嵌入式linux系統的裁剪優化和測試技術

胡 晉

同濟大學電信學院，上海 201804

1 裁剪需求分析

Linux操作系統并不是專為嵌入式系統設計的，應用于嵌入式設備時必須進行裁剪優化，其目的之一是為了簡化已有的操作系統內核的功能和結構，以滿足嵌入式系統對資源的限制需求。

嵌入式操作系統需要裁剪的對象主要有：引導及初始化程序，操作系統內核，系統動態加載模塊，動態鏈接庫以及根文件系統等。定制裁剪的一般操作過程如下：獲取linux內核、GNU utility等源代碼，根據項目需求和具體平臺對內核源代碼進行補丁操作，手工配置，去掉多余的功能模塊，保留部分開發調試用模塊和目標功能模塊，生成配置文件。然后根據配置文件進行自動交叉編譯和鏈接，生成壓縮過的適合具體硬件平臺的內核映像文件。再以同樣方式生成引導初始化程序映像和根文件系統映像，最后把三者通過適當的方式安裝到目標開發板中，生成我們的目標操作系統，并且進行功能和性能測試分析。

2 內核的裁剪和移植

內核裁剪方式有多種，有基于原內核提供的kbuild體系的裁剪方法，有基于代碼分析的linux裁剪方法，有基于調用圖的linux裁剪方法。基于短開發周期的需求考慮，選擇采用kbuild體系的裁剪方法。Kbuild體系通過預定義一些變量（obj-m，obj-y）和目標(bzImage)，使內核的編譯和擴展變得十分方便，具有很強的可定制性。

2.1 選擇交叉編譯環境

可以有多種方式來建立交叉編譯環境，包括自行通過源碼編譯，通過外部工具進行批處理編譯，本文采用開發板自帶的交叉編譯器。

2.2 支持開發板的arm架構

原始內核源碼包缺乏支持目標開發板的模塊，需要打上由廠商所提供的補丁。

2.3 修改內核Makefile文件

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

2.4 選擇默認配置文件，在此基礎上進行內核配置的修改

配置內核有四種基本方式，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 如果只想在原來內核配置的基礎上修改一些小地方，會省去不少麻煩。

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

Y-將該功能編譯進內核；

N-不將該功能編譯進內核；

M-將該功能編譯成可以在需要時動態插入到內核中的模塊；

配置過程需要使用空格鍵進行選取。在每一個選項前都有個括號， 但有的是中括號有的是尖括號，還有一種圓括號。

用空格鍵選擇時可以發現，中括號里要么是空，要么是"*"，而尖括號里可以是空，"*"和"M"。這表示前者對應的項要么不要，要么編譯到內核里；后者則多一樣選擇，可以編譯成模塊。而圓括號的內容是要你在所提供的幾個選項中選擇一項。

快速配置方法：make localmodconfig。Linux 2.6.32 開始引入了一個make localmodconfig用于簡化kernel的配置。make localmodconfig會執行lsmod命令查看當前系統中加載了哪些模塊(Modules)，將原來的配置文件中不需要的模塊去掉，僅保留前面lsmod出來的這些模塊，從而簡化了內核的配置過程。

這個方法的缺點是：僅能使編譯出的內核支持已經加載的模塊。因為該方法使用的是lsmod的結果，如果有的模塊當前沒有加載，那么就不會編到新的內核中。

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

在GCC中，最常用的優化選項是-Os，有-O0 -O1 -O2 -O3-Os。-O0關閉編譯器優化，-O1是第一級優化，編譯器將在不顯著增加編譯時間的基礎上，嘗試減少代碼尺寸，縮短執行時間。使用-O2和-O3將增加優化級別，同時仍然保留-O1所采取的優化方法。-Os是介于-O2和-O3之間的優化級別，使用-O3優化可能造成不好的后果。

2.5 編譯內核

在內核源碼目錄執行下列命令，生成內核鏡像文件。

生成的內核鏡像位于源碼目錄的arch/arm/boot/，第一步命令生成的是zImage，是一般情況下默認的壓縮內核映像文件，通過壓縮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對普通zImage之前加上一段長度為64字節的字段生成，說明了該內核的版本，加載位置，生成時間，內核大小等信息，是ARM架構專用的映像文件。

3 根文件系統的實現

典型的嵌入式linux根文件系統具有幾個特征，其一是根文件系統中文件、庫和目錄，通常是經過必要的選取和簡化的，其二是根文件系統是經過壓縮的，系統啟動時解壓到內存中。

嵌入式linux根文件系統制作工具BusyBox 是標準 Linux 工具的一個單個可執行實現。BusyBox 通過傳遞特定參數的方式來實現特定的linux工具和命令，提供超過200個Linux工具和命令的簡化模式。

圖1 不同系統創建進程比較

圖2 不同系統本地管道通信延遲比較

圖3 不同系統創建刪除10k文件系統時間比較

3.1 配置和編譯

由于BusyBox也采用了ncurses工具，因此可以通過類似編譯內核的配置方式：make menuconfig來進行BusyBox的具體配置過程。配置過程中，可以在Makefile中具體指定ARCH和CROSS_COMPILE，安裝目錄，是否采用動態編譯和需要哪些linux命令工具。

3.2 制作jffs2鏡像

通過mkfs工具生成經過壓縮的根文件系統鏡像jffs2.img。

4 系統測試

將內核鏡像文件uImage和根文件系統鏡像文件jffs2.img通過開發板工具載入開發板flash進行功能測試，也可以在boot階段通過tftp來完成載入內存工作。測量內核靜態體積大小，縮小到約原來的30%。

4.1 初步啟動測試結果

嵌入式linux操作系統成功啟動。

4.2 可用性測試

通過對U盤，網卡等板上設備使用、C應用程序運行，操作系統命令運行等進行測試，結果正常。

4.3 性能基準測試

lmbench具體通過內存拷貝，內存讀寫，管道，上下文切換，網絡連接的建立，文件系統，進程創建，信號處理，系統調用等參數來建立性能指標體系。

4.4 測試結果及其分析

在原來的嵌入式操作系統和目標操作系統上運行lmbench100次，獲取有效數據進行處理分析， 性能指標選取有如下幾類：processes-time，pipe communication latencies，File create&delete latencies。比較各性能指標平均數發現，裁剪后的linux操作系統性能提升約5%～10%，穩定性有一定提高。

5 結論

隨著linux的發展，linux內核的體積越來越大，通過優化內核體積和系統內存占用，可以在一定程度上提升linux的性能表現。目前linux的裁剪定制主要依賴于靈活的kbuild體系，通過條件編譯來實現。其他更細粒度的技術比如代碼分析技術，調用圖技術還有待發展和成熟。

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