嵌入式linux系統(tǒng)的裁剪優(yōu)化和測(cè)試技術(shù)

胡 晉

同濟(jì)大學(xué)電信學(xué)院，上海 201804

1 裁剪需求分析

Linux操作系統(tǒng)并不是專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，應(yīng)用于嵌入式設(shè)備時(shí)必須進(jìn)行裁剪優(yōu)化，其目的之一是為了簡(jiǎn)化已有的操作系統(tǒng)內(nèi)核的功能和結(jié)構(gòu)，以滿足嵌入式系統(tǒng)對(duì)資源的限制需求。

嵌入式操作系統(tǒng)需要裁剪的對(duì)象主要有：引導(dǎo)及初始化程序，操作系統(tǒng)內(nèi)核，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加載模塊，動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)以及根文件系統(tǒng)等。定制裁剪的一般操作過(guò)程如下：獲取linux內(nèi)核、GNU utility等源代碼，根據(jù)項(xiàng)目需求和具體平臺(tái)對(duì)內(nèi)核源代碼進(jìn)行補(bǔ)丁操作，手工配置，去掉多余的功能模塊，保留部分開發(fā)調(diào)試用模塊和目標(biāo)功能模塊，生成配置文件。然后根據(jù)配置文件進(jìn)行自動(dòng)交叉編譯和鏈接，生成壓縮過(guò)的適合具體硬件平臺(tái)的內(nèi)核映像文件。再以同樣方式生成引導(dǎo)初始化程序映像和根文件系統(tǒng)映像，最后把三者通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞桨惭b到目標(biāo)開發(fā)板中，生成我們的目標(biāo)操作系統(tǒng)，并且進(jìn)行功能和性能測(cè)試分析。

2 內(nèi)核的裁剪和移植

內(nèi)核裁剪方式有多種，有基于原內(nèi)核提供的kbuild體系的裁剪方法，有基于代碼分析的linux裁剪方法，有基于調(diào)用圖的linux裁剪方法?；诙涕_發(fā)周期的需求考慮，選擇采用kbuild體系的裁剪方法。Kbuild體系通過(guò)預(yù)定義一些變量（obj-m，obj-y）和目標(biāo)(bzImage)，使內(nèi)核的編譯和擴(kuò)展變得十分方便，具有很強(qiáng)的可定制性。

2.1 選擇交叉編譯環(huán)境

可以有多種方式來(lái)建立交叉編譯環(huán)境，包括自行通過(guò)源碼編譯，通過(guò)外部工具進(jìn)行批處理編譯，本文采用開發(fā)板自帶的交叉編譯器。

2.2 支持開發(fā)板的arm架構(gòu)

原始內(nèi)核源碼包缺乏支持目標(biāo)開發(fā)板的模塊，需要打上由廠商所提供的補(bǔ)丁。

2.3 修改內(nèi)核Makefile文件

在內(nèi)核源碼目錄下的Makefile中修改指定內(nèi)核架構(gòu)和交叉編譯器，這樣就不需要在編譯時(shí)再指定了。

2.4 選擇默認(rèn)配置文件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行內(nèi)核配置的修改

配置內(nèi)核有四種基本方式，有基于字符終端的也有在圖形界面下配置的。

make config 基于文本的最為傳統(tǒng)的配置界面，不推薦使用；

make menuconfig 基于文本選單的配置界面，字符終端下推薦使用；

make xconfig 基于圖形窗口模式的配置界面，Xwindow下推薦使用；

make oldconfig 如果只想在原來(lái)內(nèi)核配置的基礎(chǔ)上修改一些小地方，會(huì)省去不少麻煩。

以make menuconfig為例，選擇相應(yīng)的配置時(shí)，有三種選擇，它們分別代表的含義如下：

Y-將該功能編譯進(jìn)內(nèi)核；

N-不將該功能編譯進(jìn)內(nèi)核；

M-將該功能編譯成可以在需要時(shí)動(dòng)態(tài)插入到內(nèi)核中的模塊；

配置過(guò)程需要使用空格鍵進(jìn)行選取。在每一個(gè)選項(xiàng)前都有個(gè)括號(hào)， 但有的是中括號(hào)有的是尖括號(hào)，還有一種圓括號(hào)。

用空格鍵選擇時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，中括號(hào)里要么是空，要么是"*"，而尖括號(hào)里可以是空，"*"和"M"。這表示前者對(duì)應(yīng)的項(xiàng)要么不要，要么編譯到內(nèi)核里；后者則多一樣選擇，可以編譯成模塊。而圓括號(hào)的內(nèi)容是要你在所提供的幾個(gè)選項(xiàng)中選擇一項(xiàng)。

快速配置方法：make localmodconfig。Linux 2.6.32 開始引入了一個(gè)make localmodconfig用于簡(jiǎn)化kernel的配置。make localmodconfig會(huì)執(zhí)行l(wèi)smod命令查看當(dāng)前系統(tǒng)中加載了哪些模塊(Modules)，將原來(lái)的配置文件中不需要的模塊去掉，僅保留前面lsmod出來(lái)的這些模塊，從而簡(jiǎn)化了內(nèi)核的配置過(guò)程。

這個(gè)方法的缺點(diǎn)是：僅能使編譯出的內(nèi)核支持已經(jīng)加載的模塊。因?yàn)樵摲椒ㄊ褂玫氖莑smod的結(jié)果，如果有的模塊當(dāng)前沒(méi)有加載，那么就不會(huì)編到新的內(nèi)核中。

配置完成后，保存退出，配置程序會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)隱藏的配置文件.config，需要把這份文件另存到其他地方以便管理和使用。編譯內(nèi)核時(shí)，源代碼目錄頂層Makefile文件讀取該目錄下的.config文件，得到內(nèi)核配置過(guò)程中所產(chǎn)生的編譯宏。Makefile根據(jù)這些使用編譯宏，決定所編譯的文件列表，并通過(guò)Rules.make使用公共規(guī)則產(chǎn)生相應(yīng)的目標(biāo)。

在GCC中，最常用的優(yōu)化選項(xiàng)是-Os，有-O0 -O1 -O2 -O3-Os。-O0關(guān)閉編譯器優(yōu)化，-O1是第一級(jí)優(yōu)化，編譯器將在不顯著增加編譯時(shí)間的基礎(chǔ)上，嘗試減少代碼尺寸，縮短執(zhí)行時(shí)間。使用-O2和-O3將增加優(yōu)化級(jí)別，同時(shí)仍然保留-O1所采取的優(yōu)化方法。-Os是介于-O2和-O3之間的優(yōu)化級(jí)別，使用-O3優(yōu)化可能造成不好的后果。

2.5 編譯內(nèi)核

在內(nèi)核源碼目錄執(zhí)行下列命令，生成內(nèi)核鏡像文件。

生成的內(nèi)核鏡像位于源碼目錄的arch/arm/boot/，第一步命令生成的是zImage，是一般情況下默認(rèn)的壓縮內(nèi)核映像文件，通過(guò)壓縮vmlinux，再加上一段自解壓代碼生成。第二步命令是生成uImage，uImage是使用工具mkimage對(duì)普通zImage之前加上一段長(zhǎng)度為64字節(jié)的字段生成，說(shuō)明了該內(nèi)核的版本，加載位置，生成時(shí)間，內(nèi)核大小等信息，是ARM架構(gòu)專用的映像文件。

3 根文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

典型的嵌入式linux根文件系統(tǒng)具有幾個(gè)特征，其一是根文件系統(tǒng)中文件、庫(kù)和目錄，通常是經(jīng)過(guò)必要的選取和簡(jiǎn)化的，其二是根文件系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)壓縮的，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)解壓到內(nèi)存中。

嵌入式linux根文件系統(tǒng)制作工具BusyBox 是標(biāo)準(zhǔn) Linux 工具的一個(gè)單個(gè)可執(zhí)行實(shí)現(xiàn)。BusyBox 通過(guò)傳遞特定參數(shù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的linux工具和命令，提供超過(guò)200個(gè)Linux工具和命令的簡(jiǎn)化模式。

圖1 不同系統(tǒng)創(chuàng)建進(jìn)程比較

圖2 不同系統(tǒng)本地管道通信延遲比較

圖3 不同系統(tǒng)創(chuàng)建刪除10k文件系統(tǒng)時(shí)間比較

3.1 配置和編譯

由于BusyBox也采用了ncurses工具，因此可以通過(guò)類似編譯內(nèi)核的配置方式：make menuconfig來(lái)進(jìn)行BusyBox的具體配置過(guò)程。配置過(guò)程中，可以在Makefile中具體指定ARCH和CROSS_COMPILE，安裝目錄，是否采用動(dòng)態(tài)編譯和需要哪些linux命令工具。

3.2 制作jffs2鏡像

通過(guò)mkfs工具生成經(jīng)過(guò)壓縮的根文件系統(tǒng)鏡像jffs2.img。

4 系統(tǒng)測(cè)試

將內(nèi)核鏡像文件uImage和根文件系統(tǒng)鏡像文件jffs2.img通過(guò)開發(fā)板工具載入開發(fā)板flash進(jìn)行功能測(cè)試，也可以在boot階段通過(guò)tftp來(lái)完成載入內(nèi)存工作。測(cè)量?jī)?nèi)核靜態(tài)體積大小，縮小到約原來(lái)的30%。

4.1 初步啟動(dòng)測(cè)試結(jié)果

嵌入式linux操作系統(tǒng)成功啟動(dòng)。

4.2 可用性測(cè)試

通過(guò)對(duì)U盤，網(wǎng)卡等板上設(shè)備使用、C應(yīng)用程序運(yùn)行，操作系統(tǒng)命令運(yùn)行等進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果正常。

4.3 性能基準(zhǔn)測(cè)試

lmbench具體通過(guò)內(nèi)存拷貝，內(nèi)存讀寫，管道，上下文切換，網(wǎng)絡(luò)連接的建立，文件系統(tǒng)，進(jìn)程創(chuàng)建，信號(hào)處理，系統(tǒng)調(diào)用等參數(shù)來(lái)建立性能指標(biāo)體系。

4.4 測(cè)試結(jié)果及其分析

在原來(lái)的嵌入式操作系統(tǒng)和目標(biāo)操作系統(tǒng)上運(yùn)行l(wèi)mbench100次，獲取有效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析， 性能指標(biāo)選取有如下幾類：processes-time，pipe communication latencies，F(xiàn)ile create&delete latencies。比較各性能指標(biāo)平均數(shù)發(fā)現(xiàn)，裁剪后的linux操作系統(tǒng)性能提升約5%～10%，穩(wěn)定性有一定提高。

5 結(jié)論

隨著linux的發(fā)展，linux內(nèi)核的體積越來(lái)越大，通過(guò)優(yōu)化內(nèi)核體積和系統(tǒng)內(nèi)存占用，可以在一定程度上提升linux的性能表現(xiàn)。目前l(fā)inux的裁剪定制主要依賴于靈活的kbuild體系，通過(guò)條件編譯來(lái)實(shí)現(xiàn)。其他更細(xì)粒度的技術(shù)比如代碼分析技術(shù)，調(diào)用圖技術(shù)還有待發(fā)展和成熟。

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