این دوره جامع، شما را با دانش و مهارت‌های لازم برای تبدیل شدن به یک برنامه‌نویس درایور لینوکس آشنا می‌کند. محورهای اصلی یادگیری عبارتند از:

• آشنایی عمیق با هسته لینوکس و معماری درایورها: درک فضای کرنل (Kernel Space) و فضای کاربر (User Space) و نحوه تعامل آن‌ها. شناخت ماژول‌های کرنل (Kernel Modules)، چرخه عمر آن‌ها و چگونگی بارگذاری و حذف آن‌ها در زمان اجرا.

• توسعه درایورهای دستگاه کاراکتری (Character Device Drivers): پیاده‌سازی عملی توابع اصلی سیستم‌کال (syscall) مانند open، read، write و ioctl برای ارتباط دوطرفه و پیچیده با دستگاه‌های جانبی و انتقال داده بین فضای کاربر و کرنل.

• مدیریت حافظه در کرنل: نحوه تخصیص، آزادسازی و مدیریت حافظه در فضای کرنل با توابعی نظیر kmalloc و vmalloc، و تفاوت‌های بنیادین آن با مدیریت حافظه در فضای کاربر. آشنایی با مفاهیم DMA (Direct Memory Access).

• پردازش وقفه (Interrupt Handling): نحوه ثبت و مدیریت وقفه‌ها برای پاسخگویی سریع و کارآمد به رویدادهای سخت‌افزاری در زمان واقعی و بدون ایجاد تأخیر. درک مفاهیم Top Half و Bottom Half (مانند Tasklet و Workqueue) برای جداسازی وظایف پردازش وقفه.

• همگام‌سازی و جلوگیری از شرایط رقابتی (Concurrency and Synchronization): استفاده از ابزارهایی حیاتی مانند Mutexها، Spinlockها و Semaphores برای جلوگیری از مشکلات ناشی از دسترسی همزمان به منابع مشترک در محیط چندنخی کرنل.

• مدیریت زمان‌بندی و وظایف زمان‌بندی‌شده: کار با تایمرها (Timers)، Workqueueها و Taskletها برای اجرای کدهای کرنل در زمان‌های مشخص، دوره‌ای یا در پس‌زمینه بدون مسدود کردن مسیرهای بحرانی.

• مفهوم Platform Devices و Drivers: درک نحوه تعریف و مدیریت دستگاه‌های داخلی یک سیستم روی چیپ (SoC) مانند Beaglebone Black و ارتباط آن‌ها با درایورهای مربوطه.

• کار با رابط‌های سخت‌افزاری رایج: شامل GPIO (General Purpose Input/Output)، I2C، SPI و UART برای کنترل مستقیم و برنامه‌ریزی قطعات الکترونیکی و سنسورها.

• اشکال‌زدایی (Debugging) درایورهای کرنل: استفاده از ابزارهایی قدرتمند مانند printk، netconsole، debugfs، procfs، sysfs و مفاهیم اولیه kgdb برای یافتن و رفع اشکالات پیچیده در کد درایور.

• آشنایی با مفاهیم پیشرفته: شامل Kobjects، Device Model، Power Management و Device Tree برای پیکربندی و مدیریت پویای دستگاه‌ها در لینوکس.

این دوره به شما کمک می‌کند تا نه تنها مفاهیم تئوری برنامه‌نویسی درایور را بیاموزید، بلکه مهارت‌های عملی و کاربردی را نیز کسب کنید که در بازار کار بسیار ارزشمند هستند و به شما در دستیابی به اهداف شغلی‌تان یاری می‌رسانند:

• تسلط بر برنامه‌نویسی درایور لینوکس: شما توانایی نوشتن، کامپایل، بارگذاری و اشکال‌زدایی درایورهای سفارشی برای انواع سخت‌افزار را پیدا خواهید کرد، که این مهارت در بسیاری از صنایع حیاتی است.

• درک عمیق از سیستم‌های جاسازی‌شده: با نحوه تعامل نرم‌افزار و سخت‌افزار در سطح کرنل آشنا می‌شوید که برای توسعه، بهینه‌سازی و عیب‌یابی سیستم‌های جاسازی‌شده حیاتی است.

• افزایش چشمگیر فرصت‌های شغلی: مهارت برنامه‌نویسی درایور در حوزه‌هایی مانند توسعه IoT، سیستم‌های خودرو، اتوماسیون صنعتی، روباتیک، دستگاه‌های پزشکی و زیرساخت‌های شبکه‌ای بسیار مورد تقاضا است.

• توانایی حل مسائل پیچیده: شما قادر خواهید بود مشکلات مربوط به عملکرد سخت‌افزار و نرم‌افزار را در سطح کرنل لینوکس شناسایی و حل کنید، که این خود یک مزیت رقابتی بزرگ محسوب می‌شود.

• تجربه عملی با Beaglebone Black: این برد یک پلتفرم ایده‌آل و مقرون به صرفه برای یادگیری عملی برنامه‌نویسی درایور است و تجربه کار با آن، رزومه شما را به شدت تقویت می‌کند.

• دسترسی به محتوای به‌روز: دوره با آخرین تغییرات و بهترین شیوه‌های توسعه درایور در هسته لینوکس سال 2024 به‌روز شده است تا شما جدیدترین اطلاعات را در اختیار داشته باشید.

• پروژه‌های عملی و کاربردی: هر مفهوم با مثال‌های عملی و پروژه‌های کوچک همراه است که یادگیری را تثبیت کرده و شما را برای چالش‌های واقعی آماده می‌کند.

برای کسب حداکثر بهره‌وری از این دوره و درک عمیق مفاهیم پیشرفته، داشتن دانش و تجربه در موارد زیر به شدت توصیه می‌شود. این پیش‌نیازها به شما کمک می‌کنند تا بدون مشکل در مسیر یادگیری پیش بروید و از محتوای دوره نهایت استفاده را ببرید:

• برنامه‌نویسی C: تسلط کامل بر زبان برنامه‌نویسی C، به ویژه مفاهیم مربوط به اشاره‌گرها، ساختارها، unionها، bitwise operations و تخصیص حافظه پویا، ضروری است. بخش عمده‌ای از کدنویسی در درایورها به زبان C انجام می‌شود.

• آشنایی با خط فرمان لینوکس: توانایی کار با دستورات پایه لینوکس، مدیریت فایل‌ها و پوشه‌ها، نصب بسته‌ها، و کامپایل کد در محیط ترمینال لینوکس (مانند Ubuntu یا Debian) لازم است.

• مفاهیم پایه سیستم‌های جاسازی‌شده: درک کلی از نحوه کار میکروکنترلرها، میکروپروسسورها، حافظه‌های فلش، و پروتکل‌های ارتباطی سخت‌افزاری (مانند I2C، SPI، UART) مفید خواهد بود.

• دانش مقدماتی از معماری کامپیوتر: آشنایی با مفاهیمی مانند رجیسترها، حافظه اصلی، کش، باس‌های ارتباطی، و نحوه اجرای دستورالعمل‌ها در CPU کمک‌کننده است.

• تجربه با Git (اختیاری اما توصیه می‌شود): آشنایی با سیستم کنترل نسخه Git برای مدیریت نسخه‌های کد، کار با مخازن کرنل و پروژه‌های مشترک می‌تواند بسیار مفید باشد.

• داشتن برد Beaglebone Black (توصیه می‌شود): اگرچه می‌توان با شبیه‌سازها کار کرد، اما تجربه عملی با برد فیزیکی Beaglebone Black برای پیاده‌سازی و اشکال‌زدایی درایورها ارزشمند است.

این دوره به صورت ماژولار و با دقت طراحی شده است تا یادگیری را گام به گام و ساختاریافته پیش ببرد و از مفاهیم مقدماتی تا پیشرفته را پوشش دهد:

• مقدمه و آماده‌سازی محیط توسعه

  • معرفی جامع درایورهای دستگاه لینوکس، نقش آن‌ها و تفاوت فضای کرنل و کاربر.
  • نصب و راه‌اندازی ابزارهای مورد نیاز (Toolchain) برای کامپایل cross-compilation روی Beaglebone Black.
  • قدم به قدم آموزش کامپایل هسته لینوکس سفارشی برای Beaglebone Black و بارگذاری آن روی برد.
  • تنظیم محیط توسعه در IDE (مانند VS Code) و برقراری اتصال SSH و SCP به برد.

• ماژول‌های کرنل لینوکس (Kernel Modules – LKM)

  • بررسی دقیق ساختار یک ماژول ساده کرنل، توابع ورودی (module_init) و خروجی (module_exit).
  • آموزش کامپایل، بارگذاری (insmod)، حذف (rmmod) و مشاهده وضعیت ماژول‌ها (lsmod).
  • نحوه ارسال پارامترها به ماژول‌ها و دریافت خروجی از طریق printk برای اشکال‌زدایی اولیه.
  • محدودیت‌ها و بهترین شیوه‌های کدنویسی در فضای کرنل.

• درایورهای دستگاه کاراکتری (Character Device Drivers)

  • مقدمه به Char Devices و نحوه ثبت و لغو ثبت آن‌ها در سیستم فایل /dev.
  • پیاده‌سازی توابع مهم file_operations شامل open، release، read، write.
  • کار با ioctl برای ارسال فرمان‌های کنترلی پیچیده و انتقال ساختاریافته داده.
  • مدیریت انتقال داده بین فضای کاربر و کرنل با توابعی مانند copy_to_user و copy_from_user.

• مدیریت حافظه در کرنل و مفاهیم مرتبط

  • روش‌های تخصیص حافظه در فضای کرنل (kmalloc، kzalloc، vmalloc) و تفاوت‌های آن‌ها.
  • مدیریت حافظه غیرمتوالی و بافرها برای DMA (Direct Memory Access).
  • مقدمه‌ای بر کش‌های اسلب (Slab Caching) و بهینه‌سازی تخصیص حافظه.

• مدیریت وقفه (Interrupts) و پردازش‌های زمان‌بندی‌شده

  • مفهوم وقفه، ISR (Interrupt Service Routine) و نحوه عملکرد آن‌ها.
  • ثبت و آزادسازی خطوط وقفه با request_irq و free_irq.
  • جداسازی پردازش وقفه به Top Half (سریع و اتمیک) و Bottom Half (زمان‌بر و قابل وقفه) با استفاده از Tasklet و Workqueue.
  • معرفی تایمرهای کرنل (Kernel Timers) برای اجرای وظایف دوره‌ای یا با تاخیر.

• همگام‌سازی و Race Conditions در کرنل

  • چالش‌های برنامه‌نویسی همزمان در محیط کرنل چند هسته‌ای.
  • استفاده از Mutexها، Spinlockها، Semaphores و Seqlockها برای محافظت از منابع مشترک و جلوگیری از Race Condition.
  • آشنایی با Atomic Operations برای انجام عملیات اتمیک روی متغیرها.

• درایورهای Platform و Device Tree

  • مفهوم Platform Bus، Platform Devices و Platform Drivers در مدل دستگاه لینوکس.
  • نقش Device Tree در توصیف سخت‌افزار یک سیستم روی چیپ (SoC) و پیکربندی درایورها.
  • نحوه خواندن اطلاعات از Device Tree (of_property_read_u32 و…) برای تنظیم درایورها.
  • کار با Device Tree Overlays برای اضافه کردن یا تغییر تنظیمات سخت‌افزاری بدون کامپایل مجدد هسته.

• کار با رابط‌های سخت‌افزاری رایج

  • توسعه درایور برای کنترل پین‌های GPIO (General Purpose Input/Output) روی Beaglebone Black.
  • برنامه‌نویسی درایور برای ارتباط I2C با سنسورها و دستگاه‌های جانبی.
  • پیاده‌سازی درایور SPI برای ارتباط با دستگاه‌های پرسرعت مانند فلش‌های خارجی یا نمایشگرها.
  • کار با UART برای ارتباط سریال ناهمگام با دستگاه‌های دیگر یا کنسول سریال.

• اشکال‌زدایی پیشرفته و مفاهیم تکمیلی

  • استفاده از debugfs، procfs و sysfs برای تعامل و اشکال‌زدایی درایورها از فضای کاربر.
  • معرفی ابزارهای پیشرفته‌تر اشکال‌زدایی مانند kgdb، kprobes و ftrace.
  • اصول مدیریت انرژی (Power Management) در درایورها برای بهینه‌سازی مصرف باتری.
  • مقدمه‌ای بر درایورهای فایل سیستمی و درایورهای بلوکی (Block Device Drivers) و Network Device Drivers.

یکی از نقاط قوت برجسته این دوره، تاکید فراوان بر یادگیری عملی و پروژه‌محور است. شما در طول دوره با پیاده‌سازی مثال‌های واقعی و کاربردی، مفاهیم را به طور کامل درک خواهید کرد و تجربه عملی ارزشمندی کسب می‌کنید:

• درایور LED چشمک‌زن (GPIO): اولین پروژه عملی شما پیاده‌سازی یک درایور GPIO خواهد بود که یک LED را روی برد Beaglebone Black روشن و خاموش می‌کند. این مثال پایه، شما را با ساختار یک درایور ساده، تعامل با رجیسترهای سخت‌افزاری و نحوه استفاده از توابع GPIO آشنا می‌کند.

• درایور سنسور دما/رطوبت (I2C): شما خواهید آموخت که چگونه یک سنسور دما و رطوبت را از طریق رابط I2C به Beaglebone Black متصل کنید و یک درایور کاراکتری برای خواندن داده‌ها از آن بنویسید. این پروژه، چالش‌های ارتباط با دستگاه‌های جانبی، مدیریت آدرس‌دهی I2C و پردازش داده‌های ورودی را نشان می‌دهد.

• سیستم نوبت‌دهی ساده با Semaphores/Mutexes: برای درک مفهوم پیچیده همگام‌سازی، مثالی از یک سیستم ساده با چندین نخ در کرنل ارائه می‌شود که با استفاده از Semaphores یا Mutexها از دسترسی همزمان و ایجاد Race Condition جلوگیری می‌کند. این مثال اهمیت هماهنگی در محیط چندوظیفه‌ای کرنل را برجسته می‌سازد.

• درایور وقفه دکمه (Interrupt Handling): نوشتن درایوری که به فشار یک دکمه فیزیکی واکنش نشان دهد و از طریق سیستم وقفه کرنل یک رویداد را آغاز کند. این مثال، اهمیت مدیریت وقفه در پاسخگویی سریع و کارآمد به رویدادهای سخت‌افزاری و جداسازی Top Half و Bottom Half را برجسته می‌کند.

• مدیریت دستگاه‌ها با Device Tree Overlays: یاد می‌گیرید که چگونه با Device Tree Overlays، بدون نیاز به کامپایل مجدد هسته، پیکربندی سخت‌افزار را تغییر دهید و پین‌های GPIO یا سایر رابط‌ها را برای استفاده در درایور خود آماده کنید. این روش انعطاف‌پذیری بالایی در توسعه ارائه می‌دهد.

نکات کلیدی که در طول دوره همواره بر آن‌ها تأکید می‌شود عبارتند از امنیت درایور (جلوگیری از دسترسی غیرمجاز به حافظه یا منابع)، بهینه‌سازی عملکرد (کاهش تأخیر و افزایش کارایی)، کدنویسی تمیز و قابل نگهداری (استفاده از الگوهای طراحی استاندارد و رعایت اصول کیفیت کد)، و اهمیت مستندسازی (نوشتن کامنت‌های واضح و مستندات برای کدهای کرنل). این اصول نه تنها در پروژه‌های درسی بلکه در هر پروژه توسعه درایور واقعی بسیار مهم هستند و به شما کمک می‌کنند تا کدهای پایدار و قابل اطمینان بنویسید.

دوره «برنامه‌نویسی درایور لینوکس با Beaglebone Black (LDD1) 2024-6» یک فرصت بی‌نظیر و جامع برای هر کسی است که می‌خواهد وارد دنیای هیجان‌انگیز و چالش‌برانگیز برنامه‌نویسی درایور در لینوکس شود. با محتوای جامع و به‌روز، تمرکز قوی بر روی یادگیری عملی با برد محبوب Beaglebone Black، و پوشش تمامی سرفصل‌های کلیدی از مقدماتی تا پیشرفته، این دوره شما را برای ورود به مشاغل پرتقاضا در زمینه سیستم‌های جاسازی‌شده، اینترنت اشیا (IoT)، اتوماسیون صنعتی و توسعه هسته لینوکس آماده می‌کند. دانش و مهارت‌هایی که در این دوره کسب می‌کنید، شما را قادر می‌سازد تا نه تنها سخت‌افزار را در عمق کنترل کنید، بلکه به طور موثر مشکلات پیچیده را شناسایی و حل نمایید. اگر به دنبال افزایش عمق دانش خود در لینوکس و تسلط بر نحوه تعامل آن با سخت‌افزار هستید، این دوره یک سرمایه‌گذاری ارزشمند برای آینده شغلی شما خواهد بود. همین حالا این فرصت را غنیمت بشمارید و سفر خود را به دنیای پیچیده و پاداش‌بخش برنامه‌نویسی درایور آغاز کنید.