Linux嵌入式系统的优化

摘　要：
目前的嵌入式Linux版本还不是一套非常简洁的系统，如何优化系统至使适合嵌入式应用成为最主要的目标，因此介绍了Linux嵌入式操作系统，讨论了如
何对内核（kernel）、守护程序（daemons）、程序库（libraries）和应用和工具程序
（applications／utilities）等4个主要部分进行缩减，以便配置在以快闪内存为存储设备的嵌入式系统中。
    关键词：Linux嵌入式系统；守护程序；程序库；应用程序
0　引　言
　
　嵌入式系统就是用于控制设备的计算机。它们最初于60年代晚期在通讯中被用于控制机电电话交换机。在过去的十多年里，计算机产业不断朝着更小的系统方向
发展，嵌入式系统也与之一起为这些小型机器提供了更多的功能。渐渐地就需要把这些嵌入式系统联接到某种网络上，提高了系统的复杂程度并要求更多的存储器和
接口，因而也就产生了对操作系统的服务的要求。70年代晚期出现了用作嵌入式系统的现成的操作系统，如，VxWorks，pSOS，Neculeus和
Windows CE。
   
大多数Linux系统运行在PC平台上，但Lin－ux也可以作为嵌入式操作系统，Linux流行的＂back－to－basics＂方法使得它的安装和
管理比UNIX更加简单灵活。典型的压缩包装Linux系统经过打包，在拥有硬盘和大容量内存的PC机上运行，则嵌入式系统不要这么高的配置。一个功能完
备的Lin－ux内核要求大约1
Mbyte内存。而Linux微内核只占用其中很小一部分内存，包括虚拟内存和所有核心的操作系统功能在内，只需占用PentiumCPU系统的100
kbyte内存。只要有500
kbyte的内存，一个有网络栈和基本实用程序的完全的Linux系统就可以在一台8位总线（SX）的Intel386微处理器上运行得很好。由于内存要
求常常是需要的应用所决定的，比如Web服务器或者SNMP代理，Linux系统甚至可以仅使用256 kbyte ROM和512
kbyteRAM进行工作。核心Linux操作系统本身的微内核体系结构相当简单。网络和文件系统以模块形式置于微内核的上层。驱动程序和其它部件可在运
行时作为可加载模块编译到或者是添加到内核。这为构造定制的可嵌入系统提供了高度模块化的构件方法。嵌入式系统也常常要求通用的功能，为了避免重复劳动，
这些功能的实现运用了许多现成的程序和驱动程序，它们可以用于公共外设的应用。然而，因为还在起步阶段，目前的嵌入式Linux版本还不是一套非常简洁的
系统。如何优化系统至适合嵌入式应用成为最主要的目标。
1　可优化的部分
　　
Linux软件不断发展，积累了越来越多的源程序，形成相同功能程序有多种选择。我们需要的是一个精简的系统，因此必须进行优化。首先把系统分为4个部
分，内核（kernel），守护程序（daemons），程序库（libraries），应用和工具程序（applications／utili－
ties）。我们进行优化的原则是不直接修改源程序，以确保源代码的完整性。表1是各子系统优化的方向与目标。

　
　因为嵌入式系统的功能规格定义非常明确，在内核的设定中只需要留下必要的选项和模块，其它不必要的都可以舍去。另一种就是利用取代的方式，如果是网络设
备，就可以把console的输出用串行端口来取代显卡的输出，这样就可以在Linux2．4的核心中省下42
kbyte的空间。除此以外，即插即用，软驱、光驱、键盘、鼠标、USB等的驱动程序都可以被省略。
1．2　守护程序
    在
开放源代码的影响下，程序在进一步完善功能的同时，对各种软硬件的支持更加多元化，因此在有限的资源下，必须根据需求，重新定义各程序所需要的功能，而避
免安装原本可直接执行的套件。例如，如果只使用Squid作为http
proxy，而没有用到其caching的功能。就可在编译时，直接利用Squid的设定程序，关掉对文件系统的支持。这样在Squid2．4．
Stable1的版本中，省掉145 kbyte。其它像GNUZebra这些网络相关的程序，也可以把IPv6的支持关掉以节省空间。
1．3　程序库
　
　程序可使用静态或动态链接，静态链接使程序执行时overhead减少，源程序也比较简洁。而动态链接则随公用程序库的程序数目增加而节省大量的空间，
因此必须根据需求在两者之间取得平衡，如果程序库只有一个程序在用，便可考虑选择静态链接。使用动态链接的情况下，可以利用工具ldd来检查程序与程序库
的关系。由此，可找出及保留系统所需的共用程序库的最小集合。
1．4　应用和工具程序
　　在应用和工具程序中就有更多的弹
性了，因为这类程序的选择性多，而且可用多种方法替代。以核心为例，通过对／proc的支持，便可以读取或修改多项系统的参数设定，不必再使用不常用的工
具程序。例如只要读取ARPtable时，便可使用指令＃cat／proc／net／arp来完成，不需要使用／sbin／arp这个程序。其次在嵌入式
系统上，对象不再是一般PC机使用者，简化程序界面、在线说明，甚至简化程序功能等都可以实现精简化的效果。BusyBox［2］就是其中具有代表性的一 套工具程序，它以单一的小程序，十分精简地提供了shell、文字处理、压缩程序等UNIX中常用的功能。表2列出BusyBox与 tonylogin［3］的功能及其相对原工具程序的大小。

2　优化方式
　
　目前Linux的发行版本（distibution）众多，各有优缺点，集各家之长，建立一套自己的嵌入式Linux，只要根据适当的方法就可以。以
Redhat7．1的发行版本来看，完整安装服务器的版本，约需1．3
Gbyte以上的空间，这不包含一些特别的套件。在众多的软件中，我们只要其中的一小部分，可能在10 Mbyte到30
Mbyte之间。进行的方式必须有效率地建立系统，基本可行的方法有2种：（1）从其中一个发行版本中把不必要的部分全部删掉，留下我们想要的系统；
（2）把系统所有的功能依规定重新建立。
　　如前所述，必须对现系统功能规格清楚了解，才能进行缩减系统的动作。从图1可见，使用方法1会有多达
几百M byte不必要的数据；使用方法2则可以很直接地建立一个从2 M Mbyte到16 M
Mbyte的嵌入式系统。因此使用重建的方法是较好的选择，使用此方式前，需明确系统功能的规格、使用的软件套件、目标平台的规格，三者之间互相关联，就
是从3个不同的角度去定义系统，使其更加准确。

3　开发的环境
　　在清楚了解准备建立的系统后，便可开始利用Linux打造嵌入式的设备了。首先我们必须区分开发平台与目标平台。目标平台就是程序最后被移植及执行的地方，因为资源有限，开发与除错的环境都集中在开发平台上。表3和表4列出了2个平台上的主要开发工具。　　
　
　要建立一个最基本的开发环境，必须具备一套跨平台的开发工具（Cross Development
Kit），包含有编译器、连接器、出错器等。另外还要准备制作文件系统所需的程序。而目标平台上，只需准备一段系统开机程序，如etherboot，
reboot等。此程序可以在除错阶段时，从网络取得映象后启动，或是直接从快内存储器，把系统启动。一旦启动后，就进入Linux的操作系统，同时也可
使用GDBserver作为远端除错的工具。



4　开发过程
　
　开发的过程如图2所示，可以分为几个部分。首先准备Linux的核心，配上根目录所在的文件系统，再加上守护程序和应用程序，经过压缩后，打包成一个含
有核心的映像档。目标平台通过网络或快闪内存储器，取得映像档后，进行解压缩，经过系统启动，初始化后，就是一台使用嵌入式Linux为操作系统的机器。

　　建立文件系统架构的时候，必须注意权限的设定。因为闪存的可覆盖次数有限，所以会以只读的
方式绑定（mount）系统。／var／dev等目录需为可读写的，或是记录一些暂时性文件（易丢失性文件）等，都可以利用系统的存储空间来模拟可写入的
存储系统（RAM disk）。通过建立符号联接（symbolic
link）取得写入权限，余下的则以只读的方式保存在内存上。如果大量的数据必须开机后留下的话，外挂硬盘至系统／var／log是比较适合的做法。小量
的数据是可以写入内存中，但一定要使用缓存，否则频繁的写入会使其使用寿命缩短。同理，我们不可使用swap，如果存储器实在不足的话，可以考虑系统留在
闪存上，同样以外加硬盘作为swap disk的功能。
　　在嵌入式系统中，会配合ram disk使用在系统上，但是会与使用一般的存储系统有差别，因为ramdisk会使用部分存储器，因此可用的存储器相对减少，可能造成对存储器使用状况的误解，必须特别注意。图3说明了使用ram disk时的存储器空间分布情况。

5　结论
　
　使用Linux作为嵌入式操作系统是一件有实际意义的事情，因为使用者与贡献者遍布世界各地，他们都贡献出自己的成果，各种主要平台上都有支持的版本。
可是在资源众多的情况下，却没有一个很好的集成环境。在嵌入式Linux中，尽管各个独立的开发工具，都已经功能完备有兼备图形使用界面。然而集成环境的
发展，尚在起步阶段。与嵌入式操作系统VxWorks的开发环境相比，功能还相差甚远，即使是以Linux为主的厂商如Lineo［3］的Embedix和MontaVista［4］的HardHat
Linux等，都提供有不错的开发工具，唯独缺乏一个功能强大的图形集成化环境。集成环境在功能上应以跨平台的开发环境为最重要的方向，辅以网络在线除错
功能，动态执行模块，实时图形显示执行状态等。我们认为这就是开放式软件一直以来所面对的同样问题，如果得到解决，嵌入式Linux的应用必会快速发展。
参考文献 ［1］　DARRICKAddison．嵌入式Linux应用［EB／OL］．http：／／www．pocketix．com．cn，2002，01－16．
［2］　嵌入式系统以及如何构造一个嵌入式系统概览［EB／OL］．http：／／www．embed．com．cn／，2001，11－12．
［3］　The Swiss Army Knife of Embedded Linux［EB／OL］．http：／／busybox．lineo．com，2002，02－05．
［4］　The Redhat Embedded Debug and BootstrapFirmware［EB／OL］．http：／／sources．redhat．com／reboot，2001，12－24．
［5］　The Linux KernelArchives［EB／OL］．http：／／www．kernel．org，2001．12－24．
［6］　殷茜，温平川，应俊．嵌入式软件调试环境的对等协议的设计与实现［J］．重庆邮电学院学报（自然科学版），2002，14（2）：70－74．