Tina_Linux_系统裁剪_开发指南

1 概述

编写目的:

嵌入式产品往往为了压缩成本而使用较小的flash存储器，因此可能需要对系统进行裁剪来减少对flash的占用。系统经过裁剪过后，通常也会提升启动速度以及减少内存占用。
本文介绍TinaLinux中系统裁剪的方法，为有裁剪需求的使用者提供参考。

2 Tina系统裁剪简介

Tina固件中通常包含boot0、uboot、kernel、rootfs等镜像。基于经验，各个镜像尺寸的量级如下表所示：

表2-1:各镜像尺寸的量级

镜像	大小
boot0	< 100K
uboot	< 1M
kernel	>= 3M，< 15M
rootfs	>= 4M

可以看到boot0、uboot、kernel、rootfs的尺寸是依次增大的。对于大尺寸的裁剪效果往往比小尺寸的裁剪效果明显，比如rootfs裁剪1M可能很容易，对于uboot来说，则非常困难。

因此，后续主要介绍kernel以及rootfs的裁剪。

2.1 boot0裁剪

由于boot0很小，通常来说boot0代码也不开源，因此略过。

2.2 uboot裁剪

目前tina环境中有不同版本的uboot，分别存在两个不同的文件路径中，以实际sdk的目录为准，cboot可以进入到相应的uoot目录，这两个路径分别为lichee/brandy/u-boot或者lichee/brandy-2.0/u-boot

主要有下面两种裁剪思路：

• 修改uboot配置文件，删减不需要的配置。uboot配置文件通常位于源码下include/configs/$CHIP.h或者configs/${CHIP}_*_defconfig。
• 删除不需要的uboot命令。

2.3 内核裁剪

通常关于Linux内核裁剪主要有如下方法：

• 删除不使用的功能。如符号表、打印、调试等功能。
• 删除不使用的驱动。
• 修改内核源代码。
• 内核压缩。

2.3.1 删除不使用的功能

下表中列出了一些内核选项，包含选项的描述，默认值以及推荐值（减小内核镜像尺寸）。

表2-2:内核选项及描述

CONFIG option	Description	Def	Small
CORE_SMALL	tune some kernel data sizes	N	Y
NET_SMALL	tune some net-related data sizes	N	Y
KMALLOC_ACCOUNTING	turn on kmalloc accounting	N	Y *
AUDIT_BOOTMEM	print out all bootmem allocations	N	Y *
DEPRECATE_INLINES	cause compiler to emit info about inlines	N	Y *
PRINTK	printk code and message data	Y	N
BUG	allow elimination of BUG code	Y	N
ELF_CORE	allow disabling of ELF core dumps	Y	N
PROC_KCORE	allow disabling of /proc/kcore	Y	N
AIO allow	disabling of async IO syscalls	Y	N
XATTR allow	disabling of xattr syscalls	Y	N
FILE_LOCKING	allow disabling of file locking syscalls	Y	N
DIRECTIO	allow disabling of direct IO support	Y	N
MAX_SWAPFILES_SHIFT	number of swapfiles	5	0
NR_LDISCS	number of tty line disciplines	16	2
MAX_USER_RT_PRIO	number of RT priority levels	100	5
KALLSYMS	load all symbols for debugging/kksymoops	Y	N
SHMEM	allow disabling of shmem filesystem	Y	N +
SWAP	support for a swap segment	Y	N
SYSV_IPC	support for System V IPC	Y	N +
POSIX_MQUEUE	POSIX message queue support	Y	N +
SYSCTL	allow disabling of sysctl support	Y	N +
LOG_BUF_SHIFT	control size of kernel printk buffer	14	11
CC_OPTIMIZE_FOR_SIZE	Use gcc -os to optimize for size	Y	Y
MODULES	allow support for kernel loadable modules	Y	N +
KMOD	automatic kernel module loading	Y	N
PCI	allow support for PCI bus and devices	Y	Y -
XIP_KERNEL	allow support for kernel Execute-in-Place	N	N
BLK_DEV_LOOP	support for loopback block device	Y	Y -
BLK_DEV_RAM	block devices for RAM filesystems	Y	Y -
IOSCHED_AS	Include Anticipatory IO scheduler	Y	Y
IOSCHED_DEADLINE	Include Deadline IO scheduler	Y	N +
IOSCHED_CFQ	Include CFQ IO scheduler	Y	N +
IP_PNP	support for IP autoconfiguration	Y	N +
IP_PNP_DHCP	support for IP autoconfiguration via DHCP	Y	N +
IDE	support for IDE devices	Y	N +
SCSI	support for SCSI devices	Y	N +

其中：

• “Y *”-表示开发的时候设置成Y，发布的时候可以设置成N。
• “N +”-表示基于应用需要来判断是否设置成N。
• “Y -”-表示可能需要，可以设置N尝试一下。

在Tina中，集成了CONFIG_REDUCE_KERNEL_SIZE宏。一旦使能该宏后，将会采用部分上面的裁剪措施来减小kernel镜像尺寸，主要思路是关闭与log/debug等相关的配置，然后对kernel进行xz压缩，可参考tina/scripts/reduce-kernel-size.sh。

执行make menuconfig，开启如下选项：

Tina Configuration
Target Images —>
[*] downsize the kernel size (EXPERIMENTAL)

说明：此功能当前是 EXPERIMENTAL 的。建议直接执行 make kernel_menuconfig ，然后按照上述表格来配置。

2.3.2 删除不使用的驱动

方案明确之后，所需的内核驱动也明确了。可以执行make kernel_menuconfig，将没有用到的驱动关闭。

2.3.3 修改内核源代码

内核源码庞大，直接修改往往难度很大，可借助相关工具来评估模块以及符号的大小，然后进行针对性的裁剪。

2.3.3.1 size工具.

size命令可查看内核镜像的text、data、bss等段的大小。如执行"size vmlinux"，将会得到：

text data bss dec hex filename
5818117 1378944 168972 7366033 706591 vmlinux

2.3.3.2 ksize.py脚本

在tina/lichee/linux-4.9/scripts目录下有一个ksize脚本，可以对内核目录下的built-in.o进行解析，并将解析的内容按照尺寸进行排序，显示出来。执行结果如下所示：

Linux Kernel total | text data bss
--------------------------------------------------------------------------------
vmlinux 7366033 | 5818117 1378944 168972
--------------------------------------------------------------------------------
drivers/built-in.o 2244823 | 2080782 123885 40156
net/built-in.o 1682005 | 1630911 32590 18504
fs/built-in.o 975830 | 950780 5442 19608
kernel/built-in.o 678363 | 593347 41064 43952
mm/built-in.o 302442 | 272965 7309 22168
sound/built-in.o 237890 | 227338 6836 3716
security/built-in.o 170272 | 145055 13989 11228
block/built-in.o 149110 | 145408 2458 1244
crypto/built-in.o 145972 | 131610 7258 7104
lib/built-in.o 141721 | 141093 559 69
init/built-in.o 33551 | 18558 14909 84
ipc/built-in.o 29998 | 29218 772 8
usr/built-in.o 138 | 138 0 0
--------------------------------------------------------------------------------
sum 6792115 | 6367203 257071 167841
delta 573918 | -549086 1121873 1131
drivers total | text data bss
--------------------------------------------------------------------------------
drivers/built-in.o 2244823 | 2080782 123885 40156
--------------------------------------------------------------------------------
drivers/usb/built-in.o 448756 | 409279 27813 11664
drivers/block/built-in.o 357202 | 324752 21582 10868
drivers/tty/built-in.o 174213 | 155371 13938 4904
drivers/base/built-in.o 157961 | 153861 3460 640
drivers/mmc/built-in.o 133678 | 131782 1756 140
drivers/scsi/built-in.o 105021 | 95105 9348 568
drivers/md/built-in.o 100909 | 98382 1291 1236
drivers/mtd/built-in.o 96023 | 92244 1467 2312
drivers/hid/built-in.o 86072 | 81552 4160 360
drivers/clk/built-in.o 69737 | 58289 10856 592
drivers/cpufreq/built-in.o 51525 | 44400 1793 5332
drivers/pinctrl/built-in.o 50463 | 46458 3921 84
drivers/input/built-in.o 45250 | 44046 1156 48
drivers/i2c/built-in.o 43511 | 42791 656 64
drivers/spi/built-in.o 39888 | 38323 1557 8
drivers/thermal/built-in.o 38654 | 36673 1893 88
drivers/regulator/built-in.o 36217 | 35257 820 140
drivers/of/built-in.o 35994 | 35095 407 492
drivers/gpio/built-in.o 29432 | 29167 224 41
drivers/leds/built-in.o 25548 | 25076 464 8
drivers/rtc/built-in.o 25072 | 24428 460 184
drivers/tee/built-in.o 24823 | 24662 113 48
drivers/char/built-in.o 23718 | 21642 1224 852
drivers/soc/built-in.o 20916 | 13980 6804 132
drivers/bluetooth/built-in.o 20223 | 19319 100 804
drivers/dma/built-in.o 17892 | 17458 334 100
drivers/irqchip/built-in.o 14767 | 12371 2308 88
drivers/pwm/built-in.o 14636 | 14036 472 128
drivers/dma-buf/built-in.o 13975 | 13904 23 48
drivers/cpuidle/built-in.o 12613 | 10848 1749 16
drivers/watchdog/built-in.o 9986 | 9660 281 45
drivers/power/built-in.o 9836 | 8296 1224 316
drivers/clocksource/built-in.o 9608 | 8708 796 104
drivers/misc/built-in.o 8471 | 8105 340 26
drivers/bus/built-in.o 6357 | 5691 618 48
drivers/hwmon/built-in.o 5230 | 5054 144 32
drivers/hwspinlock/built-in.o 4792 | 4664 128 0
drivers/firmware/built-in.o 4453 | 4384 9 60
drivers/reset/built-in.o 3818 | 3686 132 0
drivers/net/built-in.o 1803 | 1755 48 0
drivers/mfd/built-in.o 1623 | 1511 108 4
drivers/video/built-in.o 379 | 379 0 0
--------------------------------------------------------------------------------
sum 2381045 | 2212444 125977 42624
delta -136222 | -131662 -2092 -2468
net total | text data bss
--------------------------------------------------------------------------------
net/built-in.o 1682005 | 1630911 32590 18504
--------------------------------------------------------------------------------
net/ipv4/built-in.o 428233 | 401161 14719 12353
net/mac80211/built-in.o 302085 | 301822 259 4
net/core/built-in.o 267334 | 256693 8573 2068
net/bluetooth/built-in.o 227913 | 226708 1033 172
net/wireless/built-in.o 160236 | 158651 557 1028
net/xfrm/built-in.o 74537 | 72737 1384 416
net/bridge/built-in.o 59936 | 58812 1112 12
net/sched/built-in.o 29706 | 28344 1346 16
net/packet/built-in.o 26453 | 26172 281 0
net/netlink/built-in.o 26105 | 25498 455 152
net/unix/built-in.o 24671 | 22266 340 2065
net/key/built-in.o 21095 | 20783 308 4
net/*.o 16279 | 15811 412 56
net/8021q/built-in.o 15245 | 14981 264 0
net/ipv6/built-in.o 9445 | 8295 1136 14
net/rfkill/built-in.o 7142 | 6710 408 24
net/ethernet/built-in.o 2431 | 2391 40 0
net/llc/built-in.o 2068 | 1980 72 16
net/802/built-in.o 1944 | 1792 140 12
--------------------------------------------------------------------------------
sum 1702858 | 1651607 32839 18412
delta -20853 | -20696 -249 92
fs total | text data bss
--------------------------------------------------------------------------------
fs/built-in.o 975830 | 950780 5442 19608
--------------------------------------------------------------------------------
fs/*.o 351665 | 339511 1774 10380
fs/ext4/built-in.o 295807 | 294110 1125 572
fs/jffs2/built-in.o 99642 | 99446 124 72
fs/proc/built-in.o 77696 | 73111 377 4208
fs/fat/built-in.o 49264 | 49088 144 32
fs/jbd2/built-in.o 47379 | 47254 65 60
fs/overlayfs/built-in.o 24939 | 24842 93 4
fs/squashfs/built-in.o 23156 | 23092 60 4
fs/kernfs/built-in.o 21086 | 16863 111 4112
fs/configfs/built-in.o 18193 | 17916 261 16
fs/debugfs/built-in.o 16120 | 16056 52 12
fs/pstore/built-in.o 13904 | 13531 325 48
fs/crypto/built-in.o 13083 | 12799 264 20
fs/notify/built-in.o 12525 | 12186 227 112
fs/nls/built-in.o 11024 | 10904 116 4
fs/sysfs/built-in.o 7041 | 6990 39 12
fs/devpts/built-in.o 3359 | 2986 365 8
fs/ramfs/built-in.o 1820 | 1776 40 4
--------------------------------------------------------------------------------
sum 1087703 | 1062461 5562 19680
delta -111873 | -111681 -120 -72
kernel total | text data bss
--------------------------------------------------------------------------------
kernel/built-in.o 678363 | 593347 41064 43952
--------------------------------------------------------------------------------
kernel/*.o 376931 | 346029 17531 13371
kernel/sched/built-in.o 127386 | 119841 6265 1280
kernel/time/built-in.o 101386 | 89633 7465 4288
kernel/printk/built-in.o 55033 | 18477 8444 28112
kernel/irq/built-in.o 47323 | 44325 906 2092
kernel/rcu/built-in.o 29815 | 27655 2131 29
kernel/locking/built-in.o 25617 | 25592 21 4
kernel/power/built-in.o 16652 | 15256 848 548
kernel/bpf/built-in.o 8348 | 7988 68 292
--------------------------------------------------------------------------------
sum 788491 | 694796 43679 50016
delta -110128 | -101449 -2615 -6064
sound total | text data bss
--------------------------------------------------------------------------------
sound/built-in.o 237890 | 227338 6836 3716
--------------------------------------------------------------------------------
sound/soc/built-in.o 125556 | 119220 5416 920
sound/core/built-in.o 108923 | 104799 1400 2724
sound/*.o 6612 | 6440 28 144
--------------------------------------------------------------------------------
sum 241091 | 230459 6844 3788

delta -3201 | -3121 -8 -72
security total | text data bss
--------------------------------------------------------------------------------
security/built-in.o 170272 | 145055 13989 11228
--------------------------------------------------------------------------------
security/selinux/built-in.o 142606 | 119156 12250 11200
security/keys/built-in.o 31690 | 30618 788 284
security/*.o 25826 | 24091 1719 16
security/integrity/built-in.o 1838 | 1806 20 12
--------------------------------------------------------------------------------
sum 201960 | 175671 14777 11512
delta -31688 | -30616 -788 -284
block total | text data bss
--------------------------------------------------------------------------------
block/built-in.o 149110 | 145408 2458 1244
--------------------------------------------------------------------------------
block/*.o 145968 | 142021 2699 1248
block/partitions/built-in.o 7563 | 7543 16 4
--------------------------------------------------------------------------------
sum 153531 | 149564 2715 1252
delta -4421 | -4156 -257 -8
lib total | text data bss
--------------------------------------------------------------------------------
lib/built-in.o 141721 | 141093 559 69
--------------------------------------------------------------------------------
lib/*.o 216133 | 214935 1092 106
lib/zlib_inflate/built-in.o 11187 | 11187 0 0
lib/xz/built-in.o 8215 | 8179 36 0
lib/lzo/built-in.o 2551 | 2551 0 0
lib/lz4/built-in.o 1188 | 1188 0 0
--------------------------------------------------------------------------------
sum 239274 | 238040 1128 106
delta -97553 | -96947 -569 -37

可以对各个模块的代码段数据段的统计信息进行确认，对占用空间大的进行针对性优化。

2.3.3.3 nm命令

nm命令可查看内核模块中各个符号的尺寸。如执行"nm --size -r vmlinux | head -10"，可得到：

00004000 b __log_buf
00003e58 D nand_tbl
00003b14 T __blockdev_direct_IO
0000398c T hidinput_connect
00002f6c t ext4_fill_super
000027fc T hci_event_packet
0000245c t l2cap_recv_frame
000023d4 T dev_ethtool
00002274 t test_atomics
000020e4 t nl80211_send_wiphy

说明，一共有三列数据，分别表示大小、符号类型、符号名。其中符号类型：

• b/B -符号位于bss段。
• t/T -符号位于text段。
• d/D -符号位于data段。

如果某些函数或者全局变量占用较大，可以进行针对性的优化。

2.3.3.4 kernel压缩方式.

tina环境提供了几种压缩格式方式，选择方式为make kernel_menuconfig:

General setup --->
    Kernel compression mode (Gzip) --->
        (X) Gzip
        ( ) LZMA
        ( ) XZ
        ( ) LZO
        ( ) LZ

同一个kernel镜像使用不同的压缩方式，镜像大小如下表所示：

压缩方式	镜像大小	加载内核时间（从falsh加载到dram的时间）	解压时间	总时间
GZIP	2.31M	124ms	89ms	213ms
LZO	2.53M	136ms	23ms	159ms
LZ4	2.68M	143ms	27ms	170ms
XZ	1.95M	104ms	667ms	771ms

2.4 文件系统裁剪.

对于文件系统裁剪来说，主要思路是删、换、压。

• 删。删除不需要的内容。如帮助文档、没用到的库、调试程序等。
• 换。使用小尺寸的实现替换大尺寸的实现。如使用musl libc库替换glibc库等。
• 压。使用合适的压缩算法。

2.4.1 应用程序及冗余文件裁剪

在不影响整体功能的情况下，一些应用程序或冗余文件往往可以删除：

• 调试工具。比如tcpdump、mpstat、strace等等。
• 性能测试工具。比如lmbench、sysstat、tiobench等等。
• 冗余文件。帮助文档、辅助程序、配置文件和数据模块等，又比如很多应用有相同的共能，只留其一。
• 采用具有通用功能的替代软件包。Linux上有许多具有相似功能的软件包，可以选择其中占存储空间较小的软件包并移植到嵌入式设备上。
• 资源文件。一些音视频以及UI资源往往占用很大空间，如果没有用到，也需要删除。

2.4.2 库的裁剪

关于库的裁剪主要有两个思路：

• 使用较小的C库，如musl libc，uclibc等来替换glibc。
• 删除没有用到的库。

2.4.2.1 C库的选择.

下表列出了当前一些通用的C库及其特征。

表2-4:常用C库及其特征

C库	环境	大小	优点	缺点
glibc	Distribution	大	强大稳定，支持最多的cpu架构	占用空间大
uclibc	Embedded	小	为嵌入式设计，可配置性好	不支持libdb与libnss
bionic	Android	小	提供了Android特性的函数	不提供libthread_db/libm
musl	Embedded	小	更小，高效静态链接，稳定	支持较少的cpu arch

当前Tina环境下可支持glibc与musl libc两种C库。具体可通过menuconfig的方式来配置

使用哪一套。

[*] Advanced configuration options (for developers) --->
    Select external toolchain C library (Use glibc) --->

注意，更换C库后，需要清除方案编译产物(可执行make distclean)，重新编译。

2.4.2.2 删除没用到的库

嵌入式产品通常应用程序有限，因此可能存在很多库不会被用到，可以进行删除。

当前Tina环境提供了一种删除方法，执行make menuconfig，打开如下选项：

Tina Configuration
    Target Images --->
        [*] downsize the root filesystem or initramfs

打开之后，在生成rootfs/initramfs之前会对其中没有用到的库进行删除。

具体可参考scripts/reduce-rootfs-size.sh文件，其主要思路是：

• 分析rootfs下的应用程序所依赖的库。
• 分析“应用程序依赖库”所依赖的库，一直递归下去，直到完全找出所有依赖的库。
• 根据上述查找结果，删除没有被依赖的库。

说明：此方法有一定的限制：

• 当前只分析 /lib ， /usr/lib 下的库，其他目录不会处理。
• 对于部分使用 dlopen 的应用程序，解析库可能会出现问题。

2.4.3 应用程序与库strip

strip会去掉应用程序与库的符号信息和调试信息，大大减少空间占用。

当前Tina环境下默认开启了strip功能，如果没开启，请确保开启以减少空间占用。

Tina Configuration
    Global build settings --->
        Binary stripping method (strip) --->

说明：Tina 上还支持 sstrip ，即 super strip ，相对于 strip 来说，更能减少应用与库的大小。

2.4.4 文件系统压缩.

有些文件系统支持压缩，有些不支持。下表列出了常见的文件系统类型：

表2-5:常用文件系统类型

FS	使用	压缩	读写	备 注
ext2	block device	无	RW	突然断电或当机时可能导致数据丢失
ext3	block device	无	RW	向前兼容ext3，日志式文件系统，非常成熟稳定
ext4	block device	无	RW	向前兼容ext2和ext3，扩展存储限制，提升性能
btrfs	block device	有	RW	着重于容错、修复及易管理
FAT	block device	无	RW	Windows，长期使用速度变慢，不支持>4G文件
NTFS	block device	有	RW	Windows，基于FAT做若干改进，日志文件系统
Cramfs	NAND Flash	无	RO	2013停用，使用Squashfs
Squashfs	Raw Flash	有	RO	压缩度更高，没有大小限制
UBIFS	Raw Flash	有	RW	基于JFFS2，Linux3.7之后
JFFS2	Raw Flash	有	RW	mount时间很慢，读写性能不好
YAFFS2	NAND Flash	无	RW	没有透明压缩，不在Linux主线

当前Tina环境下比较常用的是squahfs、ext4、jfss2三种文件系统。具体可执行makemenu-

config进行选择：

Tina Configuration
    Target Images --->
        *** Root filesystem images ***
        [ ] ext4 ----
        [ ] jffs
        [*] squashfs --->

常见的压缩有lzop，gzip，xz等，压缩率最高的是xz。但是xz压缩解压最慢，非常影响启动速度。实际在选择压缩方式时应综合考虑。

3 参考资料

• [1] https://elinux.org/Kernel_Size_Tuning_Guide
• [2] Karim Yaghmour. Building Embedded Linux Systems [M]
• [3] Michael Opdenacker. Embedded Linux size reduction techniques
• [4] https://tiny.wiki.kernel.org/