嵌入式应用Linux裁减的初次尝试

前段时间因为嵌入式应用开发的需要，对Linux进行了一次大幅度的裁减。由于是初次接触Linux启动的核心部分，所以基本上还是对网上各种裁减方案的拼凑和整理，包含自己理解的部分实在很少。总的来说效果不算理想，后面还有很长的路要走。这里就大致说说目前这个Linux裁减方案的“雏形”吧。

1. 内核裁减

对Linux内核部分的裁减主要根据实际需求进行了重编译，去掉了大部分用不上的特性，以及实际硬件环境之外的设备驱动。这一过程没啥技术含量，就不细说了。

2. initrd改造

常规的Linux系统启动过程中，initrd仅仅充当一个临时的rootfs，在加载实际的rootfs后即被卸载或转移。出于精简的考虑，我将原rootfs并入了initrd，让它直接充当rootfs，以节省启动时间，并减小体积。（这个改造方案相对来说最简单，也足以满足实际需要）

改造的过程主要是基于原make install自动生成的initrd镜像之上，进行以下“手术”：

(1) 用BusyBox的linuxrc替代原initrd中的初始化脚本，并将原linuxrc脚本中有用得上的初始化任务都合并至etc/inittab中，以节省启动时间。

(2) 因为要充当rootfs，所以还需为initrd添加Linux启动及运行所必须的一些文件夹和文件（主要复制自原rootfs）：

/dev
tty3 - tty10 终端会话设备（Console登录使用）
ttyS0、ttyS1 串口终端设备（串口登录使用）
ptmx、pts 虚拟终端设备（远程登录使用）
/etc
fstab 加载设备的配置文件（后面详述）
gettydefs 仅保留Virtual Console一项
group 仅保留root对应的项
hostname 包含本机的主机名
inittab 初始化脚本（后面详述）
issue 包含本机的全程登录欢迎文字
passwd 仅保留root对应的项
shadow 仅保留root对应的项
termcap 仅保留用于本地console及远程登录的配置项
/etc/init.d
rcS 次级初始化脚本（后面详述）
/lib
libcrypt.so.1 登录认证（login）所需的库文件
/mnt
/proc
/sys
/tmp
/usr
/var

(3) 修改etc/fstab存储设备加载配置文件，只包含下面四行：

sysfs /sys sysfs defaults 0 0
proc /proc proc defaults 0 0
tmpfs /dev/shm tmpfs size=512m 0 0
devpts /dev/pts devpts defaults 0 0

由于实际硬件环境的内存比较大，所以给临时文件系统分配的内存上限比较充裕

(4) 创建etc/inittab初始化脚本。由于init模块采用了BusyBox的精简版本，而它采用的inittab文件格式较普通版本有一些区别，所以特别按照BusyBox的格式重新编写了。文件较大，下面仅列举其中的关键部分：

::sysinit:/bin/mount -a　加载etc/fstab中配置的所有存储设备
::sysinit:/bin/mkdir /dev/shm/var　在tmpfs中划分用作var的部分
::sysinit:/bin/mkdir /dev/shm/tmp　在tmpfs中划分用作tmp的部分
::sysinit:/bin/chmod 1777 /dev/shm/var　修改var为合适的权限
::sysinit:/bin/chmod 1777 /dev/shm/tmp　修改tmp为合适的权限
::sysinit:/bin/mount --bind /dev/shm/var /var　将/var绑定到tmpfs中
::sysinit:/bin/mount --bind /dev/shm/tmp /tmp　将/tmp绑定到tmpfs中

::sysinit:/bin/hostname -F /etc/hostname　从etc/hostname中读取并设置主机名
::sysinit:/sbin/ifconfig lo 127.0.0.1 up　配置IP环回界面
::sysinit:/sbin/telnetd　启动Telnet Daemon
::sysinit:/etc/init.d/rcS　调用次级初始化脚本（完成不能在inittab中进行的初始化任务）

::sysinit:/bin/mkdir /var/log　创建日志文件夹
::sysinit:/bin/touch /var/log/messages　创建日志文件
::respawn:/sbin/syslogd -n -m 30 -C　加载循环缓冲模式的系统日志daemon
::respawn:/sbin/klogd -n

::askfirst:/bin/login　在console创建登录进程
tty2::askfirst:/bin/login　在tty2-tty6上创建额外的登录进程
tty3::askfirst:/bin/login
...
ttyS0::respawn:/sbin/getty -L ttyS0 115200 vt100　在串口COM1上创建登录进程
tty10::respawn:/sbin/logread -f　将所有日志打印输出到tty10

(5) 创建etc/init.d/rcS次级初始化脚本，包含以下内容：

/bin/mount -o remount,rw /　将rootfs重新加载为可读可写方式

注：由于试验的方便，生成的initrd采用了Ext2文件系统。在实际应用中考虑换为CRAMFS（压缩ROM镜像文件系统），以进一步缩减镜像文件体积并提高读取效率。

3. Boot Loader修改

由于这个裁减方案仅仅使用了内核镜像及initrd，保持了与标准引导方式的高度兼容，因此适用于几乎任何Boot Loader。由于裁减实验中需要频繁替换内核和initrd镜像，因此使用了便于控制的GRUB，以提高实验效率。如果最终方案采取Flash作为镜像载体，则建议使用LILO，以提高兼容性并节省空间。
为了与本方案中以initrd作为rootfs保持一致，Boot Loader的配置文件中需要修改引导参数，指定“root=/dev/ram0”，无需其它额外的参数。

经过上述裁减，整个Linux的启动时间已经缩短到10s以内。内核+initrd的镜像大小也不足3M，基本达到了预期的目标。后续会针对启动的各个环节作进一步的分析和优化，以期进一步缩短启动时间。