آنچه در این دوره خواهید آموخت

این دوره جامع، شما را با تمامی مفاهیم و تکنیک‌های لازم برای توسعه سیستم عامل شخصی خود بر روی رزبری پای آشنا می‌کند. پس از اتمام این دوره، شما قادر خواهید بود:

• معماری سخت‌افزار رزبری پای را به طور کامل درک کنید، از جمله CPU، حافظه و تجهیزات جانبی.
• محیط توسعه لازم (toolchain) برای کامپایل متقاطع (Cross-Compiling) برنامه‌ها برای رزبری پای راه‌اندازی کنید.
• نحوه عملکرد فرآیند بوت (Boot Process) را از لحظه روشن شدن دستگاه تا اجرای هسته سیستم عامل، قدم به قدم پیگیری کنید.
• با مفاهیم برنامه‌نویسی Bare-Metal آشنا شوید و کدی را مستقیماً روی سخت‌افزار اجرا کنید.
• مدیریت حافظه را در سطح پایین (مانند MMU، Paging و Virtual Memory) پیاده‌سازی و کنترل کنید.
• با وقفه (Interrupts) و نحوه مدیریت آن‌ها در سیستم عامل آشنا شوید و سرویس‌دهنده‌های وقفه را بنویسید.
• درایورهای پایه برای تجهیزات جانبی مهم رزبری پای مانند GPIO (پورت‌های ورودی/خروجی عمومی) و UART (ارتباط سریال) را توسعه دهید.
• مفاهیم مالتی‌تسکینگ (Multitasking) و زمان‌بندی (Scheduling) را درک کرده و یک زمان‌بند ساده را برای اجرای همزمان وظایف مختلف پیاده‌سازی کنید.
• نحوه ایجاد فراخوان‌های سیستمی (System Calls) را برای تعامل برنامه‌های کاربردی با هسته سیستم عامل فرا بگیرید.
• با تکنیک‌های اشکال‌زدایی (Debugging) در محیط‌های Bare-Metal آشنا شوید و مشکلات کد خود را عیب‌یابی کنید.

مزایای این دوره منحصربه‌فرد

شرکت در این دوره آموزشی مزایای متعددی برای شما به همراه خواهد داشت:

• درک عمیق سیستم عامل: شما نه تنها با نحوه کار سیستم عامل آشنا می‌شوید، بلکه لایه‌های زیرین و پیچیدگی‌های آن را به صورت عملی لمس می‌کنید.
• مهارت‌های برنامه‌نویسی سطح پایین: توانایی شما در برنامه‌نویسی C/C++ برای سخت‌افزار بهبود یافته و برای کار در سیستم‌های توکار و IoT آماده می‌شوید.
• حل مسئله و تفکر سیستمی: با چالش‌های واقعی توسعه سیستم روبرو می‌شوید و مهارت‌های حل مسئله خود را تقویت می‌کنید.
• رزومه کاری برجسته: داشتن تجربه عملی در ساخت سیستم عامل، رزومه شما را برای موقعیت‌های شغلی در حوزه مهندسی سیستم، سخت‌افزار و نرم‌افزار خاص، بسیار جذاب‌تر می‌کند.
• قدرت سفارشی‌سازی: با درک عمیق‌تر، قادر خواهید بود سیستم عامل‌های موجود را برای نیازهای خاص خود سفارشی کنید یا ایده‌های نوآورانه خود را پیاده‌سازی کنید.

پیش‌نیازهای دوره

برای بهره‌برداری حداکثری از محتوای این دوره، داشتن پیش‌نیازهای زیر توصیه می‌شود:

• آشنایی پایه با برنامه‌نویسی C/C++: این دوره به شدت عملی است و بیشتر کدها به زبان C نوشته می‌شوند.
• آشنایی اولیه با مفاهیم سیستم عامل: درک کلی از مفاهیمی مانند فرایندها، رشته‌ها و مدیریت حافظه مفید خواهد بود، اگرچه مفاهیم پایه در خود دوره پوشش داده می‌شوند.
• یک دستگاه رزبری پای: توصیه می‌شود از مدل‌های Raspberry Pi 3 یا Raspberry Pi 4 استفاده کنید.
• یک کارت حافظه (SD Card) برای رزبری پای: برای راه‌اندازی و تست سیستم عامل ساخته شده.
• کامپیوتر میزبان (Host PC): یک کامپیوتر (ویندوز، مک یا لینوکس) برای نصب محیط توسعه و نوشتن کد.

سرفصل‌های جامع دوره

این دوره به صورت گام به گام و منطقی سازماندهی شده تا یادگیری پیچیده‌ترین مفاهیم را نیز تسهیل کند:

• مقدمه و آماده‌سازی محیط:
  • معرفی رزبری پای و معماری آن (ARM)
  • آشنایی با ابزارهای Cross-Compiling و GCC
  • نصب و پیکربندی محیط توسعه در لینوکس
  • اصول اولیه برنامه‌نویسی Bare-Metal
• راه‌اندازی سیستم و بوت لودر:
  • فرآیند بوت رزبری پای از ROM تا هسته
  • نوشتن یک بوت لودر ساده
  • راه‌اندازی حافظه و پشته
• کنترل ورودی/خروجی پایه (GPIO و UART):
  • برنامه‌نویسی GPIO برای کنترل LED و خواندن ورودی‌ها
  • برقراری ارتباط سریال از طریق UART برای اشکال‌زدایی و لاگ‌گیری
• مدیریت وقفه و استثناها:
  • مفهوم وقفه و انواع آن
  • پیاده‌سازی جدول بردار وقفه (IVT)
  • مدیریت وقفه‌های تایمر و دستگاه‌ها
• مدیریت حافظه پیشرفته:
  • آشنایی با MMU (Memory Management Unit)
  • پیاده‌سازی Paging و حافظه مجازی
  • مدیریت هیپ و تخصیص دینامیک حافظه
• مالتی‌تسکینگ و زمان‌بندی:
  • مفهوم فرایندها و رشته‌ها
  • پیاده‌سازی سوئیچ کانتکس (Context Switching)
  • انواع زمان‌بندها (Round-Robin، Priority-based) و پیاده‌سازی یک زمان‌بند ساده
• فراخوان‌های سیستمی و تعامل هسته-کاربر:
  • مفهوم و اهمیت System Calls
  • نحوه پیاده‌سازی و استفاده از System Calls
  • ایجاد یک Shell ساده برای تعامل با سیستم عامل
• مفاهیم پیشرفته و اشکال‌زدایی:
  • مقدمه‌ای بر درایورهای دستگاه‌های پیچیده‌تر
  • نکات اشکال‌زدایی در محیط Bare-Metal (مانند استفاده از GDB)
  • پایداری و امنیت سیستم عامل (مقدماتی)

مثال‌های کاربردی و نکات کلیدی

در طول این دوره، شما با مثال‌های عملی متعددی سر و کار خواهید داشت که به شما کمک می‌کند مفاهیم انتزاعی را به صورت ملموس درک کنید:

• اولین سیستم عامل شما: نوشتن یک هسته بسیار ساده که فقط یک پیام “Hello, OS!” را از طریق UART به کنسول ارسال می‌کند. این آغاز سفر شما در دنیای سیستم عامل‌هاست.
• کنترل سخت‌افزار: پیاده‌سازی کدی که مستقیماً پین‌های GPIO رزبری پای را کنترل کرده و یک LED را روشن و خاموش می‌کند، بدون نیاز به هیچ سیستم عامل موجود.
• ایجاد وظایف همزمان: ساخت دو یا چند “وظیفه” کوچک که به ظاهر همزمان در سیستم عامل شما اجرا می‌شوند، و نشان می‌دهد زمان‌بند چگونه بین آن‌ها سوئیچ می‌کند.
• ایجاد رابط کاربری پایه: نوشتن یک Shell اولیه که دستورات ساده‌ای را از کاربر می‌گیرد و خروجی مناسب را نمایش می‌دهد، شبیه به خط فرمان لینوکس.

نکته کلیدی: تأکید اصلی این دوره بر رویکرد “گام به گام” است. هر مفهوم جدید بر پایه مفاهیم قبلی بنا شده و شما را از صفر تا یک سیستم عامل عملکردی همراهی می‌کند. این رویکرد تضمین می‌کند که شما هیچ مرحله‌ای را از دست ندهید و درکی عمیق و پایدار از هر بخش داشته باشید.

مخاطبان این دوره چه کسانی هستند؟

این دوره برای طیف وسیعی از افراد علاقه‌مند به مهندسی نرم‌افزار، سخت‌افزار و سیستم‌ها مناسب است:

• مهندسان سیستم‌های توکار و IoT: کسانی که می‌خواهند فراتر از استفاده از سیستم عامل‌های آماده، به عمق عملکرد دستگاه‌های خود نفوذ کنند.
• دانشجویان علوم کامپیوتر و مهندسی: برای درک عملی مفاهیم درس سیستم عامل و معماری کامپیوتر.
• برنامه‌نویسان علاقه‌مند به سطح پایین: هر کسی که کنجکاو است بداند کدهایش چگونه مستقیماً با سخت‌افزار ارتباط برقرار می‌کنند.
• محققان و توسعه‌دهندگان: افرادی که به دنبال ساخت سیستم عامل‌های سفارشی برای پروژه‌های تحقیقاتی یا محصولات خاص هستند.