嵌入式Linux系統(tǒng)小型化技術(shù)
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作者Email: zhh@httc.cn
介紹了Linux在嵌入式領(lǐng)域中的應用和宿主機、目標機開發(fā)模式，詳細地給出了精簡內(nèi)核的實現(xiàn)過程。分析了glibc系統(tǒng)庫和ELF文件格式的結(jié)構(gòu)和其中的共享庫裁剪技術(shù)的原理，提出并實現(xiàn)了一種庫裁剪方案。
關(guān)鍵詞嵌入式；Linux；小型化
一、 概述
嵌入式Linux一般是指對標準Linux發(fā)行版本進行小型化裁剪處理之后，適合于特定嵌入式應用場合的專用Linux操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)通常是資源受限的系統(tǒng)，無論是處理器計算能力還是RAM或其他存儲器容量都比較“小”。因此，如何創(chuàng)建一個小型化的Linux作為操作系統(tǒng)開發(fā)成為首先需要考慮的問題。嵌入式Linux系統(tǒng)中普遍采用三層結(jié)構(gòu)：核心層主要是Linux內(nèi)核和模塊；調(diào)用接口層是以glibc庫為主的系統(tǒng)庫；應用層是根據(jù)用戶需求設計的應用程序。為了實現(xiàn)資源的高利用率，后兩層都以ELF文件形式存在，在運行過程中對外部功能代碼動態(tài)加載。
一般來說，建立交叉平臺開發(fā)環(huán)境是進行嵌入式軟件開發(fā)的第一步。宿主機與目標機硬件平臺的異構(gòu)(處理器體系結(jié)構(gòu)不同)是采用交叉開發(fā)的根本原因。另外，由于資源有限，直接在嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺上開發(fā)軟件不方便、甚至不可能。因此，通常采用Host／Target開發(fā)模式，如表l。
宿主機(Host) | 目標機(Target) | |
硬件 | PC 或者工作站，其中x86CPU占優(yōu)勢 | 嵌入式系統(tǒng)硬件，處理器多樣化(x86，ARM，PowerPC，MIPS，68K等) |
軟件 | Windows、Linux等桌面操作系統(tǒng)，豐富的集成開發(fā)環(huán)境(如WindRiver 的Tornado) | 軟件資源有限，開發(fā)階段通常從宿主機下載 |
表1 交叉平臺發(fā)環(huán)境的特點
交叉平臺開發(fā)環(huán)境包括交叉編譯器、交叉調(diào)試器和系統(tǒng)仿真器，比如嵌入式Linux開發(fā)經(jīng)常用的GNU工具鏈。開發(fā)者需要根據(jù)目標平臺來選擇合適的GNU交叉編譯器，然后在宿主機上面重新編譯內(nèi)核和其他軟件，這樣得到的目標代碼才能拿到目標機上面運行。這個過程相當繁瑣且容易出錯。宿主機和目標機一般通過以太網(wǎng)或者串口連接。目前，世界上出現(xiàn)了數(shù)以百計的嵌入式Linux開發(fā)計劃和發(fā)行版本，比如：ETLinux，LPR，μC-Linux，ThinLinux等開發(fā)源代碼的項目，如表2所示。
名稱 | 特點 |
ETLinux | 設計用于在小型工業(yè)計算機，尤其足PC／104模塊上運行 |
Linux Router Project | LPR 的目標是用于路由器、接入服務器、瘦服務器等網(wǎng)絡沒備和嵌入式系統(tǒng)，可以安裝在一張軟盤上。類似的項目還有Linux On A Floppy(LOAF) |
μC-Linux | 在沒有MMU 的系統(tǒng)L運行的Linux。同前支持Motorola DragonBall (M68EZ328)， M68328，M68EN322， ColdFire， QUICC， ARM7TDMI，MC68EN302，Axis ETRAX，Inte]i960，PRISMA，Atari 68k等微處理器 |
ThinLinux | 一個為嵌入式和特定應用制作的Linux發(fā)行版，運行在Intel和PC兼容硬件上 |
表2 幾種開放源代碼的嵌入式Linux發(fā)行版
另外，還有：Coventive XLinux，LineoEmbedix，LynuxWorks BlueCat，MontaVista Linux等商業(yè)公司的發(fā)行版。同時，針對實時環(huán)境，有RT-Linux、RTAI等實時擴展。近年來，越來越多的目標系統(tǒng)選擇了性價比不斷提高的x86處理器和成熟的PC架構(gòu)作為硬件平臺。LinuxDevices.com網(wǎng)站進行的調(diào)查顯示，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者在過去2年和未來2年選擇x86處理器作為目標平臺的比例分別為3l%和35%，高居首位。
對于宿主機和目標機都是PC兼容平臺的開發(fā)者來說，除了沿用上述模式之外，有更簡單的創(chuàng)建小型化Linux系統(tǒng)的方法：以一個常規(guī)的Linux發(fā)行版為基礎，編譯內(nèi)核、復制所需的文件，并利用初始化RAM盤(initrd：INITial Ram Disk)機制創(chuàng)建根文件系統(tǒng)，就可以快速實現(xiàn)一個小型化Linux系統(tǒng)。
二、 小型化技術(shù)
Linux已經(jīng)越來越廣泛地應用于各種嵌入式設備中。但是一般的Linux發(fā)行版都非常龐大，很難用于只有有限存儲空間的嵌入式設備。所以我們必須對Linux系統(tǒng)進行裁剪。Linux系統(tǒng)大致有以下4種主要的裁剪技術(shù)，使用這些技術(shù)可以有效地減小系統(tǒng)的尺寸且不會影響系統(tǒng)的性能。① 刪除冗余文件。一般的Linux發(fā)行版中都包含很多幫助文檔、輔助程序、配置文件和數(shù)據(jù)模板，在嵌入式系統(tǒng)中這些文件都是不必要的，完全可以刪除。甚至連配置文件中的大量注釋也都可以被去掉。② 共享庫裁剪。嵌入式系統(tǒng)的應用程序是有限的，共享庫中就可能有很多永遠不會被用到的冗余代碼，這些代碼就可以被刪除。③ 采用具有同樣功能的替代軟件包。Linux上有許多具有相似功能的軟件包，可以選擇其中占存儲空間較小的軟件包并其移植到嵌入式設備上，用來代替原來占空間較大那些的軟件包。④ 修改源碼。包括重新配置、編譯軟件包，去掉不需要的功能；增加軟件的模塊性，從而有利于提高裁剪效率；重新配置內(nèi)核，去掉不需要的驅(qū)動和模塊。
1、精簡內(nèi)核
與傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的微內(nèi)核(Micro-kerne1)體系結(jié)構(gòu)不同，Linux內(nèi)核采用的是整體式結(jié)構(gòu)(Monolithic)，整個內(nèi)核是一個單獨的、非常大的程序。其優(yōu)點是能夠使系統(tǒng)的各個部分直接溝通，有效地縮短任務之間的切換時間，提高系統(tǒng)響應速度。缺點也是明顯的，即內(nèi)核尺寸比較大，因為Linux內(nèi)核不僅包括如任務調(diào)度、內(nèi)存管理、中斷處理等基本的操作系統(tǒng)功能，同時還包括文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡協(xié)議、沒備驅(qū)動程序等功能。
Linux內(nèi)核是高度模塊化、可配置的，通過配置使內(nèi)核具有不同的功能，從而減小內(nèi)核的大小。例如，Linux支持的文件系統(tǒng)種類很多，包括ext2、ext3、FAT、Reiserfs、JFS等?？梢愿鶕?jù)實際情況選擇所需的文件系統(tǒng)，比如僅僅把ext2文件系統(tǒng)編譯進內(nèi)核。編譯內(nèi)核的主要步驟如下(“#”代表命令提示符)：
# cd／usr／src／1inux-2.4
# make menuconfig
# make dep；make clean；make bzlmage
編譯成功的內(nèi)核文件為arch／i386／boot／bzlmage。具體方法參考內(nèi)核源代碼包中的README文件。為了進一步增加靈活性、減小內(nèi)核尺寸，Linux還提供了可加載內(nèi)核模塊機制，內(nèi)核中的很多功能可以編譯為模塊，在內(nèi)核運行時動態(tài)加載，而不是直接編譯進內(nèi)核。然而在嵌入式Linux系統(tǒng)中更傾向于根據(jù)需要編譯一個獨立的內(nèi)核，較少使用模塊機制。這樣得到的內(nèi)核通常在幾百kB甚至1MB左右，相對傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核來說是比較大的(比如包含文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡支持的VxWorks內(nèi)核大約250kB)。在進行內(nèi)核配置時，開發(fā)者要比較了解各功能模塊之間的依賴關(guān)系，否則有可能造成編譯失敗。而在VxWorks內(nèi)核的配置過程中，如果破壞了依賴關(guān)系，有比較明確的指示，從而避免這種錯誤。
2、共享庫裁剪
在小型化技術(shù)中，共享庫裁剪容易用軟件實現(xiàn)，做成自動裁剪工具，效果最明顯。下面重點介紹共享庫小型化技術(shù)，共享庫小型化的基本思想是通過提取和解析系統(tǒng)庫內(nèi)目標文件、符號的依賴關(guān)系，通過對這些依賴構(gòu)造關(guān)系模型進行關(guān)系演算，根據(jù)應用程序中的符號信息，在庫目標文件一級實現(xiàn)系統(tǒng)庫的小型化．實現(xiàn)上分為四步：a、確定待調(diào)函數(shù)集。在ELF文件內(nèi)部，存在一個Elf32-Sym 數(shù)組結(jié)構(gòu)的符號表，用于內(nèi)部符號定義和外部符號引用，通過對這個符號表的分析可以將ELF應用程序中待調(diào)符號(系統(tǒng)函數(shù))抽取出來，從而建立一個應用程序-待調(diào)函數(shù)符號的多對多關(guān)系。b、確定系統(tǒng)庫函數(shù)與目標文件的對應關(guān)系。系統(tǒng)庫邏輯上分成：庫、目標文件、符號三個層次，庫和目標文件都是ELF格式，通過對庫的映像文件*_pic.a和每個目標文件中的符號表分析得到庫。目標文件的定義關(guān)系、目標文件-符號定義關(guān)系和目標文件-符號調(diào)用關(guān)系。c、確定系統(tǒng)庫目標文件之間的相互依賴關(guān)系。通過對步驟b中相關(guān)關(guān)系的關(guān)系演算得到目標文件-目標文件的完全依賴關(guān)系。d、生成小型化系統(tǒng)庫。通過對應用程序-待調(diào)符號表和目標文件-目標文件依賴表的關(guān)系演算得到待調(diào)函數(shù)所依賴的目標文件集合，將它們進行重新鏈接即可得到最小化的庫文件。
2.1、共享庫裁剪技術(shù)的原理
共享庫中保存著預先編譯好的目標代碼，一般是被應用程序反復使用的公用代碼。在Linux系統(tǒng)中，應用程序與庫之間可以靜態(tài)鏈接或動態(tài)鏈接。靜態(tài)鏈接時，鏈接器從庫中選取應用程序需要的代碼，然后復制到生成的可執(zhí)行文件中。顯然，當靜態(tài)庫被多個程序使用時，磁盤上、內(nèi)存中都是多份冗余拷貝。動態(tài)鏈接時，鏈接器并不真的把庫代碼復制到可執(zhí)行文件中；僅當可執(zhí)行文件運行時，加載器才檢查該庫是否已經(jīng)被其它可執(zhí)行文件加載進內(nèi)存，如果內(nèi)存中不存在才從磁盤上加載該庫。這樣多個應用程序就可以共享庫中的代碼的同一份拷貝，節(jié)約了存儲空間。這也是嵌入式Linux系統(tǒng)使用共享庫的主要原因。
當使用靜態(tài)鏈接庫時，鏈接器會自動地只把庫中被使用的模塊鏈接到可執(zhí)行文件中。但是這種方法沒有用在共享庫中，主要是因為在應用程序執(zhí)行之前鏈接器并不知道應用程序最終用到了庫中的哪些部分。因此要對共享庫進行裁剪必須先分析動態(tài)鏈接的原理。
共享庫和可執(zhí)行文件中都有若干個符號表，其中定義了一些外部符號，分為導出(export)符號和導入(import)符號這兩種。導出符號是指在該文件中定義但可以被其它文件使用的符號，一般是可以由其它文件調(diào)用的函數(shù)；導入符號是指被該文件使用了但并沒有定義的符號，一般是被該文件調(diào)用的函數(shù)，而且導入符號一般指明了定義該符號的共享庫。加載器在加載可執(zhí)行文件或共享庫之前會先遍歷它的每個導入符號，檢查該符號的相關(guān)代碼是否已在內(nèi)存中，否則先查找并加載定義該符號的共享庫。由于嵌入式Linux系統(tǒng)中的應用程序和共享庫一般都是確定的，共享庫中就可能存在永遠不會被別的文件調(diào)用到的導出符號，將這些符號的相應代碼從共享庫中刪除不會影響到系統(tǒng)的正常運行。
現(xiàn)有裁剪技術(shù)都是以上述原理實現(xiàn)的。下面則具體分析它的實現(xiàn)方法。
2.2、ELF文件符號提取
ELF格式是UNIX實驗室作為應用程序二進制接口而開發(fā)和發(fā)布的，ELF是目前廣泛應用于Linux系統(tǒng)中的一種文件格式。
2.2.1、 ELF文件進程映像加載
ELF文件開頭部分是一個ELF Header結(jié)構(gòu)，它包含兩個指針，分別指向兩個數(shù)組結(jié)構(gòu)：Program header table和Section header
table，Program header table中的數(shù)組元素對文件內(nèi)部的可執(zhí)行代碼段進行定位；Section header table中的數(shù)組元素保存相關(guān)重定位和動態(tài)鏈接信息．裝載器通過控制這兩類數(shù)組實現(xiàn)進程映像的加載。
2.2.2、 ELF文件的符號表和重定位過程
ELF文件的Section header table中有一個類型為SHT_DYNSYM的Section，該Section記錄了創(chuàng)建進程映像所需要的所有符號。
a、符號值確定和符號定位，ELF文件中字符串ection(．shstrtab)用于保存所有字符串，ELF頭通過e_shstrndx域保存節(jié)頭名字字符串表(.shstrtab)的節(jié)索引。ELF文件中符號名字域值是.shstrtab節(jié)的一個字符索引：Syrnbol結(jié)構(gòu)中St_name對應相應的字符串表一個索引，在相應的字符串表中對應其符號值，St_value對應兩類不同地址：對于文件內(nèi)部定義符號，對應該符號內(nèi)容的文件內(nèi)部相對地址；對于外部調(diào)用符號，對應待調(diào)符號的地址(已解析)或重定位表中的一個入口(未解析)。St_info保存符號的類型和相應的屬性。
b、被調(diào)符號重定位。符號表中，STT-SEC-TION對應重定位入口信息表。重定位入口以數(shù)組的形式存在于ELF文件中，其中的R_offset保存著應用于重定位行為的地址，而R_addend對應一個偏移用于計算要存儲于重定位域中的值。R_info中給出受重定位影響的符號索引和重定位應用的類型。例如：當類型為R_386_JMP_SLOT時，符號值就對應一個.plt(過程連接表)入口的位置．
c、外部符號裝載。對于外部符號代碼的裝載，裝載器通過lazy MODE裝載方式將外部符號代碼加載到進程映像中：首次調(diào)用外部符號通過PLT[0]中的裝載代碼和PLT[1]中出棧參數(shù)將待調(diào)符號代碼加載到.got表中；以后對此待調(diào)符號的調(diào)用通過對應.got表入口進行控制傳輸。
2.2.3、 ELF文件符號提取實現(xiàn)
對每個參與動態(tài)鏈接的共享目標文件來說，其程序頭表(Program header table)有一個類型為PT_DYNAMIC的入口元素。該入口所指向的段.dynamic section是一個Elf32_Dyn的結(jié)構(gòu)數(shù)組.Elf32_Dyn結(jié)構(gòu)中有一個屬性標志d_tag和一個聯(lián)合結(jié)構(gòu)d_un，d_tag控制d_un中的解釋。數(shù)組中下標為DT_SYMTAB的入口指向符號表。通過對符號表、重定位表、過程連接表、全局過程表的相關(guān)控制結(jié)構(gòu)進行分析，完成文件定義符號和待調(diào)符號的分離提取，算法如下：
symtab=.dynamic[DT_SYMTAB]->d_un. d->ptr
∥根據(jù)DT_SYMTAB找到符號表的地址
for(int i=0；symtab[i]!=NULL；i++)
∥對符號表中所有入口進行掃描
{swith((symtab[i] ->st_info)>>4) ∥根據(jù)符號類型進行操作
}…
case STB_WEAK：
case STB_GLOBOL：／*對全局性的和弱符號可用于外部文件調(diào)用*／
if(對應入口指向過程連接表入口)／*如果其指向的地址為．plt入口則在創(chuàng)建進程映像的時候需要重定位*／
loadrequest(symtab[i]->st_name)；／*重定位并將該符號的名字在字符表找到relocate(symtab[i]->st_value)相應的值，并將其名字放人相應的關(guān)系表*／
else
loadprovide(symtab[i]->st_name)；／*如果是內(nèi)部定義，那么此符號名是供其它的應用程序調(diào)用*／
… }}
ELF文件中定義符號和待調(diào)符號由其st_value所指的目標進行區(qū)分：對應于.plt表的待調(diào)符號需要重定位；對應于內(nèi)部符號，如果是弱類型(WEAK)或全局類型(GL0BOL)則用于其它文件調(diào)用。通過對ELF格式中的待調(diào)符號的提取，建立起應用程序和符號的依賴關(guān)系。
2.3、嵌入式系統(tǒng)小型化結(jié)果與分析
對各個表進行連接得到應用程序依賴的目標文件集合。將集合中的目標文件無重復記錄并重新連接從而得到最小化庫。前后庫中各數(shù)據(jù)對比見表3。小型化后，系統(tǒng)庫內(nèi)各組成部分顯著減少，庫被縮減近50%。對于日益龐大的嵌入式系統(tǒng)中的應用程序，根據(jù)庫文件內(nèi)部的依賴關(guān)系，在其基礎上對應用程序進行優(yōu)化裁減，對一般性應用可以使系統(tǒng)庫減小40%～50%。
小型化前 | 小型化后 | |
目標文件（個） | 1183 | 544 |
符號（個） | 9118 | 4861 |
顯性依賴（條） | 3819 | 1887 |
間接依賴（條） | 120273 | 55425 |
庫大小 | 1242480byte | 685032byte |
表3 系統(tǒng)庫小型化前后對照
三、 結(jié)束語
近年來嵌入式Linux技術(shù)迅速發(fā)展，各種商業(yè)和開放源碼的Linux發(fā)行版為不同的硬件平臺、不同的應用環(huán)境提供了多種選擇。Linux的文件系統(tǒng)事實上非常的龐大。構(gòu)造一個嵌入式的Linux文件系統(tǒng)是一個很復雜的過程。如何讓文件系統(tǒng)在保證安全的前提下精簡得更緊湊、運行得更有效率，是需要深入探索的一個課題。特別是，共享庫裁剪技術(shù)能將庫中大部分冗余代碼裁剪掉，但要求庫的源碼編寫比較規(guī)范，不同體系結(jié)構(gòu)需要有不同的處理等。但畢竟庫裁剪領(lǐng)域才發(fā)展不久，還不是很成熟。經(jīng)過對該技術(shù)長時間的測試，相信我們能夠彌補它的不足，使它能夠在嵌入式Linux領(lǐng)域廣泛使用。通過以上方法，我們構(gòu)造了一個精簡的嵌入式版本的Linux文件系統(tǒng)，它使得內(nèi)核在系統(tǒng)盡量精簡的情況下能夠運行起來．并滿足產(chǎn)品和系統(tǒng)各方面的要求。
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