임베디드 리눅스를 이용해서 장치를 만들 때 고려할 하드웨어 관련 사항, 툴체인과 부트로더 선택, 커널 구성과 루트 파일시스템 생성, 빌드 시스템 선택, 플래시 메모리, 장치 드라이버, 시스템 부트 과정을 다룬다. 또한 만들어진 임베디드 리눅스 플랫폼 위에서 프로그래밍할 때 고려해야 할 프로세스와 스레드, 메모리 관리, 디버깅, 프로파일링, 실시간 프로그래밍 관련 내용도 다룬다. 2판에서는 OTA(over-the-air) 업데이트를 다루는 8장, '소프트웨어 업데이트', 배터리 수명 연장과 에너지 절약을 통한 환경 보호에 도움이 되는 11장, '전원 관리'가 추가됐다.

[목 차]

1장. 시작

__알맞은 운영체제 선택하기
__참여 단체
__프로젝트 생명주기
____임베디드 리눅스의 4 요소
__오픈소스
____라이선스
__임베디드 리눅스용 하드웨어
__이 책에서 사용하는 하드웨어
____비글본 블랙
____QEMU
__이 책에서 사용하는 소프트웨어
__요약

2장. 툴체인에 대해 배워보자

__툴체인 소개
____툴체인의 종류
____CPU 아키텍처
____C 라이브러리 고르기
__툴체인 찾기
__crosstool-NG를 이용한 툴체인 빌드
____crosstool-NG 설치
____비글본 블랙용 툴체인 빌드
____QEMU용 툴체인 빌드
__툴체인의 구조
____크로스 컴파일러에 대해 알아보기
____sysroot, 라이브러리, 헤더 파일
____툴체인 안의 다른 도구들
____C 라이브러리의 요소 살펴보기
__라이브러리와 링크하기: 정적 링크와 동적 링크
____정적 라이브러리
____공유 라이브러리
__크로스 컴파일 기술
____단순 makefile
____Autotools
____패키지 구성
____크로스 컴파일 관련 문제
__요약

3장. 부트로더에 대한 모든 것

__부트로더는 무슨 일을 하는가?
__부트 순서
____1단계: 롬 코드
____2단계: SPL
____3단계: TPL
__UEFI 펌웨어로 부팅하기
__부트로더에서 커널로 이동
__장치 트리 소개
____장치 트리 기초
____reg 프로퍼티
____레이블과 인터럽트
____장치 트리 include 파일
____장치 트리 컴파일
__부트로더 선택
__U-Boot
____U-Boot 빌드
____U-Boot 설치
____U-Boot 사용
____리눅스 부트
____U-Boot를 새로운 보드에 이식
____빌드와 테스트
____팔콘 모드
__Barebox
____Barebox 구하기
____Barebox 빌드하기
____Barebox 사용하기
__요약

4장. 커널 구성과 빌드

__커널은 무엇을 하는가?
__커널 선택하기
____커널 개발 주기
____안정적 장기 지원 릴리스
____벤더 지원
____라이선스
__커널 빌드하기
____소스 구하기
____커널 구성의 이해: KConfig
____LOCALVERSION을 이용한 커널 식별
____커널 모듈
__컴파일: Kbuild
____어떤 커널 이미지를 컴파일할지 알아내기
____빌드 산출물
____장치 트리 컴파일
____모듈 컴파일
____커널 소스 청소
____비글본 블랙용 커널 빌드하기
____QEMU용 커널 빌드하기
__커널 부팅하기
____비글본 블랙 부팅하기
____QEMU 부팅하기
__커널 패닉
____초기 사용자 공간
____커널 메시지
____커널 커맨드라인
__리눅스를 새 보드에 이식하기
____새로운 장치 트리
____보드 compatible 프로퍼티 설정하기
__더 읽을거리
__요약

5장. 루트 파일시스템 만들기

__루트 파일시스템에는 무엇이 있어야 하는가?
____디렉토리 레이아웃
____스테이징 디렉토리
____POSIX 파일 접근 권한
____스테이징 디렉토리에서 파일 소유권 권한
____루트 파일시스템을 위한 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
____권한 문제
__TFTP를 이용해 커널 로드하기
__더 읽을거리
__요약

6장. 빌드 시스템 선택하기

__빌드 시스템
__패키지 포맷과 패키지 관리자
__Buildroot
____배경
____안정 버전 릴리스 및 장기간 지원
____설치
____구성
____실행
____커스텀 BSP 생성
____자신의 코드 추가
____라이선스 준수
__Yocto프로젝트
____배경
____안정적인 릴리스 그리고 지원
____Yocto 프로젝트 설치
____구성하기
____빌드
____QEMU 타깃 실행
____레이어
____local.conf를 통한 이미지 커스터마이징
____이미지 레시피 쓰기
____SDK 만들기
____라이선스 검사
__더 읽을거리
__요약

7장. 저장소 전략 만들기

__저장소 옵션
____NOR 플래시
____NAND 플래시
____컨트롤러가 내장된 플래시
__부트로더에서 플래시 메모리 접근하기
____U-Boot와 NOR 플래시
____U-Boot와 NAND 플래시
____U-Boot와 MMC, SD, eMMC
__리눅스에서 플래시 메모리 접근하기
____MTD
____MMC 블록 드라이버
__플래시 메모리용 파일시스템
____플래시 변환 레이어
__NOR와 NAND 플래시 메모리용 파일시스템
____JFFS2
____YAFFS2
____UBI와 UBIFS
__컨트롤러가 내장된 플래시용 파일시스템
____플래시벤치
____discard와 TRIM
____Ext4
____F2FS
____FAT16/32
__읽기 전용 압축 파일시스템
____squashfs
__임시 파일시스템
__읽기 전용 루트 파일시스템 만들기
__파일시스템 선택
__더 읽을거리
__요약

8장. 소프트웨어 업데이트

__무엇을 업데이트해야 하는가?
____부트로더
____커널
____루트 파일시스템
____시스템 응용 프로그램
____장치별 데이터
____업데이트가 필요한 컴포넌트
__소프트웨어 업데이트의 기본
____견고한 업데이트
____안전한 업데이트
____업데이트 보안
__업데이트 메커니즘 유형
____시메트릭(대칭) 이미지 업데이트
____어시메트릭(비대칭) 이미지 업데이트
____원자 파일 업데이트
__OTA 업데이트
__로컬 업데이트 시 Mender 사용하기
____Mender 클라이언트 빌드하기
____업데이트 설치하기
__OTA 업데이트 시 Mender 사용하기
__요약

9장. 장치 드라이버와의 만남

__장치 드라이버의 역할
__문자 장치
__블록 장치
__네트워크 장치
__런타임 시 드라이버 찾기
____sysfs에서 정보 가져오기
__적합한 장치 드라이버 찾기
__사용자 공간의 장치 드라이버
____GPIO
____LED
____I2C
____SPI
__커널 장치 드라이버 작성
____문자 드라이버 인터페이스 설계
____장치 드라이버의 구조
____커널 모듈 컴파일
____커널 모듈 로딩
__하드웨어 구성 정보 찾기
____장치 트리
____플랫폼 데이터
____장치 드라이버와 하드웨어의 연동
__더 읽을거리
__요약

10장. 시스템 구동: init 프로그램

__커널 구동 이후
__init 프로그램의 소개
__BusyBox init
____Buildroot init 스크립트
__시스템 V init
____inittab
____init.d 스크립트
____새로운 데몬 추가
____서비스 시작과 종료
__systemd
____Yocto 프로젝트와 Buildroot에서 systemd 빌드하기
____타깃, 서비스, 유닛의 소개
____systemd로 시스템을 구동하는 방법
____직접 만든 서비스 설치
____워치독 추가
____임베디드 리눅스에서 중요한 점
__더 읽을거리
__요약

11장. 전원 관리

__전력 사용량 측정
__클록 주파수 스케일링
____CPUFreq 드라이버
____CPUFreq 사용
__최적의 유휴 상태 선택하기
____CPUIdle 드라이버
____틱리스 작업
__주변장치 전원 끄기
__시스템을 절전 모드로 전환하기
____전력 상태
____웨이크업 이벤트
____실시간 클록(RTC)의 시간 지정 웨이크업
__더 읽을거리
__요약

12장. 프로세스와 스레드

__프로세스인가 스레드인가?
__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
__스케줄링
____공평성 대 결정성
____시분할 정책
____실시간 정책
____정책 선택하기
____실시간 우선순위 선택하기
__더 읽을거리
__요약

13장. 메모리 관리

__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 사용한 독립된 메모리 할당
____mmap을 사용한 메모리 공유
____mmap을 사용한 장치 메모리 액세스
__응용 프로그램에서 얼마나 많은 메모리를 사용하고 있는가?
__프로세스별 메모리 사용량
____top과 ps 사용
____smem 사용
____고려할 만한 그 밖의 툴
__메모리 누수 알아내기
____mtrace
____Valgrind
__메모리 부족
__더 읽을거리
__요약

14장. GDB로 디버깅하기

__GNU 디버거
__디버깅 준비하기
__응용 프로그램 디버깅
____gdbserver를 이용한 원격 디버깅
____원격 디버깅을 위한 Yocto 프로젝트 셋업하기
____원격 접속을 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
____이클립스
__커널 코드 디버깅
____kgdb를 사용한 커널 코드 디버깅
____디버그 세션 예제
____얼리 코드(early code) 디버깅
____디버깅 모듈
____kdb를 사용한 커널 코드 디버깅
____oops 메시지 살펴보기
____oops 메시지의 보존
__더 읽을거리
__요약

15장. 프로파일링과 추적

__관찰자 효과
____심볼 테이블과 컴파일 플래그
__프로파일 시작하기
__top으로 프로파일링하기
__푸어맨 프로파일러
__perf 소개
____perf용 커널 구성
____Yocto 프로젝트로 perf 빌딩하기
____Buildroot로 perf 빌딩하기
____perf로 프로파일링하기
____호출 그래프
____perf annotate
__그 밖의 프로파일러: OProfile, gprof
__이벤트 추적
__Ftrace 소개
____Ftrace 사용 준비
____Ftrace 사용
____동적 Ftrace 및 trace 필터
____이벤트 추적
__LTTng 사용
____LTTng와 Yocto 프로젝트
____LTTng와 Buildroot
____커널 추적에 LTTng 사용
__Valgrind 사용
____Callgrind
____Helgrind
__strace 사용
__요약

16장. 실시간 프로그래밍

__실시간이란 무엇인가?
__비결정론의 근원 식별하기
__스케줄링 대기시간 이해하기
__커널 선점
__실시간 리눅스 커널(PREEMPT_RT)
____스레드 인터럽트 핸들러
__선점 가능한 커널 잠금
____PREEMPT_RT 패치 얻기
____Yocto 프로젝트와 PREEMPT_RT
__고해상도 타이머
__페이지 폴트 방지
__인터럽트 쉴링
__스케줄링 대기시간 측정
____cyclictest
____Ftrace 사용
____cyclictest와 Ftrace 결합
__더 읽을거리
__요약

이 책에서 다루는 내용

- 대부분의 SoC나 임베디드 모듈 제조사가 제공하는 BSP 평가하기
- 빌드루트와 Yocto 프로젝트를 이용해 빠르고 효율적으로 임베디드 리눅스 시스템 구축하기
- 보안 위협 없이 판매된 IoT 장치 업데이트
- 장치의 전력 소모량을 줄여 배터리 지속하기
- 커널 장치 드라이버를 작성하지 않고 하는 하드웨어 상호작용
- GDB를 이용해 장치를 원격으로 디버그와 perf, ftrace, valgrind 같은 강력한 도구를 이용한 시스템 성능 측정
- 실시간 운영 체제로 리눅스 구성하기

이 책의 대상 독자

임베디드 컴퓨팅과 리눅스에 관심이 있고, 다양한 주제에 대한 지식을 넓히고자 하는 개발자를 위한 책이다. 리눅스 커맨드라인에 대한 기초적인 이해가 있다고 가정했고, 프로그래밍 예에서는 C 언어에 대한 실용적인 지식이 있다고 가정했다. 몇몇 장은 임베디드 타깃 보드에 들어가는 하드웨어에 초점을 맞추므로, 하드웨어와 하드웨어 인터페이스에 친숙하면 도움이 될 것이다.

이 책의 구성

1장 '시작'에서는 임베디드 리눅스 생태계를 설명하고, 프로젝트를 시작할 때 시스템 설계자가 할 수 있는 선택에 대해 설명한다.
2장 '툴체인에 대해 배워보자'에서는 툴체인의 요소에 대해 설명하고, 타깃 보드용으로 크로스 컴파일하기 위한 툴체인을 만드는 방법을 보여준다. 어디서 툴체인을 구할 수 있는지와 소스 코드로부터 빌드하는 방법에 대해 자세히 설명한다.
3장 '부트로더에 대한 모든 것'에서는 리눅스 커널을 메모리로 로드하는 부트로더의 역할에 대해 설명하고, U-Boot와 Bareboot를 예로 사용한다. 장치 트리도 설명하는데, 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 관한 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 다루면서 책의 첫 번째 부분을 마친다.
7장 '저장소 전략 만들기'에서는 플래시 메모리를 관리함으로써 생기는 플래시 칩과 임베디드 MMC eMMC 패키지 등의 도전에 대해 알아본다. 기술의 종류에 따라 적용할 수 있는 파일시스템을 설명한다. 또한 이미 배치돼 있는 장치의 펌웨어를 갱신하는 기법도 다룬다.
8장 '소프트웨어 업데이트'에서는 완전 관리형(OTA Over the Air)을 포함해서, 장치가 배치된 다음 소프트웨어를 업데이트하는 다양한 방법을 검토한다. 논의되는 핵심 주제는 신뢰성과 보안이다.
9장 '장치 드라이버와의 만남'에서는 커널 장치 드라이버가 하드웨어와 상호작용하는 방법을 간단한 드라이버의 작동 예제를 가지고 설명한다. 또한 사용자 공간에서 장치 드라이버를 호출하는 다양한 방법도 설명한다.
10장 '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.
11장 '전원 관리'에서는 동적 주파수/전압 제어, 더 깊은 유휴 상태 선택, 시스템 중단 등 전력 소비를 최소화하도록 리눅스를 튜닝하는 다양한 방법을 고려한다. 목표는 장치가 배터리를 이용해 더 오래 실행되게 하고 발열을 줄이는 것이다.
12장 '프로세스와 스레드'에서는 응용 프로그램 프로그래머의 관점에서 임베디드 시스템에 대해 설명한다. 프로세스와 스레드, 프로세스 간 통신, 스케줄링 정책을 살펴본다.
13장 '메모리 관리'에서는 가상 메모리의 개념과 주소 공간을 메모리 매핑으로 나누는 방법을 소개한다. 또한 메모리 사용량을 정확히 측정하고 메모리 누수를 감지하는 방법도 설명한다.
14장 'GDB로 디버깅하기'에서는 GNU 디버거 GDB를 디버그 에이전트와 함께 사용해 원격으로 타깃 장치에서 실행되는 응용 프로그램을 디버깅하는 방법을 설명한다. 계속해서 이 모델을 확장해 커널 디버그 스텁 KGDB을 활용한 커널 코드 디버깅 방법도 보여준다.
15장 '프로파일링과 추적'에서는 시스템 성능을 측정하는 데 사용할 수 있는 기술에 대해 설명한다. 전체 시스템 프로파일에서 시작해 병목 현상으로 인해 성능이 저하되는 특정 영역으로 좁혀간다. 또한 응용 프로그램에서 스레드 동기화와 메모리 할당의 정확성을 검사하는 도구인 Valgrind에 대해 설명한다.
16장 '실시간 프로그래밍'에서는 커널 구성과 실시간 PREEMPT_RT 커널 패치 등을 비롯해 리눅스에서의 실시간 프로그래밍에 대해 자세히 설명하고, 실시간 대기시간을 측정하는 도구들도 설명한다. 커널 추적 도구인 Ftrace를 이용해 커널 대기시간을 측정하고 다양한 커널 구성의 효과를 보여준다.

크리스 시먼즈(Chris Simmonds)
소프트웨어 컨설턴트이자 교육자로 영국 남부에 살고 있다. 20년 가까이 오픈소스 임베디드 시스템 설계와 개발 경험을 쌓아왔으며, 임베디드 리눅스, 리눅스 장치 드라이버, 안드로이드 플랫폼 개발 관련 교육과 멘토링 서비스를 제공하는 2net Ltd의 창업자이자 수석 컨설턴트다. ARM, 퀄컴(Qualcomm), 인텔(Intel), 에릭슨(Ericsson), 제너럴 다이내믹스(General Dynamics) 등 임베디드 업계의 대규모 회사 여러 곳의 엔지니어들을 교육했다. 임베디드 리눅스 콘퍼런스(Embedded Linux Conference)와 임베디드 월드(Embedded World) 등 오픈소스와 임베디드 콘퍼런스 에서 자주 강연한다. 블로그 'Inner Penguin'(www.2net.co.uk)에서 그의 작업 중 일부를 살펴볼 수 있다.

옮긴이 김기주
포스텍 컴퓨터공학과와 동 대학원을 졸업한 후, 지금은 elastic.co에서 일래스틱서치 사용자들을 돕고 있다. LG전자에서 타임머신 TV, 썬마이크로시스템과 오라클에서 자바 VM 관련 개발에 참여했다. 공저로 [Security Plus For Unix](영진출판, 2000), 역서로 에이콘출판에서 출간한 [임베디드 프로그래밍 입문](2006), [실시간 UML](2008), [리눅스 API의 모든 것](2012), [리눅스 실전 가이드](2014)가 있다.

옮긴이 김병극
IMF 시절 웹 프로그래밍을 시작으로 SW 개발을 시작했으며, 그 후 삼성, 팬택 피처폰의 데이터 서비스(Data Service) 및 애플리케이션(Application) 관련 업무를 진행 중 피처폰에 자바 VM을 포팅하는 일이 인연이 돼 썬마이크로시스템과 오라클에서 자바 VM 관련 개발 업무를 했다. 현재는 시놉시스(Synopsys)의 정적 분석, 동적 분석 및 퍼징 테스트(Fuzzing test) 제품의 기술 지원 업무를 맡고 있다.

옮긴이 송지연
지엔텔, 노키아 지멘스 네트웍스에서 근무한 경험이 있는 WCDMA, LTE 분야의 통신 기술 엔지니어 출신으로, 취미로 팀을 개발에 한동안 푹 빠져 있기도 했다. 현재는 주전공인 소프트웨어 개발 분야로 돌아와 오라클 자바 개발 팀을 거쳐 그레이스노트 코리아에서 근무 중이며, 역서로는 [스프링 프레임워크 핵심 노트](한빛미디어, 2013)와 [리눅스 실전 가이드](에이콘출판, 2014) 등이 있다.