이 책에서 다루는 내용

- Buildroot와 Yocto 프로젝트를 이용해 임베디드 리눅스 시스템을 만든다.
- BitBake 빌드 오류를 해결하고 Yocto 개발 워크플로를 간소화한다.
- Mender나 balena를 이용해 IoT 장치를 안전하게 업데이트한다.
- 회로도를 읽고, 장치 트리를 수정하고, 브레이크아웃 보드를 납땜하고, 로직 분석기로 핀을 프로브해 주변 장치 추가를 프로토타이핑한다.
- 커널 장치 드라이버를 작성하지 않고도 하드웨어와 상호작용한다.
- 시스템을 BusyBox runit으로 관리되는 서비스로 나눈다.
- GDB를 이용해 장치를 원격으로 디버깅하고 perf, ftrace, eBPF, Callgrind 같은 도구를 이용해 시스템의 성능을 측정한다.

이 책의 대상 독자

임베디드 컴퓨팅과 리눅스에 관심이 있고 자신들의 지식을 해당 주제의 다양한 분야로 확장하려는 개발자들을 위한 책이다. 리눅스 명령줄(Linux command line)의 기초를 이해하는 독자들이 읽기 적합하며, 프로그래밍 예제에서는 C와 파이썬 언어에 대한 실무 지식이 있다고 가정하고 설명한다. 몇 개의 장은 임베디드 타깃 보드에 들어가는 하드웨어에 초점을 두므로, 하드웨어와 하드웨어 인터페이스에 익숙하면 분명히 해당 경우에 이점이 있을 것이다.

이 책의 구성

1장. ‘시작’에서는 임베디드 리눅스 생태계를 살펴보고, 프로젝트를 시작할 때 시스템 설계자가 어떤 선택을 할 수 있는지를 설명한다.
2장. ‘툴체인을 배우자’에서는 툴체인의 요소를 설명하고, 타깃 보드용으로 크로스 컴파일하기 위한 툴체인을 만드는 방법을 보여준다. 어디서 툴체인을 구할 수 있는지 살펴보고, 소스 코드로부터 빌드하는 방법을 자세히 설명한다.
3장. ‘부트로더에 대한 모든 것’에서는 리눅스 커널을 메모리로 로드하는 부트로더의 역할을 설명하고 U-Boot와 Bareboot를 예로 사용한다. 이어서 장치 트리도 설명한다. 장치 트리는 하드웨어의 자세한 내용을 부호화하는 수단으로, 거의 대부분의 임베디드 리눅스 시스템에 쓰인다.
4장. ‘커널 구성과 빌드’에서는 임베디드 시스템용 커널을 고르고 장치 내의 하드웨어를 위해 구성하는 방법에 대한 정보를 제공한다. 리눅스를 새로운 하드웨어에 이식하는 방법도 다룬다.
5장. ‘루트 파일시스템 만들기’에서는 루트 파일시스템 구성법에 대한 단계별 안내를 통해 임베디드 리눅스 구현의 사용자 공간 부분 뒤에 감춰진 아이디어를 소개한다.
6장. ‘빌드 시스템 선택하기’에서는 앞의 네 장에서 설명한 단계를 자동화하는 두 가지 임베디드 리눅스 빌드 시스템(Buildroot와 Yocto 프로젝트)을 다룬다.
7장. ‘Yocto를 이용한 개발’에서는 기존 BSP 레이어 위에 시스템 이미지를 빌드하고, Yocto 확장 SDK를 이용해 온보드 소프트웨어 패키지(onboard software package)를 빌드하고, 런타임 패키지 관리가 포함된 완전한 자신의 임베디드 리눅스 배포판을 작동시키는 방법을 보여
준다.
8장. ‘Yocto의 내부를 살펴보자’에서는 Yocto의 고유한 멀티 레이어 접근 방법에 대한 설명을 포함해, 빌드 워크플로와 아키텍처를 살펴본다. 또한 기초적인 BitBake 문법 및 의미를 실제 레시피recipe 파일에서 뽑아낸 예를 통해 자세히 살펴본다.
9장. ‘저장소 전략 수립’에서는 플래시 메모리를 관리함으로써 생기는, 플래시 칩과 임베디드 MMCeMMC 패키지 등의 문제를 알아본다. 각각에 따라 적용할 수 있는 파일시스템을 설명하고, 이미 배치돼 있는 장치의 펌웨어를 갱신하는 기법도 다룬다.
10장. ‘소프트웨어 업데이트’에서는 완전 관리형 OTAOver The Air를 포함해, 장치가 배치된 다음에 소프트웨어를 업데이트하는 다양한 방법을 검토한다. 논의되는 핵심 주제는 신뢰성과 보안이다.
11장. ‘장치 드라이버 인터페이스’에서는 커널 장치 드라이버가 하드웨어와 상호작용하는 방법을 간단한 드라이버의 작동 예제와 함께 설명한다. 또한 사용자 공간에서 장치 드라이버를 호출하는 다양한 방법도 설명한다.
12장. ‘브레이크아웃 보드를 이용한 프로토타이핑’에서는 미리 만들어진 비글본 블랙(BeagleBone Black)용 데비안 이미지와 주변 기기 브레이크아웃 보드peripheral breakout board를 이용해 하드웨어와 소프트웨어를 빠르게 프로토타이핑하는 방법을 보여준다. 데이터시트를 읽고, 보드의 전선을 연결하고, 장치 트리 바인딩을 멀티플렉스하고, SPI 시그널을 분석하는 방법을 배울 것이다.
13장. ‘시스템 구동: init 프로그램’에서는 나머지 시스템을 시작하는 첫 번째 사용자 공간 프로그램인 init에 대해 이야기한다. 다양한 부류의 임베디드 시스템에 적합한 세 가지 버전의 init 프로그램(비교적 간단한 BusyBox init에서 복잡한 systemd까지)을 설명한다.
14장. ‘BusyBox runit’에서는 Buildroot를 이용해 시스템을 systemd에서 제공하는 프로세스 감시와 로깅이 가능한 분리된 BusyBox runit 서비스로 나누는 방법을 보여준다.
15장. ‘전원 관리’에서는 동적 주파수/전압 제어, 더 깊은 유휴 상태 선택, 시스템 중단system suspend 등 전력 소비를 최소화하도록 리눅스를 튜닝하는 다양한 방법을 고려한다. 목표는 장치가 배터리를 이용해서 더 오래 실행되도록 하고 발열을 줄이는 것이다.
16장. ‘파이썬 패키징하기’에서는 파이썬 모듈을 함께 배포하기 위한 몇 가지 방법을 소개하고 각각의 방법이 적합한 상황을 설명한다. 여기서는 pip, 가상 환경, conda, 도커(Docker)를 다룬다.
17장. ‘프로세스와 스레드’에서는 애플리케이션 프로그래머의 관점에서 임베디드 시스템을 설명한다. 프로세스와 스레드, 프로세스 간 통신, 스케줄링 정책을 살펴본다.
18장. ‘메모리 관리’에서는 가상 메모리의 개념을 살펴보고 주소 공간을 메모리 매핑으로 나누는 방법을 소개한다. 또한 메모리 사용량을 정확히 측정하고 메모리 누수를 감지하는 방법도 설명한다.
19장. ‘GDB로 디버깅하기’에서는 GNU 디버거(GDB)를 디버그 에이전트와 함께 사용해 원격으로 타깃 장치에서 실행되는 애플리케이션을 디버깅하는 방법을 설명한다. 계속해서 이 모델을 확장해 커널 디버그 스텁과 KGDB를 활용해 커널 코드를 디버깅하는 방법도 보여준다.
20장. ‘프로파일링과 추적’에서는 시스템 성능을 측정하는 데 사용할 수 있는 기술을 설명한다. 전체 시스템 프로필에서 시작해 병목 현상으로 인해 성능이 저하되는 특정 영역으로 좁혀간다. 또한 애플리케이션에서 스레드 동기화와 메모리 할당의 정확성을 검사하는 도구인 Valgrind를 알아본다.
21장. ‘실시간 프로그래밍’에서는 커널 구성과 실시간 PREEMPT_RT 커널 패치 등을 비롯해 리눅스에서의 실시간 프로그래밍에 대해 자세히 설명하고, 실시간 대기 시간을 측정하는 도구들도 살펴본다. 커널 추적 도구인 Ftrace를 이용해 커널 지연 시간을 측정하고 다양한 커널 구성의 효과를 보여준다.

1부. 임베디드 리눅스의 요소

1장. 시작
__리눅스 선택하기
__리눅스를 선택하지 말아야 할 때
__참여 단체들
__프로젝트 생명주기
____임베디드 리눅스의 4요소
__오픈소스
__라이선스
__임베디드 리눅스를 위한 하드웨어 선택하기
__이 책에서 사용하는 하드웨어
____라즈베리 파이 4
____비글본 블랙
____QEMU
__개발 환경
__요약

2장. 툴체인을 배우자
__기술적 요구 사항
__툴체인 소개
____툴체인의 종류
____CPU 아키텍처
____C 라이브러리 고르기
__툴체인 찾기
__crosstool-NG를 이용해 툴체인 빌드하기
____crosstool-NG 설치
____비글본 블랙용 툴체인 빌드
____QEMU용 툴체인 빌드
__툴체인의 구조
____크로스 컴파일러를 알아보자
____sysroot, 라이브러리, 헤더 파일
____툴체인 안의 다른 도구들
____C 라이브러리의 요소를 살펴보자
__라이브러리와 링크하기: 정적 링크와 동적 링크
____정적 라이브러리
____공유 라이브러리
__크로스 컴파일 기술
____단순 makefile
____Autotools
____패키지 구성
____크로스 컴파일 관련 문제
____CMake
__요약
__추가 자료

3장. 부트로더에 대한 모든 것
__기술적 요구 사항
__부트로더는 무슨 일을 하는가?
__부트 순서
____1단계: 롬 코드
____2단계: SPL
____3단계: TPL
__부트로더에서 커널로 이동
__장치 트리 소개
____장치 트리 기초
____reg 프로퍼티
____레이블과 인터럽트
____장치 트리 인클루드 파일
____장치 트리 컴파일하기
__U-Boot
____U-Boot 빌드하기
____U-Boot 설치하기
____U-Boot 사용하기
____리눅스 부팅
____U-Boot를 새로운 보드에 이식하기
____빌드와 테스트
____팔콘 모드
__요약

4장. 커널 구성과 빌드
__기술적 요구 사항
__커널은 무엇을 하는가?
__커널 선택하기
____커널 개발 주기
____안정적 장기 지원 릴리스
__커널 빌드하기
____소스 구하기
____커널 구성 이해하기: Kconfig
____LOCALVERSION을 이용해 커널 식별하기
____언제 커널 모듈을 사용하는가?
__컴파일하기: Kbuild
____어떤 커널 이미지를 컴파일할지 알아내기
____빌드 아티팩트
____장치 트리 컴파일하기
____모듈 컴파일하기
____커널 소스 청소하기
____라즈베리 파이 4용 64비트 커널 빌드하기
____비글본 블랙용 커널 빌드하기
____QEMU용 커널 빌드하기
__커널 부팅하기
____라즈베리 파이 4 부팅하기
____비글본 블랙 부팅하기
____QEMU 부팅하기
____커널 패닉
____초기 사용자 공간
____커널 메시지
____커널 명령줄
__리눅스를 새 보드에 이식하기
____새로운 장치 트리
____보드의 compatible 프로퍼티 설정하기
__요약
__추가 자료

5장. 루트 파일시스템 만들기
__기술적 요구 사항
__루트 파일시스템에는 무엇이 있어야 하는가?
____디렉터리 레이아웃
____스테이징 디렉터리
____POSIX 파일 접근 권한
____스테이징 디렉터리의 파일 소유권과 권한
____루트 파일시스템용 프로그램
____루트 파일시스템용 라이브러리
____장치 노드
____proc과 sysfs 파일시스템
____커널 모듈
__루트 파일시스템을 타깃으로 전송하기
__부트 initramfs 만들기
____단독형 initramfs
____initramfs 부팅하기
____QEMU로 부팅하기
____비글본 블랙 부팅하기
____initramfs를 커널 이미지에 넣기
____장치 테이블을 이용해 initramfs 빌드하기
____오래된 initrd 형식
__init 프로그램
____데몬 프로세스 시작하기
__사용자 계정 구성하기
____루트 파일시스템에 사용자 계정 추가하기
__장치 노드를 관리하는 더 좋은 방법
____devtmpfs를 사용하는 예
____mdev를 사용하는 예
____결국 정적 장치 노드는 그렇게 나쁜 것인가?
__네트워크 구성하기
____glibc용 네트워크 요소
__장치 테이블을 이용해 파일시스템 이미지 만들기
____비글본 블랙 부팅하기
____NFS를 이용해 루트 파일시스템 마운트하기
____QEMU로 테스트하기
__비글본 블랙으로 테스트하기
__파일 권한 문제
__TFTP를 이용해 커널 로드하기
__요약
__추가 자료

6장. 빌드 시스템 선택하기
__기술적 요구 사항
__빌드 시스템 비교
__바이너리 배포
__Buildroot 소개
____배경
____안정 버전 릴리스 및 장기간 지원 버전
____설치
____구성
____실행
____실제 하드웨어에 타기팅
____커스텀 BSP 생성
____자신의 코드 추가
____라이선스 준수
__Yocto 프로젝트 소개
____배경
____안정적인 릴리스와 지원
____Yocto 프로젝트 설치
____설정
____빌드
____QEMU 타킷 실행
____레이어
____local.conf를 통한 이미지 커스터마이징
____이미지 레시피 쓰기
____SDK생성
____라이선스 검사
__요약
__추가 자료

7장. Yocto를 이용한 개발
__기술적 요구 사항
__기존 BSP 위에서 빌드
____기존 BSP를 빌드
____Wi-Fi 제어
____블루투스 제어
____커스텀 레이어 추가
__devtool로 변경 사항 캡처
____개발 워크플로
____새로운 레시피 생성
____레시피로 빌드된 소스 수정
____레시피를 최신 버전으로 업그레이드
__나만의 배포판 빌드
____할 때와 하지 말아야 할 때
____새로운 배포 레이어 생성
____배포판 환경 설정
____배포판에 더 많은 레시피 추가
____런터임 패키지 관리
__원격 패키지 서버 프로비저닝
__요약
__추가 자료

8장. Yocto의 내부를 살펴보자
__기술적 요구 사항
__Yocto의 아키텍처와 워크플로 분석
____메타데이터
____빌드 태스크
____이미지 생성
__메타데이터를 레이어로 분리
__빌드 실패에 대한 문제 해결
____오류 격리하기
____환경 설정 덤프
____태스크 로그 읽기
____더 많은 로깅 추가
____devshell에서 명령 실행
____의존성 그래프 작성
__BitBake 구문과 의미 이해
____태스크
____의존성
____변수
____함수
____RDEPENDS 재확인
__요약
__추가 자료

2부. 시스템 아키텍처와 설계 결정

9장. 저장소 전략 수립
__기술적 요구 사항
__저장소 옵션
____NOR 플래시
____NAND 플래시
__부트로더에서 플래시 메모리 접근하기
____U-Boot와 NOR 플래시
____U-Boot와 NAND 플래시
____U-Boot와 MMC, SD, eMMC
__리눅스에서 플래시 메모리 접근
____MTD
____MMC 블록 드라이버
__플래시 메모리를 위한 파일시스템
____플래시 변환 레이어
__NOR와 NAND 플래시 메모리를 위한 파일시스템
____JFFS2
____YAFFS2
____UBI와 UBIFS
__컨트롤러가 내장된 플래시를 위한 파일시스템
____플래시벤치
____Discard와 TRIM
____ext4
____F2FS
____FAT16/32
__읽기 전용 압축 파일시스템
____SquashFS
__임시 파일시스템
__읽기 전용 루트 파일시스템 만들기
__파일시스템 선택
__요약
__추가 자료

10장. 소프트웨어 업데이트
__기술적 요구 사항
__업데이트는 어디에서 시작하는가?
__무엇을 업데이트해야 하는가?
____부트로더
____커널
____루트 파일시스템
____시스템 애플리케이션
____장치별 데이터
____업데이트가 필요한 컴포넌트
__소프트웨어 업데이트의 기본
____견고한 업데이트
____안전한 업데이트
____업데이트 보안
__업데이트 메커니즘 유형
____시메트릭 이미지 업데이트
____어시메트릭 이미지 업데이트
____원자 파일 업데이트
__OTA 업데이트
__로컬 업데이트 시 Mender 사용하기
____Mender 클라이언트 빌드하기
__업데이트 설치하기
__OTA 업데이트 시 Mender 사용하기
__로컬 업데이트 시 balena 사용하기
____계정 생성하기
____애플리케이션 생성하기
____장치 추가하기
____CLI 설치하기
____프로젝트 푸시하기
__요약

11장. 장치 드라이버 인터페이스
__기술적 요구 사항
__장치 드라이버의 역할
__문자 장치
__블록 장치
__네트워크 장치
__실행 시 드라이버 찾기
____Sysfs에서 정보 가져오기
__적합한 장치 드라이버 찾기
__사용자 공간의 장치 드라이버
____GPIO
____LED
____I2C
____SPI
__커널 장치 드라이버 작성
____캐릭터 드라이버 인터페이스 설계
____장치 드라이버의 구조
____커널 모듈 컴파일하기
____커널 모듈 로딩
__하드웨어 구성 정보 찾기
____장치 트리
____플랫폼 데이터
____장치 드라이버와 하드웨어의 연동
__요약
__추가 자료

12장. 브레이크아웃 보드를 이용한 프로토타이핑
__기술적 요구 사항
__장치 트리의 소스에 회로도 매핑하기
____회로도와 데이터 시트 읽기
____비글본 블랙에 데비안 설치하기
____spidev 활성화하기
____장치 트리 커스터마이징하기
__브레이크아웃 보드를 이용한 프로토타이핑
____SPI 점퍼 닫기
____GNSS 안테나 부착하기
____SPI 헤더 부착하기
____SPI 점퍼 와이어 연결하기
__로직 분석기로 SPI 신호 프로빙하기
__SPI를 통해 NMEA 메시지 수신하기
__요약
__추가 자료

13장. 시스템 구동: init 프로그램
__기술적 요구 사항
__커널 구동 이후
__init 프로그램의 소개
__BusyBox init
____Buildroot init 스크립트
__System V init
____inittab
____init.d 스크립트
____새로운 데몬 추가
____서비스 시작과 종료
__systemd
____Yocto 프로젝트와 Buildroot에서 system 빌드하기
____타깃, 서비스, 유닛의 소개
____Systemd로 시스템을 구동하는 방법
____직접 만든 서비스 추가
____워치독 추가
____임베디드 리눅스에서 중요한 점
__요약
__추가 자료

14장. BusyBox runit
__기술적 요구 사항
__BusyBox runit 가져오기
__서비스 디렉터리와 파일 만들기
____서비스 디렉터리 레이아웃
____서비스 구성
__서비스 관리
____서비스 제어하기
__다른 서비스에 대한 의존성
____시작 의존성
____커스텀 시작 의존성
____모두 합치기
__전용 서비스 로깅
____어떻게 동작하는가?
____서비스에 전용 로깅 추가하기
____로그 회전
__서비스에 시그널 보내기
__요약
__추가 자료

15장. 전원 관리
__기술적 요구 사항
__전력 사용량 측정
__클럭 주파수 스케일링
____CPUFreq 드라이버
____CPUFreq 사용
__최적의 idle 상태 선택하기
____CPUIdle 드라이버
____틱리스 작업
__주변 기기 전원 끄기
__시스템을 절전 모드로 전환하기
____전력 상태
____웨이크업 이벤트
____실시간 클럭의 시간 지정 웨이크업
__요약
__추가 자료

3부. 임베디드 애플리케이션 작성하기

16장. 파이썬 패키징하기
__기술적 요구 사항
____도커 설치하기
__파이썬 패키징의 기원 추적
____distutils
____setuptools
____setup.py
__pip로 파이썬 패키지 설치하기
____requirements.txt
__venv를 이용해 파이썬 가상 환경 관리하기
__conda를 이용해 미리 컴파일된 바이너리 설치하기
____환경 관리
____패키지 관리
__도커를 사용해 파이썬 애플리케이션 배포하기
____도커파일 해부
____도커 이미지 빌드하기
____도커 이미지 실행하기
____도커 이미지 가져오기
____도커 이미지 게시하기
____뒷정리
__요약
__추가 자료

17장. 프로세스와 스레드
__기술적 요구 사항
__프로세스와 스레드
__프로세스
____새로운 프로세스 만들기
____프로세스 종료하기
____다른 프로그램 실행하기
____데몬
____프로세스 간 통신
__스레드
____새로운 스레드 만들기
____스레드 종료하기
____스레드를 사용하는 프로그램 컴파일하기
____스레드 간 통신
____상호 배제
____조건 바꾸기
____문제 나누기
__ZeroMQ
____pyzmq 받기
____프로세스 간 메시징
____프로세스 내 메시징
__스케줄링
____공평성 대 결정성
____시분할 정책
____실시간 정책
____정책 선택하기
____실시간 우선순위 선택하기
__요약
__추가 자료

18장. 메모리 관리
__기술적 요구 사항
__가상 메모리 기초
__커널 공간 메모리 레이아웃
__커널이 얼마나 많은 메모리를 사용하는가?
__사용자 공간 메모리 레이아웃
__프로세스 메모리 맵
__스와핑
____압축 메모리(zram)로 스왑
__mmap으로 메모리 매핑
____mmap을 사용해 독립된 메모리 할당
____mmap을 사용해 메모리 공유
____mmap을 사용해 장치 메모리에 액세스
__애플리케이션에서 메모리를 얼마나 사용하고 있는가?
__프로세스별 메모리 사용량
____top과 ps 사용
____smem 사용
____고려할 만한 다른 도구
__메모리 누수 식별하기
____mtrace
____Valgrind
__메모리 부족
__요약
__추가 자료

4부 ― 디버깅과 성능 최적화

19장. GDB로 디버깅하기
__기술적 요구 사항
__GNU 디버거
__디버깅 준비하기
__애플리케이션 디버깅
____gdbserver를 이용한 원격 디버깅
____원격 디버깅을 위한 Yocto 프로젝트 셋업하기
____원격 디버깅을 위한 Buildroot 셋업하기
____디버깅 시작하기
____네이티브 디버깅
__JIT 디버깅
__디버깅 포크와 스레드
__코어 파일
____GDB를 이용해 코어 파일 살펴보기
__GDB 사용자 인터페이스
____터미널 사용자 인터페이스
____데이터 디스플레이 디버거
____비주얼 스튜디오 코드
__커널 코드 디버깅
____kgdb를 사용한 커널 코드 디버깅
____디버그 세션 샘플
____얼리 코드 디버깅
____디버깅 모듈
____kdb를 사용한 커널 코드 디버깅
____웁스 메시지 살펴보기
____웁스 메시지의 보존
__요약
__추가 자료

20장. 프로파일링과 추적
__기술적 요구 사항
__관찰자 효과
____심볼 테이블과 컴파일 플래그
__프로파일링 시작하기
__top을 이용한 프로파일링
__가난한 사람의 프로파일러
__perf
____perf를 위한 커널 구성
____Yocto 프로젝트를 이용해 perf 빌드하기
____Buildroot를 이용해 perf 빌드하기
____perf를 이용해 프로파일링하기
____호출 그래프
____perf annotate
__이벤트 추적
__Ftrace
____Ftrace를 사용하기 위한 준비
____Ftrace 사용하기
____동적 Ftrace와 트레이스 필터
____트레이스 이벤트
__LTTng 사용하기
____LTTng와 Yocto 프로젝트
____LTTng와 Buildroot
____LTTng를 사용해 커널 추적하기
__BPF 사용하기
____BPF를 위한 커널 구성
____Buildroot를 이용해 BCC 툴킷 빌드하기
____BPF 추적 도구 사용하기
__Valgrind 사용하기
____Callgrind
____Helgrind
__strace 사용하기
__요약
__추가 자료

21장. 실시간 프로그래밍
__기술적 요구 사항
__실시간이란 무엇인가?
__비결정성의 원인 식별하기
__스케줄링 지연 이해하기
__커널 선점
____실시간 리눅스 커널(PREEMPT_RT)
____스레드 인터럽트 핸들러
__선점 가능한 커널 잠금
____PREEMPT_RT 패치 가져오기
____Yocto 프로젝트와 PREEMPT_RT
__고해상도 타이머
__페이지 폴트 피하기
__인터럽트 쉴딩
__스케줄링 지연 측정하기
____cyclictest
____Ftrace
____cyclictest와 Ftrace를 함께 사용하기
__요약
__추가 자료