل لینوکس

فصل 1. مقدمه‌ای بر لینوکس

• تاریخچه لینوکس و توسعه آن
• تفاوت لینوکس با دیگر سیستم‌عامل‌ها (مانند ویندوز و macOS)
• دلایل محبوبیت لینوکس در سیستم‌های امبدد و سرورها

فصل 2. معماری سیستم‌عامل لینوکس

• اجزای اصلی لینوکس:
  • هسته (Kernel)
  • شل (Shell)
  • سیستم فایل (File System)
  • کتابخانه‌ها و ابزارهای سیستم‌عامل
• مفاهیم چندوظیفگی (Multitasking) و چند کاربره (Multiuser) در لینوکس

فصل 3. توزیع‌های لینوکس (Linux Distributions)

• معرفی توزیع‌های رایج لینوکس:
  • Ubuntu، Debian، CentOS، Fedora، Arch Linux
  • توزیع‌های خاص سیستم‌های امبدد (مانند Yocto و Buildroot)
• انتخاب توزیع مناسب بر اساس نیازهای پروژه

فصل 4. نصب و راه‌اندازی لینوکس

• مراحل نصب یک توزیع رایج (مانند Ubuntu)
• پیکربندی اولیه سیستم‌عامل (مانند تنظیم شبکه و کاربرها)
• روش‌های اجرای لینوکس:
  • نصب روی سخت‌افزار واقعی
  • استفاده از ماشین‌های مجازی و ابزارهایی مانند VirtualBox یا VMware

فصل 5. مدیریت سیستم‌عامل لینوکس

• مدیریت کاربران و دسترسی‌ها (Users & Permissions)
• مدیریت فرآیندها (Processes)
• نظارت بر منابع سیستم (CPU، حافظه، و دیسک)
• راه‌اندازی و مدیریت سرویس‌ها (Services)

فصل 6. ساختار سیستم فایل لینوکس

• معرفی ساختار دایرکتوری‌ها در لینوکس (/bin، /etc، /home و غیره)
• مدیریت فایل‌ها و دایرکتوری‌ها:
  • دستورات پایه‌ای (ls، cp، mv، rm، mkdir، rmdir)
  • مجوزهای فایل و تغییر آن‌ها با chmod و chown

فصل 7. دستورات خط فرمان لینوکس

• آشنایی با Terminal و Bash
• دستورات پایه‌ای برای مدیریت سیستم:
  • پیمایش در سیستم فایل (cd، pwd)
  • مشاهده محتویات فایل‌ها (cat، less، tail، head)
  • مدیریت فرآیندها (ps، top، kill)
• استفاده از دستورات ترکیبی و ریدایرکشن‌ها (Pipes & Redirection)

فصل 8. مدیریت بسته‌ها در لینوکس

• معرفی مدیرهای بسته در توزیع‌های مختلف:
  • APT (برای Debian و Ubuntu)
  • YUM و DNF (برای CentOS و Fedora)
• نصب، حذف و به‌روزرسانی بسته‌ها با ابزارهای مدیریت بسته

فصل 9. شبکه در لینوکس

• آشنایی با مفاهیم پایه‌ای شبکه در لینوکس
• پیکربندی شبکه:
  • تنظیم IP، Gateway، DNS
• ابزارهای شبکه در لینوکس:
  • ping، ifconfig، netstat، traceroute

فصل 10. کاربرد لینوکس در سیستم‌های امبدد

• استفاده از لینوکس به عنوان سیستم‌عامل در دستگاه‌های تعبیه‌شده
• سفارشی‌سازی هسته لینوکس برای سخت‌افزارهای خاص
• مزایای لینوکس در مقایسه با سیستم‌عامل‌های اختصاصی در سیستم‌های امبدد

بخش 3. معماری سیستم‌عامل لینوکس برای دستگاه‌های امبدد

فصل 1. مقدمه‌ای بر معماری لینوکس

• آشنایی با ساختار کلی سیستم‌عامل لینوکس
• بررسی اجزای اصلی لینوکس: هسته (Kernel)، فضای کاربری (User Space)، و درایورها
• مقایسه معماری لینوکس در سیستم‌های دسکتاپ و سیستم‌های امبدد

فصل 2. هسته لینوکس (Linux Kernel)

• نقش هسته در مدیریت منابع سخت‌افزاری
• ساختار هسته لینوکس و نحوه عملکرد آن در دستگاه‌های امبدد
• بررسی انواع هسته‌ها: مونولیتیک (Monolithic Kernel) و میکرو هسته (Microkernel)

فصل 3. مدیریت حافظه در لینوکس امبدد

• چگونگی مدیریت حافظه در دستگاه‌های با محدودیت منابع
• تکنیک‌های مدیریت حافظه پویا و ثابت
• بررسی ویژگی‌هایی مانند حافظه مجازی (Virtual Memory) و حافظه اشتراکی (Shared Memory)

فصل 4. درایورها در سیستم‌عامل لینوکس

• مفهوم درایورهای سخت‌افزاری در لینوکس
• نحوه توسعه و پیکربندی درایورها برای دستگاه‌های امبدد
• بررسی درایورهای کرنل: ماژول‌های Loadable Kernel Module (LKM)

فصل 5. سیستم فایل در لینوکس امبدد

• معرفی انواع سیستم‌های فایل مناسب برای دستگاه‌های امبدد (مانند ext4، FAT32، JFFS2)
• نحوه پیکربندی و استفاده از سیستم فایل ریشه (Root File System)
• انتخاب سیستم فایل مناسب برای دستگاه‌های با حافظه محدود

فصل 6. فضای کاربری لینوکس (User Space)

• نحوه ارتباط بین فضای کاربری و هسته لینوکس
• بررسی کتابخانه‌های استاندارد لینوکس (مانند glibc)
• راه‌اندازی ابزارها و سرویس‌ها در فضای کاربری

فصل 7. مدیریت فرآیندها و برنامه‌ها

• نحوه مدیریت فرآیندها در لینوکس
• بررسی سیستم صف فرآیندها (Process Scheduling)
• اجرای برنامه‌ها در محیط‌های محدود

فصل 8. ارتباط بین نرم‌افزار و سخت‌افزار

• استفاده از رابط‌های سخت‌افزاری (GPIO، I2C، SPI) در لینوکس
• تنظیم و دسترسی به رجیسترهای سخت‌افزاری از طریق لینوکس
• مفهوم Device Tree و پیکربندی آن برای سخت‌افزارهای امبدد

فصل 9. بوت‌لودر و فرآیند بوت لینوکس

• مفهوم بوت‌لودر و نقش آن در سیستم‌های امبدد
• معرفی بوت‌لودرهای رایج مانند U-Boot
• مراحل فرآیند بوت لینوکس: بوت‌لودر، کرنل و فضای کاربری

فصل 10. بهینه‌سازی لینوکس برای دستگاه‌های امبدد

• کاهش حجم هسته لینوکس و انتخاب ماژول‌های مورد نیاز
• پیکربندی کرنل برای عملکرد بهینه در دستگاه‌های کم‌منبع
• استفاده از ابزارهای مانیتورینگ برای شناسایی و بهبود نقاط ضعف

فصل 11. امنیت در لینوکس امبدد

• مفاهیم امنیتی در سیستم‌های لینوکسی
• استفاده از امکانات امنیتی مانند SELinux و AppArmor
• راهکارهای محافظت از داده‌ها و جلوگیری از نفوذ

فصل 12. آزمایش و دیباگ لینوکس امبدد

• ابزارهای دیباگ هسته لینوکس (مانند printk و GDB)
• روش‌های بررسی عملکرد سیستم و عیب‌یابی
• ایجاد گزارش‌های عملکرد و استفاده از ابزارهای لاگ‌گیری

بخش 4. پیکربندی و نصب لینوکس برای سیستم‌های امبدد

فصل 1. مقدمه‌ای بر لینوکس برای سیستم‌های امبدد

• تفاوت‌های لینوکس در سیستم‌های امبدد و سیستم‌های دسکتاپ
• معماری سیستم‌های امبدد و نقش لینوکس در آن‌ها
• توزیع‌های لینوکس محبوب برای سیستم‌های امبدد (Yocto، Buildroot، OpenWRT و غیره)

فصل 2. آماده‌سازی محیط توسعه برای لینوکس امبدد

• ابزارهای مورد نیاز برای توسعه لینوکس امبدد (Cross Compiler، ابزارهای Build)
• معرفی IDE‌ها و ویرایشگرهای متناسب با توسعه امبدد
• نصب و پیکربندی ابزارهای توسعه روی سیستم میزبان

فصل 3. دانلود و پیکربندی سورس کد لینوکس

• آشنایی با ساختار سورس کد کرنل لینوکس
• دانلود سورس کد کرنل از منابع معتبر (kernel.org)
• تنظیمات اولیه کرنل لینوکس برای سخت‌افزارهای امبدد (make menuconfig)

فصل 4. ساخت و کامپایل کرنل لینوکس

• آشنایی با فرآیند Build و ابزارهای مربوطه
• Cross Compilation و نحوه تنظیمات آن
• بررسی خروجی‌های ساخت کرنل (zImage، uImage، modules)
• رفع مشکلات رایج در هنگام ساخت کرنل

فصل 5. پیکربندی و ایجاد Root Filesystem (سیستم فایل ریشه)

• آشنایی با ساختار Root Filesystem
• ابزارهای ساخت Root Filesystem (Buildroot، Yocto)
• اضافه کردن کتابخانه‌ها و ابزارهای کاربردی به Root Filesystem
• فشرده‌سازی سیستم فایل برای کاهش فضای اشغال‌شده

فصل 6. نصب بوت‌لودر (Bootloader)

• معرفی بوت‌لودرهای محبوب (U-Boot، GRUB)
• پیکربندی U-Boot برای سخت‌افزارهای امبدد
• نصب بوت‌لودر روی حافظه دستگاه (SD Card، Flash Memory)
• تنظیمات اولیه بوت‌لودر برای بارگذاری کرنل

فصل 7. انتقال لینوکس به سخت‌افزار امبدد

• انتقال فایل‌های لازم (کرنل، بوت‌لودر، Root Filesystem) به سخت‌افزار
• استفاده از روش‌های مختلف انتقال داده (USB، شبکه، SD Card)
• بررسی اتصال سریال (UART) برای مانیتورینگ بوت سیستم

فصل 8. تست و دیباگ لینوکس روی سخت‌افزار امبدد

• بوت کردن لینوکس روی سخت‌افزار
• استفاده از ابزارهای دیباگ برای بررسی مشکلات بوت
• رفع مشکلات سخت‌افزاری و نرم‌افزاری اولیه

فصل 9. سفارشی‌سازی لینوکس برای سیستم‌های خاص

• اضافه کردن درایورهای سخت‌افزاری خاص
• تنظیمات شبکه و ارتباطات بی‌سیم
• پیکربندی ابزارهای مدیریت انرژی برای سخت‌افزارهای کم‌مصرف

فصل 10. بهینه‌سازی لینوکس برای سیستم‌های امبدد

• کاهش حجم کرنل و Root Filesystem
• حذف ماژول‌ها و سرویس‌های غیرضروری
• بهبود زمان بوت سیستم

بخش 5. آشنایی با ابزارهای توسعه در لینوکس امبدد

فصل 1. معرفی ابزارهای طراحی و توسعه

• کامپایلرهای کراس (Cross Compilers):
  • نقش کامپایلرهای کراس در توسعه لینوکس امبدد
  • معرفی GCC و دیگر ابزارهای مرتبط
  • پیکربندی محیط توسعه برای استفاده از کامپایلرهای کراس
• ساخت سیستم‌ها (Build Systems):
  • معرفی Buildroot، Yocto و OpenEmbedded
  • مقایسه ابزارهای ساخت برای پروژه‌های امبدد
  • ایجاد و مدیریت سیستم فایل‌های سفارشی با استفاده از این ابزارها

فصل 2. ابزارهای دیباگ و تحلیل

• دیباگرها (Debuggers):
  • معرفی gdb و استفاده از آن در پروژه‌های امبدد
  • استفاده از ابزارهای دیباگ سخت‌افزاری (JTAG و ICE)
• پروفایلینگ و تحلیل عملکرد:
  • معرفی ابزارهایی مانند perf، valgrind و gprof
  • بررسی مصرف منابع سیستم (CPU، حافظه و غیره)
• مانیتورینگ سیستم:
  • ابزارهای مانیتورینگ مانند top، htop و iotop
  • مشاهده و تحلیل لاگ‌ها با dmesg و فایل‌های لاگ

فصل 3. مدیریت سورس کد

• کنترل نسخه (Version Control):
  • معرفی Git و کاربرد آن در پروژه‌های امبدد
  • مدیریت شاخه‌ها و تاریخچه کد برای پروژه‌های تیمی
• ایجاد و مدیریت پچ‌ها:
  • نحوه ایجاد پچ‌های سفارشی برای سیستم‌های لینوکس
  • اعمال و مدیریت پچ‌ها در پروژه‌های امبدد

فصل 4. شبیه‌سازی و تست

• شبیه‌سازها (Emulators):
  • معرفی QEMU و کاربرد آن در توسعه لینوکس امبدد
  • شبیه‌سازی سخت‌افزارهای مختلف برای تست نرم‌افزار
• ابزارهای تست خودکار:
  • معرفی ابزارهایی مانند Jenkins و استفاده از آن برای تست خودکار
  • ایجاد اسکریپت‌های تست و یکپارچه‌سازی آنها در محیط توسعه

فصل 5. ابزارهای مرتبط با کرنل لینوکس

• ساخت و پیکربندی کرنل:
  • استفاده از menuconfig برای پیکربندی کرنل
  • کامپایل و دیباگ کرنل لینوکس برای سیستم‌های امبدد
• ماژول‌های کرنل:
  • معرفی ابزارهایی برای ساخت ماژول‌های کرنل
  • نحوه بارگذاری و دیباگ ماژول‌های سفارشی در کرنل

فصل 6. ابزارهای شبکه و ارتباطات

• دیباگ و تحلیل شبکه:
  • معرفی Wireshark و tcpdump برای دیباگ ارتباطات شبکه
  • بررسی و تست ارتباطات بین سیستم‌های امبدد و شبکه‌های خارجی
• پیکربندی ابزارهای شبکه‌ای:
  • استفاده از ifconfig، ip و سایر ابزارهای مدیریت شبکه

فصل 7. سیستم‌های مدیریت بسته و ابزارهای نصب

• سیستم‌های مدیریت بسته در لینوکس امبدد:
  • معرفی opkg و dpkg برای مدیریت بسته‌ها
  • ایجاد بسته‌های سفارشی برای سیستم امبدد
• نصب و به‌روزرسانی نرم‌افزارها:
  • فرآیند نصب، به‌روزرسانی و مدیریت نرم‌افزارها در سیستم‌های امبدد

فصل 8. ابزارهای امنیتی

• ابزارهای امنیتی در توسعه امبدد:
  • معرفی ابزارهایی برای رمزگذاری و مدیریت کلیدها
  • استفاده از ابزارهای امنیتی برای بررسی آسیب‌پذیری‌های نرم‌افزاری
• ایمن‌سازی ارتباطات و داده‌ها:
  • استفاده از OpenSSL و ابزارهای مشابه برای افزایش امنیت

فصل 9. بهترین روش‌ها و توصیه‌ها

• مدیریت کارآمد ابزارها:
  • انتخاب بهترین ابزارها برای نیازهای خاص پروژه
  • نکات کاربردی در استفاده بهینه از ابزارهای توسعه
• بهینه‌سازی فرآیند توسعه:
  • تنظیم محیط توسعه برای کاهش زمان ساخت و دیباگ
  • نکات مهم در تست و نگهداری پروژه‌های امبدد

بخش 6. مدیریت منابع در سیستم‌های امبدد

فصل 1. مقدمه‌ای بر مدیریت منابع

• تعریف و اهمیت مدیریت منابع در سیستم‌های امبدد
• چالش‌های منابع محدود در سیستم‌های تعبیه‌شده
• اهداف مدیریت منابع: بهینه‌سازی مصرف انرژی، زمان پاسخ، و بهره‌وری

فصل 2. مدیریت پردازنده (CPU Management)

• مفاهیم پایه مدیریت پردازنده در سیستم‌های امبدد
• استراتژی‌های زمان‌بندی وظایف (Task Scheduling):
  • زمان‌بندی مبتنی بر اولویت (Priority-Based Scheduling)
  • زمان‌بندی بلادرنگ (Real-Time Scheduling)
• استفاده از تکنیک‌های کاهش بار پردازشی (Load Balancing)

فصل 3. مدیریت حافظه (Memory Management)

• ساختار و مفاهیم حافظه در سیستم‌های امبدد
• تخصیص و آزادسازی حافظه (Dynamic Memory Allocation and Deallocation)
• تکنیک‌های کاهش استفاده از حافظه:
  • فشرده‌سازی داده‌ها (Data Compression)
  • استفاده از حافظه ثابت (Static Memory Allocation)
• مدیریت خطاهای حافظه و نشتی حافظه (Memory Leaks)

فصل 4. مدیریت انرژی (Energy Management)

• اهمیت مدیریت انرژی در سیستم‌های امبدد کم‌مصرف
• تکنیک‌های مدیریت مصرف انرژی:
  • استفاده از حالت‌های خواب (Sleep Modes)
  • تنظیم فرکانس پردازنده (Dynamic Voltage and Frequency Scaling – DVFS)
• ابزارها و الگوریتم‌های پایش مصرف انرژی

فصل 5. مدیریت ورودی/خروجی (I/O Management)

• چالش‌های مدیریت ورودی/خروجی در سیستم‌های امبدد
• استراتژی‌های کاهش تأخیر در عملیات I/O
• بهینه‌سازی دسترسی به دستگاه‌های جانبی
• استفاده از بافرینگ (Buffering) و کشینگ (Caching)

فصل 6. مدیریت شبکه (Network Resource Management)

• نیازمندی‌های شبکه در سیستم‌های امبدد متصل
• بهینه‌سازی پهنای باند و مصرف داده
• مدیریت ارتباطات بلادرنگ در سیستم‌های توزیع‌شده

فصل 7. ابزارها و تکنیک‌های مدیریت منابع

• استفاده از سیستم‌عامل‌های بلادرنگ (RTOS) برای مدیریت منابع
• ابزارهای تحلیل و پایش منابع (Profiling Tools)
• تکنیک‌های مدل‌سازی منابع برای بهینه‌سازی عملکرد

فصل 8. بهینه‌سازی چندمنظوره منابع

• یکپارچه‌سازی استراتژی‌های مدیریت منابع
• تکنیک‌های توازن بین مصرف انرژی، سرعت و کارایی
• مطالعات موردی از پروژه‌های موفق در مدیریت منابع

فصل 9. چالش‌ها و روندهای آینده در مدیریت منابع

• مشکلات نوظهور در مدیریت منابع برای سیستم‌های IoT و Edge Computing
• نقش هوش مصنوعی و یادگیری ماشین در بهبود مدیریت منابع
• پیشرفت‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری در سیستم‌های امبدد