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嵌入式 Linux 产品技术评估之系统裁剪与启动速度

Wu Zhangjin 创作于 2020/01/15

By Falcon of TinyLab.org Dec 09, 2019

背景简介

前段有同学抛出来这么一个问题:

如何实现内核和文件系统做到 2M 以内,启动速度控制在 5s 内

这实际上是要对某款嵌入式 Linux 产品进行技术评估。这类需求其实蛮常见的,正好借此机会展示一款嵌入式 Linux 产品的技术评估过程。

基本思路

极端的嵌入式系统通常只有很小的 Flash,这个时候就要考虑把内核和文件系统以及相应的应用都做得很小。

通常的思路:

  • 一个是裁剪功能,删除不需要的库、库函数、普通函数
  • 一个是用时间换空间,先压缩,运行时解压。

压缩算法评估

要做到 2M 以内,那需要看看,用最厉害的压缩算法,压缩比可以到多少?

这篇文章列出了各类压缩算法的比较:Quick Benchmark: Gzip vs Bzip2 vs LZMA vs XZ vs LZ…

找到上述文章的 Compression ratio 部分,发现最高的在 14% 左右,这里以 15% 为例,这个反过来可以算出来,允许的最大实际 size 是:2M / 15%,也就是 13M。

但是,压缩比比较高的,解压速度一般会更慢一些,所以折衷来看,这个 size 能控制到一半,也就是 6M 左右就比较理想。至于启动速度,可以看一下 Decompression time,看上去同等压缩比,lz4 比 lzop 要优秀一些。而 gzip 在压缩率和解压时间上的 balance 很好。所以最后还是要根据实际情况去挑选。

还有一个需要考虑的是内存,在解压的时候,看看内存这块的消耗,即 Memory requirements on decompression,gzip 和 lzop 需求都比较小,lz4 需要最大,要 10M 以上。

系统裁剪方法

接下来就是裁剪,裁剪不外乎:

  1. 明确功能需求,做一个需求 list

  2. 根据需求细致地配置内核

    记得打开诸如 -Os 的选项(可以实测看看,有时候 -O2 也不一定大),去掉一些不是很必要的 debug 特性,调试符号什么的都可以去掉,用小尺寸的 features,这里有一个例子,压缩完 300多K,GitHub - tinyclub/linux-loongson-community at tiny…

    内核模块如果不是特别多,直接编译到内核里头,把内核模块 loading 功能也可以关掉,如果比较多的话,担心启动时间,就可以把内核模块 delay 加载。

  3. 根据需求细致地配置文件系统

    比如可以用 busybox,也可以直接用 buildroot 选配,可以选用比较小得文件系统,比如 musl。这里有一份不同库得比较:Comparison of C/POSIX standard library implementat… ,另外,这里还有一份更详细的比较:http://tinylab.org/linux-lab-full-rootfs

    编译的时候尽量用静态编译取代动态编译。记得开启必要的 strip 选项,如果没有配置,编译完可以手动 strip。

    如果要用到图形系统,可以选小尺寸的,比如国产 minigui,Home · VincentWei/minigui Wiki · GitHub

  4. 文件系统选择

    文件系统可以选独立的只读压缩文件系统,比如说 Cramfs 和 Squashfs,也可以用 cpio,直接把文件系统作为内置 initramfs 编译到内核中。可以在内核中用 CONFIG_INITRAMFS_SOURCE 指定。如果是要支持写的,可以考虑搞一小块分区出来做可写的分区,用其他文件系统,比如说 f2fs, ext4。

关于启动速度

这个是另外一个课题,有一部分方法是跟裁剪类似的,那就是去掉不需要的功能。还有一些方法是尽量提前让“看得到”的东西先初始化,“看不到的”放在后台线程里头,或者 delay 到后面,这些可以通过调整 initcall 的顺序达到,但是需要注意依赖关系。

还有一些方法:

  • 启动的时候可以让启动频率快一些。
  • 板子固定的一些数据,如果不是经常变动的,那么可以提前算好,通过参数传递或者写死,牺牲一些灵活性,这里有个比较自动化的方法是 kexec。
  • 还有一个不是很常注意的,就是需要关掉串口打印,这个通常会拖慢。
  • 再有一个办法是,用功耗换性能,那就是用休眠唤醒取代真正的开机,平时在那里睡着。

曾经的项目里头,关机充电时跑的一个 Recovery 小系统,从开机到显示充电界面,可以跑到 5s 左右。如果用休眠唤醒做模拟开机,就跟平时用手机一样,唤醒一下,做到 2s 内应该问题不大。

参考资料

更多的资料欢迎参考泰晓科技为大家收集的一些资源。

  1. 系统裁剪优化

    TinyLinux 是笔者早期维护过的一段嵌入式 Linux 基金会赞助的项目,里头有收集大量相关成果和资料。

  2. 系统启动优化

    下述内容涵盖测量、分析和优化方法与工具。



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