固件尺寸优化
前言
使用 RT-Thread-Studio 进行工程构建时，为了实现业务需求，我们常常会增加驱动文件、组件或者软件包等等，并且在调试代码时也可能需要使能调试相关的功能（例如打开 ulog 功能 ）或者自行打印一些调试的信息。因此，我们会编译得到一个稍微冗余的固件。对于 MCU 的 Flash 比较紧张时，我们需要考虑代码体积的优化，使其尽量精简，这样的代码在之后的迭代开发中才可以实现小而美的目标。
下面是几个可以去考虑的优化的方向：
- 裁剪
- 选择合适的优化等级
- 开启 newlib-nano 选项
- 使用 Map File 分析工具
- readelf 命令分析 ELF 文件
- 更换 libc 库
- 更换同类型 Flash 较大的硬件平台
需要注意的是，并不是所有的优化都是行之有效的，如果收效甚微的优化却造成了系统性能的大幅衰减，这是非常不可取的，所以优化的时候要认真分析，综合考虑，不可能一蹴而就。
1. 裁剪
裁剪是优先需要考虑的方向，这种方式操作简单，也最为见效。
以下是基于 stm32l475-atk-pandora BSP 进行裁剪的例子，该示例使用 RT-Thread 4.0.3 版本，优化等级 -O0。
MCU：STM32L475VET6，512KB FLASH ，128KB RAM
在做了一系列配置之后（模拟项目工程），该 BSP 现已有资源为：
- 内核：信号量、互斥量、事件集、邮箱、消息队列；main 线程、tshell 线程、idle 线程
- 组件：文件系统（fatfs）、Finsh 组件、UART 框架、GPIO 框架、SFUD 组件、QSPI 框架
- 外设驱动：片上 UART、GPIO、QSPI、板上 QSPI FLASH、NRF24L01、LCD、PWM、ADC等
其中关系为：
- main 中的 led 闪烁：PIN 驱动、PIN 框架
- FinSH 控制台：使用 UART 驱动、UART 框架、FinSH 组件
- 文件系统（板上 QSPI FLASH）：使用 QSPI 驱动、QSPI 框架、文件系统组件 Fatfs、FAL 软件包
- Ulog：ulog 组件
- 其他硬件板载设备驱动：LCD、TIMER、PWM、ADC、RTC、Audio
利用 RT-Thread Setting 的图形界面，我们可以比较直观的看到使能了哪些软件包、驱动和组件。 
当前系统体积大小如下所示：
text data bss dec hex filename
260932 1648 5388 267968 416c0 rtthread.elf
Used Size(B) Used Size(KB)
Flash: 262580 B 256.43 KB
RAM: 7036 B 6.87 KB可以看到当前系统体积大小 256KB，下面对该BSP进行裁剪，打开工程的 RT-Thread Settings 配置界面：
裁剪 Ulog 组件（-3.8KB）
去除异步日志功能后
text data bss dec hex filename
257000 1648 5120 263768 40658 rtthread.elf
Used Size(B) Used Size(KB)
Flash: 258648 B 252.59 KB
RAM: 6768 B 6.61 KB裁剪文件系统及 Flash 设备（-83.2KB)
由于系统使能了 FAL 软件包，如下图
关闭 QSPI Flash 设备，在Hardware选项中，将已经适配好的 QSPI FLASH相关设备除能。
由于系统不再使用 QSPI 设备，那么相对应的 QSPI设备驱动框架，也是可以取消掉的。这点在裁剪系统时候很重要，因为我们开发中经常 使能/除能 一些总线上的设备，却常常忘记关 总线/设备驱动框架 造成系统体积上的损耗。
最后将虚拟文件系统 DFS 关闭。
text data bss dec hex filename
172148 1308 3556 177012 2b374 rtthread.elf
Used Size(B) Used Size(KB)
Flash: 173456 B 169.39 KB
RAM: 4864 B 4.75 KB裁剪外设驱动（-101.8KB）
关闭 LCD、Audio 设备（由于SPI无其他设备挂载，因为可以裁剪掉SPI BUS）( -75KB)
text data bss dec hex filename
95204 1260 2864 99328 18400 rtthread.elf
Used Size(B) Used Size(KB)
Flash: 96464 B 94.20 KB
RAM: 4124 B 4.03 KB裁剪掉 TIMER、PWM、ADC、RTC 外设驱动 (-26.6KB)
text data bss dec hex filename
68856 384 2524 71764 11854 rtthread.elf
Used Size(B) Used Size(KB)
Flash: 69240 B 67.62 KB
RAM: 2908 B 2.84 KB裁剪 FinSH（-13K）
text data bss dec hex filename
55500 384 2240 58124 e30c rtthread.elf
Used Size(B) Used Size(KB)
Flash: 55884 B 54.57 KB
RAM: 2624 B 2.56 KB裁剪内核 IPC（体积几乎不变）
关闭事件集、邮箱、消息队列
text data bss dec hex filename
54888 336 2232 57456 e070 rtthread.elf
Used Size(B) Used Size(KB)
Flash: 55224 B 53.93 KB
RAM: 2568 B 2.51 KB检查 RT-Thread Setting 和 rtconfig.h 配置文件
经过以上的裁剪步骤，差不多裁剪了十之八九了，接下来就要检查还有什么地方在裁剪的过程中被忽略了，然后再按照上面的步骤做深入的裁剪，在此不再一一演示，仅作展示说明为主。
打开 RT-Thread Setting 图形化界面如下图所示：
可以看到目前系统有使用到 libc 组件、Serial 驱动、Pin 设备驱动、Soft I2C 驱动。例如现在除能 libc 组件，直接单击 libc 按钮去除使能即可。
另外，我们也可以根据 rtconfig.h 文件查看各个宏定义信息，避免遗漏。下面是 rtcopnfig.h 的部分配置信息。
#ifndef RT_CONFIG_H__
#define RT_CONFIG_H__
/* Generated by Kconfiglib (https://github.com/ulfalizer/Kconfiglib) */
/* RT-Thread Kernel */
#define RT_NAME_MAX 8
#define RT_ALIGN_SIZE 4
#define RT_THREAD_PRIORITY_32
#define RT_THREAD_PRIORITY_MAX 32
#define RT_TICK_PER_SECOND 1000
#define RT_USING_OVERFLOW_CHECK
#define RT_USING_HOOK
#define RT_USING_IDLE_HOOK
#define RT_IDLE_HOOK_LIST_SIZE 4
#define IDLE_THREAD_STACK_SIZE 256
#define RT_DEBUG //DEBUG相关还可以再优化掉
#define RT_DEBUG_COLOR //DEBUG相关还可以再优化掉
/* Inter-Thread communication */
#define RT_USING_SEMAPHORE
#define RT_USING_MUTEX
/* end of Inter-Thread communication */
/* Memory Management */
#define RT_USING_MEMPOOL //内存池还可以再优化掉
#define RT_USING_SMALL_MEM
#define RT_USING_HEAP
/* end of Memory Management */
/* Kernel Device Object */
#define RT_USING_DEVICE
#define RT_USING_CONSOLE
#define RT_CONSOLEBUF_SIZE 256
#define RT_CONSOLE_DEVICE_NAME "uart1"
/* end of Kernel Device Object */
#define RT_VER_NUM 0x40003
/* end of RT-Thread Kernel */
#define ARCH_ARM
#define RT_USING_CPU_FFS
#define ARCH_ARM_CORTEX_M
#define ARCH_ARM_CORTEX_M4
#endif2.选择合适的优化等级
RT-Thread-Studio 使用的是 GCC 编译器，GCC 编译器对代码的编译优化有一系列的配置项，大体分为五个优化等级：-O0、-O1、-O2、-O3 和 -Os。
-O0：关闭所有优化选项，是 GCC 默认的等级，目的是让编译器减少编译时间并使调试产生预期的结果。在 RT-Thread-Studio 中，默认也是配置的该选项，如果编译的代码尺寸较大，我们建议更换优化等级（一般我们会选择 O2 等级）。
-O1：这是最基本的优化等级。编译器会在不花费太多编译时间的同时试图生成更快更小的代码。这些优化是非常基础的，但一般这些任务肯定能顺利完成。
-O2：O1 的进阶。这是推荐的优化等级，除非你有特殊的需求。O2 会比 O1 启用更多的优化选项。当设置了 O2 等级后，编译器会试图增加编译的时间和提升生成代码的性能（我们一般选用此优化等级完成编译任务）。
-O3：这是最高的优化等级，O3 开启了 O2 指定的所有优化，并启用了更多的优化选项。例如构建用于保存变量的伪寄存器网络（使得调试更加困难）、优化循环执行过程等。开启 O3 优化不一定会减少代码尺寸，有可能会为了减少代码执行时间反而增加代码体积。一般我们不使用此优化等级。
-Os：该这个等级用来优化代码尺寸。其中启用了 O2 中不增加目标文件大小的优化选项。这对于磁盘空间极其紧张或者 CPU 缓存较小的机器非常有用。一般使用 O2 等级之后发现生成的目标文件尺寸偏大，可以尝试使用 Os 等级进一步的优化。下表是GCC 优化等级列表。
gcc -O option flag
Set the compiler's optimization level.
| option | optimization level | execution time | code size | memory usage | compile time |
|---|---|---|---|---|---|
| -O0 | optimization for compilation time (default) | + | + | - | - |
| -O1 or -O | optimization for code size and execution time | - | - | + | + |
| -O2 | optimization more for code size and execution time | -- | + | ++ | |
| -O3 | optimization more for code size and execution time | --- | + | +++ | |
| -Os | optimization for code size | -- | ++ | ||
| -Ofast | O3 with fast none accurate math calculations | --- | + | +++ |
+increase ++increase more +++increase even more -reduce --reduce more ---reduce even more
RT-Thread-Studio 默认选择的是 -O0（关闭所有优化）等级，按照上一章节，系统最后的裁剪的尺寸为 53.93KB，下面开启 O2 优化等级，代码尺寸缩小为 38.14 KB：
text data bss dec hex filename
38724 336 2232 41292 a14c rtthread.elf
Used Size(B) Used Size(KB)
Flash: 39060 B 38.14 KB
RAM: 2568 B 2.51 KB下面开启 -Os 优化等级，代码尺寸缩小为 34.64 KB：
text data bss dec hex filename
35140 336 2232 37708 934c rtthread.elf
Used Size(B) Used Size(KB)
Flash: 35476 B 34.64 KB
RAM: 2568 B 2.51 KB3.开启 newlib-nano 选项
RT-Thread-Studio 默认使用的 libc库（newlib库），提供了 printf、scanf 等很多标准库函数，但是这些库函数相对都比较大（在嵌入式平台上），而且很可能一些复杂的功能，我们在项目中并没有使用到，这样会造成代码体积的增大。
因此 newlib 提供了一个精简功能的版本，将一些标准库函数进行简化，仅仅实现一些简单常用的功能，这样便可以使得编译的代码轻量化，更适合嵌入式平台使用。（但是如果我们使用了标准库的一些复杂的功能，而 newlib-nano 并没有完备的实现这些功能，那么可能会造成一些意外的运行结果，我们在使用时要注意这些。）
如下图所示，我们在RT-Thread-Studio 中便可以开启该选项。
另外，开启 newlib-nano 时，对于 printf 和 scanf 等的使用是默认不带浮点运算的，如果使用浮点的话，则需要开启对应选项，如上图中 Use float with nano printf 和 Use float with nano scanf 选项框。
4.对 Map File 进行分析优化(使用 Amap.exe 工具)
在进行裁剪之后，我们还可以使用 Amap.exe 工具(( map 文件分析工具)[http://www.sikorskiy.net/prj/amap/])
使用该工具只是辅助性的分析函数调用所占字段大小，从而针对各个组件和函数进行优化裁剪等。
5.使用 readelf 命令分析 ELF文件
与 Amap 工具类似，我们也可以使用 readelf 命令分析系统生成的 elf 文件。详细命令介绍见 readelf - Linux man page，或者直接 readelf --help查看用法。
使用 readelf -all rtthread.elf 可以查看 elf 的所有信息。
依据生成的符号表 ( Symbol table ) ，可以看到生成的字段信息，例如类型为 GLOBAL 代表全局符号，OBJECT 代表数据对象，比如变量数组，FUNC 代表函数等等。我们可以利用这些这些信息，分析具体的段对应的大小。
6.如有必要，可以更换 libc 库
目前 RT-Thread-Studio 默认使用的是 newlib库，也有 minilibc 库支持，这个主要是提供给 gcc 编译器的，minilibc 可以不需要再链接 GCC 自带的 libc 库。newlib 则是用于链接到 GCC 自带的 libc 库。newlib 提供的底层c库接口相对 minilibc 库更全面，而 minilibc 库在实现上可以使得代码体积更小。
如果我们项目上需要用到 C 库时，可以按照具体需求选择更换 C 库，甚至有能力的开发者可以自行设计优化 C 库代码使得编译尺寸减小的同时，又不会造成性能上的损失。
7.更换同类型 Flash 较大的硬件平台
最后还要提一点的是，当系统经过优化后仍然无法满足需求，如果有必要的话，建议更换成同类型 Flash 较大的硬件平台，这样可以在软件和硬件完全不需要修改的情况下完成项目功能，达到预期目标。