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摘 要： 随着嵌入式技术的不断发展，将开源的Linux操作系统和嵌入式技术结合起来，无疑具有广泛的应用前景。从嵌入式Linux系统开发中的实时性问题和裁剪技术问题入手，对嵌入式Linux系统的关键技术进行研究，并提出对应的改进方案。
关键词： 嵌入式；Linux；函数裁剪；实时性
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）0110102-01
1 嵌入式技术的发展及现状
嵌入式技术诞生以来，随着控制芯片的微型化和操作系统功能的加强，嵌入式系统开始应用于各个领域；Linux操作系统以其开放的源代码、高效的内核以及丰富的应用软件而在嵌入式领域有独特的表现，因此嵌入式Linux已经成为嵌入式领域的主流。
嵌入式技术的发展主要经历了以下三个阶段[1]：（1）可编程控制器。以单芯片为核心，没有操作系统，大多应用于专业性极强的工控领域；优点是价格低、使用简单；缺点是功能单一、效率低下。（2）以嵌入式CPU为基础的嵌入式系统。具有简单的操作系统。克服了可编程控制器的效率低下问题，具有一定的兼容性；缺点是通用性较差，且用户界面不友好；主要用于程序运行监控及系统负载控制。（3）嵌入式操作系统。此类嵌入式系统可以运行在不同类型的微处理器上，内核效率高、兼容性好，支持多任务管理，具备网络和图形用户界面支持。
市面上已经有多种嵌入式实时Linux操作系统，典型的有RT-Linux、RED-Linux以及KURT等。RT-Linux开发的核心思想是“架空”Linux内核，从而可以尽快执行其他的实时进程，修改Linux内核源码后，将Linux内核及系统本身任务的优先级设为最低，同时将实时任务的优先级设置为最高，这样实时任务的模块就可以在需要时加载到系统内核中，所以可以认为RT-Linux是可抢占内核的。与RT-Linux的可抢占内核方式不同，RED-Linux可以直接修改系统内核源码，并将其中较长的例程分解成细粒度的代码段，这样实现了在代码中插入抢占点的功能，用以抢占内核。RED-Linux的内核抢占延迟较小，能够适用不同复杂程度嵌入式系统的要求。
虽然嵌入式Linux有何很多优势，但也有需要改进之处。本文接下来主要从Linux内核改造及实时性两个方面对嵌入式Linux操作系统进行研究。
2 嵌入式Linux的内核裁剪技术
很多人认为Linux系统太大，不适合用作嵌入式系统，这是因为Linux系统安装了很多非必须的应用，如KDE、Apache等。为使Linux系统满足嵌入式操作系统的需求，可以根据需求进行内核裁剪，以满足实际应用。目前常用的内核裁剪技术有四种[2]：删除冗余文件、共享库裁剪、修改内核源码以及相同功能软件包替换。
Linux内核的动态库中保存了可复用的预先编译的代码。应用程序可以静态链接或动态链接的方式调用这些库。静态链接是从动态库中复制需要的代码到可执行文件中；动态链接在可执行文件运行时才加载动态库。共享库与可执行文件中都存在一些导入/导出符号表，导出符号是在可执行文件中定义但可被其他文件使用的符号，导入符号是被可执行文件调用的符号。共享库被链接前都会检查导入符号相关的代码在内存中是否存在。在进行内核裁剪的时候，可以将永远不会被其他文件调用的导出符号删除。基于上述原理，裁剪技术的过程可以描述为：查找共享库中会被其他程序/共享库调用的导出符号；将提供以上导出符号的目标文件链接为较小的共享库；重复上面两步直到不能继续裁剪为止。
目前的共享库裁剪技术的粒度只是精确到目标文件级别，在保留的目标文件内部不可避免的存在一些不必要的导出符号。为提高内核裁剪的粒度，本文提出一种函数级的裁剪技术，以进一步裁剪目标文件中的冗余代码。将共享库的代码按照源码组成的方式划分成函数块，并且建立这些函数块和导出符号的关系。遍历每个节点，如果函数块a调用函数块b，就称a依赖于b，a直接或间接调用的函数块都不能从动态库中删除，将所有不能被删除的函数块做上标记。经过递归标记后，函数块N1、N3以及N6都可以从动态库中删除。
要真正实现函数级内核裁剪，有两个必须首先解决的问题[3]：（1）如何根据导入/导出符号确定某一库函数调用的支持函数？（2）如何确定不同函数块间的依赖关系？为解决这两个问题，可以从链接器链接库函数的过程入手。链接器链接库函数时可能会直接从外部的目标文件引入一个符号，所以我们可以分析ELF符号表中被引用的库函数的信息，从而找到引用的库函数或支持函数。另外由于库函数间可能存在间接的引用，因此首先需要找到库函数的被引用函数，再找到这些函数引用的函数，如此递归直到所有的函数都被显示定义为止。
Linux中动态库的源码是用C语言写的，所以难以划分函数块，因为反汇编代码和源码中的函数一般是对应的，所以可以用反汇编工具将共享库的代码段反汇编，然后再进行函数块的划分。反汇编后的代码函数块开始于，其中symbol是函数块的名称，结束于ret指令，如下所示：
：0055FBA1 F7D8
：0055FBA3 F7D8 neg eax
：0055FBA7 880A mov byte ptr [edx]， cl
：0055FBAB 03C6 add eax， esi
：0055FBAD 5E pop esi
：0055FBAE C3 ret
3 嵌入式Linux中的实时性
嵌入式Linux系统实时性的关键是在一定时间内完成预定义的操作。按照时限对系统的影响程度，可以将实时系统分为软实时和硬实时系统。软实时系统可以容忍偶尔超过时限的操作，硬实时系统对超时限的操作是零容忍的。不管是哪类的实时系统，都可以用响应时间、生存时间以及吞吐量来衡量系统的实时性。响应时间是嵌入式Linux系统从识别外部事件到做出响应的时间；生存时间是请求数据的有效等待时间，一旦超过这个时间，数据将不再有效；吞吐量是单位时间内系统能够处理的总事件。 当前硬实时性的实现方法主要有“修改内核为实时内核”和“采用双内核”两种。前者改写内核中的进程调度、内存管理以及中断处理策略，并用改写后的调度器替换内核原有的进程调度器，这一方法要求开发人员精通Linux内核，开发难度较大。双内核机制在操作系统的最底层添加一层实时核心层，这样在一个硬件平台上就有两个互相配合的系统内核，其中一个管理实时的多任务，另外一个管理非实时任务。
嵌入式Linux实时系统要求能够实时调度任务，调度多进程时要不断切换进程，以使CPU得到最大的利用率。嵌入式Linux的实时调度算法主要有离线算法和在线算法两种，前者预先分配每个任务的调度次序和切换时间，后者动态调度进程任务。静态优先级调度算法的典型代表是速率单调调度算法（Rate Monotonic，RM），动态优先级调度算法的典型代表是最早期限优先调度算法（Early Deadline First，EDF）。RM调度任务的依据是任务的周期，它事先为每个进程分配一个优先级，每次调度任务时选择优先级最高的任务，必要时可以剥夺当前进程的CPU时间片。EDF按照任务的最终响应期限调度任务，任务的期限越早说明越紧急，所以被赋予较高的优先级，从而得到优先调度。
EDF和RM两种调度策略都是基于任务优先级的，而且他们定义优先级的方法不同，两种方法同时实现的策略可以通过“任务调度策略标识位”和“可加载模块”实现。设置任务优先级时，先判断当前任务队列中的调度算法种类，并设置标志位，然后将运行队列中使用这两种调度策略的进程数目初始化为0。当有新的进程任务加入时，将其使用的调度策略数目的标志位加1。如此以来用户将感觉不到两种调度策略的冲突。可加载模块的方式也是设置两个标志位，但处理方式和前一种方式不同；可加载模块的方式在使用某种策略调度模块时，先监测另外一种调度方式是否已经加载，如果另外一种调度策略已经加载了此模块，则因为两种调度策略不能共存的原因，就不能够使用当前的调度策略加载模块。嵌入式Linux系统的定时器芯片会产生周期性中断，每隔一定时间中断CPU，并检查是否需要调度任务。当前的嵌入式Linux系统的时间片粒度比较粗，为细化时间片粒度，可以增加定时芯片的中断频率。每次定时器芯片产生中断时，内核都会从用户空间返回，并检查定时器链表，避免了多次中断的延迟问题，提高了实时性。
4 总结
本文对嵌入式Linux系统中的内核裁剪、实时化改造等关键技术进行了研究，并将原有的文件级内核裁剪改进为函数级内核裁剪，提高了系统的实时化水平。
参考文献：
[1]钟忻，嵌入式Linux系统开发中的关键技术的研究与实现[D].国防科技大学，2008.
[2]黄义文，Linux操作系统内核裁剪的分析[D].中国民航飞行学院学报，2010（5）.
[3]蒋习旺，嵌入式Linux的实时性研究与改进[J].哈尔滨工程大学，2009.
关键词： 嵌入式；Linux；函数裁剪；实时性
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）0110102-01
1 嵌入式技术的发展及现状
嵌入式技术诞生以来，随着控制芯片的微型化和操作系统功能的加强，嵌入式系统开始应用于各个领域；Linux操作系统以其开放的源代码、高效的内核以及丰富的应用软件而在嵌入式领域有独特的表现，因此嵌入式Linux已经成为嵌入式领域的主流。
嵌入式技术的发展主要经历了以下三个阶段[1]：（1）可编程控制器。以单芯片为核心，没有操作系统，大多应用于专业性极强的工控领域；优点是价格低、使用简单；缺点是功能单一、效率低下。（2）以嵌入式CPU为基础的嵌入式系统。具有简单的操作系统。克服了可编程控制器的效率低下问题，具有一定的兼容性；缺点是通用性较差，且用户界面不友好；主要用于程序运行监控及系统负载控制。（3）嵌入式操作系统。此类嵌入式系统可以运行在不同类型的微处理器上，内核效率高、兼容性好，支持多任务管理，具备网络和图形用户界面支持。
市面上已经有多种嵌入式实时Linux操作系统，典型的有RT-Linux、RED-Linux以及KURT等。RT-Linux开发的核心思想是“架空”Linux内核，从而可以尽快执行其他的实时进程，修改Linux内核源码后，将Linux内核及系统本身任务的优先级设为最低，同时将实时任务的优先级设置为最高，这样实时任务的模块就可以在需要时加载到系统内核中，所以可以认为RT-Linux是可抢占内核的。与RT-Linux的可抢占内核方式不同，RED-Linux可以直接修改系统内核源码，并将其中较长的例程分解成细粒度的代码段，这样实现了在代码中插入抢占点的功能，用以抢占内核。RED-Linux的内核抢占延迟较小，能够适用不同复杂程度嵌入式系统的要求。
虽然嵌入式Linux有何很多优势，但也有需要改进之处。本文接下来主要从Linux内核改造及实时性两个方面对嵌入式Linux操作系统进行研究。
2 嵌入式Linux的内核裁剪技术
很多人认为Linux系统太大，不适合用作嵌入式系统，这是因为Linux系统安装了很多非必须的应用，如KDE、Apache等。为使Linux系统满足嵌入式操作系统的需求，可以根据需求进行内核裁剪，以满足实际应用。目前常用的内核裁剪技术有四种[2]：删除冗余文件、共享库裁剪、修改内核源码以及相同功能软件包替换。
Linux内核的动态库中保存了可复用的预先编译的代码。应用程序可以静态链接或动态链接的方式调用这些库。静态链接是从动态库中复制需要的代码到可执行文件中；动态链接在可执行文件运行时才加载动态库。共享库与可执行文件中都存在一些导入/导出符号表，导出符号是在可执行文件中定义但可被其他文件使用的符号，导入符号是被可执行文件调用的符号。共享库被链接前都会检查导入符号相关的代码在内存中是否存在。在进行内核裁剪的时候，可以将永远不会被其他文件调用的导出符号删除。基于上述原理，裁剪技术的过程可以描述为：查找共享库中会被其他程序/共享库调用的导出符号；将提供以上导出符号的目标文件链接为较小的共享库；重复上面两步直到不能继续裁剪为止。
目前的共享库裁剪技术的粒度只是精确到目标文件级别，在保留的目标文件内部不可避免的存在一些不必要的导出符号。为提高内核裁剪的粒度，本文提出一种函数级的裁剪技术，以进一步裁剪目标文件中的冗余代码。将共享库的代码按照源码组成的方式划分成函数块，并且建立这些函数块和导出符号的关系。遍历每个节点，如果函数块a调用函数块b，就称a依赖于b，a直接或间接调用的函数块都不能从动态库中删除，将所有不能被删除的函数块做上标记。经过递归标记后，函数块N1、N3以及N6都可以从动态库中删除。
要真正实现函数级内核裁剪，有两个必须首先解决的问题[3]：（1）如何根据导入/导出符号确定某一库函数调用的支持函数？（2）如何确定不同函数块间的依赖关系？为解决这两个问题，可以从链接器链接库函数的过程入手。链接器链接库函数时可能会直接从外部的目标文件引入一个符号，所以我们可以分析ELF符号表中被引用的库函数的信息，从而找到引用的库函数或支持函数。另外由于库函数间可能存在间接的引用，因此首先需要找到库函数的被引用函数，再找到这些函数引用的函数，如此递归直到所有的函数都被显示定义为止。
Linux中动态库的源码是用C语言写的，所以难以划分函数块，因为反汇编代码和源码中的函数一般是对应的，所以可以用反汇编工具将共享库的代码段反汇编，然后再进行函数块的划分。反汇编后的代码函数块开始于
：0055FBA1 F7D8
：0055FBA3 F7D8 neg eax
：0055FBA7 880A mov byte ptr [edx]， cl
：0055FBAB 03C6 add eax， esi
：0055FBAD 5E pop esi
：0055FBAE C3 ret
3 嵌入式Linux中的实时性
嵌入式Linux系统实时性的关键是在一定时间内完成预定义的操作。按照时限对系统的影响程度，可以将实时系统分为软实时和硬实时系统。软实时系统可以容忍偶尔超过时限的操作，硬实时系统对超时限的操作是零容忍的。不管是哪类的实时系统，都可以用响应时间、生存时间以及吞吐量来衡量系统的实时性。响应时间是嵌入式Linux系统从识别外部事件到做出响应的时间；生存时间是请求数据的有效等待时间，一旦超过这个时间，数据将不再有效；吞吐量是单位时间内系统能够处理的总事件。 当前硬实时性的实现方法主要有“修改内核为实时内核”和“采用双内核”两种。前者改写内核中的进程调度、内存管理以及中断处理策略，并用改写后的调度器替换内核原有的进程调度器，这一方法要求开发人员精通Linux内核，开发难度较大。双内核机制在操作系统的最底层添加一层实时核心层，这样在一个硬件平台上就有两个互相配合的系统内核，其中一个管理实时的多任务，另外一个管理非实时任务。
嵌入式Linux实时系统要求能够实时调度任务，调度多进程时要不断切换进程，以使CPU得到最大的利用率。嵌入式Linux的实时调度算法主要有离线算法和在线算法两种，前者预先分配每个任务的调度次序和切换时间，后者动态调度进程任务。静态优先级调度算法的典型代表是速率单调调度算法（Rate Monotonic，RM），动态优先级调度算法的典型代表是最早期限优先调度算法（Early Deadline First，EDF）。RM调度任务的依据是任务的周期，它事先为每个进程分配一个优先级，每次调度任务时选择优先级最高的任务，必要时可以剥夺当前进程的CPU时间片。EDF按照任务的最终响应期限调度任务，任务的期限越早说明越紧急，所以被赋予较高的优先级，从而得到优先调度。
EDF和RM两种调度策略都是基于任务优先级的，而且他们定义优先级的方法不同，两种方法同时实现的策略可以通过“任务调度策略标识位”和“可加载模块”实现。设置任务优先级时，先判断当前任务队列中的调度算法种类，并设置标志位，然后将运行队列中使用这两种调度策略的进程数目初始化为0。当有新的进程任务加入时，将其使用的调度策略数目的标志位加1。如此以来用户将感觉不到两种调度策略的冲突。可加载模块的方式也是设置两个标志位，但处理方式和前一种方式不同；可加载模块的方式在使用某种策略调度模块时，先监测另外一种调度方式是否已经加载，如果另外一种调度策略已经加载了此模块，则因为两种调度策略不能共存的原因，就不能够使用当前的调度策略加载模块。嵌入式Linux系统的定时器芯片会产生周期性中断，每隔一定时间中断CPU，并检查是否需要调度任务。当前的嵌入式Linux系统的时间片粒度比较粗，为细化时间片粒度，可以增加定时芯片的中断频率。每次定时器芯片产生中断时，内核都会从用户空间返回，并检查定时器链表，避免了多次中断的延迟问题，提高了实时性。
4 总结
本文对嵌入式Linux系统中的内核裁剪、实时化改造等关键技术进行了研究，并将原有的文件级内核裁剪改进为函数级内核裁剪，提高了系统的实时化水平。
参考文献：
[1]钟忻，嵌入式Linux系统开发中的关键技术的研究与实现[D].国防科技大学，2008.
[2]黄义文，Linux操作系统内核裁剪的分析[D].中国民航飞行学院学报，2010（5）.
[3]蒋习旺，嵌入式Linux的实时性研究与改进[J].哈尔滨工程大学，2009.