Linux 启动优化

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启动流程

Linux 系统当前的启动流程如下：

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brom --> boot0 --> (monitor/secure os) --> uboot --> rootfs --> app

brom 固化在 IC 内部，芯片出厂后就无法更改。后续将从 boot0 开始分阶段介绍启动优化的方法。

对于某些方案，会存在 monitor 或 secure os，这两者耗时很短，略过。

下文涉及到一些配置文件，提前在此说明。

env 配置文件路径：

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sdk/device/config/chips/<chip>/configs/<board>/linux/env-<kernel-version>.cfg #优先级高
sdk/device/config/chips/<chip>/configs/default/env.cfg #优先级低
sdk/target/allwinner/<board>/configs/env-<kernel-version>.cfg #旧 SDK

sys_config.fex 路径：

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sdk/device/config/chips/<chip>/configs/<board>/sys_config.fex #新 SDK
sdk/target/allwinner/<board>/configs/sys_config.fex #旧 SDK

测量方法

printk time

打开 kernel 配置，使能如下选项：

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kernel hacking --->
    [*] Show timing information on printks

将会在内核的 log 前加入时间戳。

💡 注：此方法主要用来测量内核启动过程中各个阶段的耗时。

initcall_debug

修改 env 文件，在 kernel 的 cmdline 中加入参数，

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# 增加 initcall_debug 变量
initcall_debug=1
# 将 initcall_debug=${initcall_debug} 加入 setargs_xxx 中，如 setargs_nand， setargs_mmc，
setargs_nor， setatgs_nand_ubi 等，
setargs_nand=setenv bootargs console=${console} earlyprintk=${earlyprintk} root=${nand_root
} initcall_debug=${initcall_debug} init=${init}

开启之后，启动中会打印每个 initcall 函数调用及其耗时。

💡 注：此方法主要用来测量内核 initcall 的耗时。

一般需同时配置上内核符号表，即 kallsyms 选项，以打印函数名。

bootgraph

在内核源码中自带了一个工具 (scripts/bootgraph.pl) 可用于分析启动时间。

  • kernel 编译时需要包含 CONFIG_PRINTK_TIME 选项
  • 在 kernel cmdline 加上"initcall_debug=1"
  • 在系统启动完毕后执行"dmesg | perl $(Kernel_DIR)/scripts/bootgraph.pl > output.svg"
  • 使用 SVG 浏览器（比如 Inkscape， Gimp， Firefox 等）来查看输出文件 output.svg

💡 注：此方法主要用来测量内核启动过程中各个阶段的耗时。

bootchart

bootchart 是一个用于 linux 启动过程性能分析的开源软件工具，在系统启动过程自动收集 CPU 占用率、进程等信息，并以图形方式显示分析结果，可用作指导优化系统启动过程

  • 修改 kernel cmdline。修改 env 配置文件 （路径见上文说明），将其中的 init 修改为"init=/sbin/bootchartd”
  • 收集信息。 bootchartd 会从/proc/stat， /proc/diskstat， /proc/[pid]/stat 中采集信息，经过处理后保存为 bootchart.tgz 文件
  • 转换图片。在 PC 上通过 pybootchartgui.py 工具将 bootchart.tgz 转换为 bootchart.png，方便分析

💡 注：此方法主要用来测量挂载文件系统到主应用程序启动过程中的耗时。

gpio + 示波器

在适当的地方加入操作 gpio 的代码，通过示波器抓取波形得到各阶段耗时。

💡 注：此方法可用来测量整个启动中各阶段的耗时。

grabserial

Grabserial 是 Tim Bird 用 python 写的一个抓取串口的工具，这个工具能够为收到的每一行信息添加上时间戳。可从如下路径下载使用： https://github.com/tbird20d/grabserial

介绍文档： http://elinux.org/Grabserial

常见的用法：

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sudo grabserial -v -S -d /dev/ttyUSB0 -e 30 -t

如果要在某个字符串重置时间戳，可以使用-m 参数：

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sudo grabserial -v -S -d /dev/ttyUSB0 -e 30 -t -m "Starting kernel"
  • -v 显示参数等信息
  • -s 跳过对串口的检查
  • -d 指定串口，如上述为指定 /dev/ttyUSB0 为操作的串口
  • -e 参数指定时间，如上述命令表示抓取 30s 的串口记录
  • -t 表示加上时间戳
  • -m 匹配到指定字符串就重置时间戳的时间，也就是从 0 开始

更多配置可以使用 -h 参数查看帮助。

💡 注：此方法可用来测量整个启动中各阶段的耗时。

优化方法

💡 注：本节提供一些优化方法以供参考，并非所有都在 sdk 上集成，主要原因有：

  • 优化没有止境。需要根据目标来选择优化方法，综合考虑优化效果与优化难度
  • 优化需要具有针对性。由于各方案 CPU 个数及频率、 flash 类型及大小、 kernel/rootfs 压缩类型与尺寸、所需功能、主应用等的不同，需要针对性的进行优化

boot0 启动优化

boot0 运行在 SRAM，主要功能是对 DRAM 进行初始化，并将 uboot 加载至 DRAM。 对于安全方案来说， boot0 还会对 uboot、 monitor、 secure-os 等进行签名校验。

boot0 可优化的地方不多，可以做的是：

  • 关闭串口输出。
  • 减少检测按键和检测串口的等待时间。
  • 加载 uboot 的时候，不要先加载后搬运，直接加载到 uboot 的运行地址

对于 spinor 的方案，还可以直接从 boot0 启动，只需要在 boot0 中加载好 kernel 和 dtb，不需要经过 uboot ，然后直接跳转到 kernel 运行，可节省一定的时间。如果采用 boot0 启动 OS，则 boot0 读取数据量较大，其 flash 驱动也需要进行优化，如提高时钟，开启双线/四线/DMA/Cache 等。

uboot 启动优化

uboot 主要功能是引导内核、量产升级、电源管理、开机音乐/logo、 fastboot 刷机等。

  • 完全去掉 uboot：
    uboot 的包含很多重要功能，通常会保留。某些情况可以去掉，直接从 boot0 加载内核并启动，可节省一些时间

  • 避免 burnkey 的影响：
    对于启用了 burnkey 支持，且还没使用 DragonSN 工具将 key 烧录进去的板子，每次启动到 uboot 都会尝试跟 PC 端工具交互产生如下 log，带来延时

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    [1.334]usb burn from boot
    ...
    [1.400]usb prepare ok
    usb sof ok
    [1.662]usb probe ok
    [1.664]usb setup ok
    ...
    [4.698]do_burn_from_boot usb : have no handshake

    如果产品不需要 burnkey，可将 sys_config.fex 中的 [target] 下 burn_key 设置为 0。

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    [target]
    burn_key = 0

    或者使用 DragonSN 工具，烧录一次 key，并设置烧录标志，以使后续启动可跳过检测。

  • 提高 CPU 以及 flash 读取频率：
    可设置 sys_config.fex 中的 [target] 下 boot_clock 来修改 uboot 运行时 CPU 频率 （注：不能超过 SPEC 最大频率）

    对于 spinor/spinand，使用较高的时钟频率（一般是 100M），使用四线模式或者双线模式（看硬件是否支持），提高加载速度

  • 关闭串口输出
    可将 sys_config.fex 中的 [platform] 下 debug_mode 设置为 0 来关闭 uboot 和 boot0 串口输出。

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    [platform]
    debug_mode = 0

    配置此项后，如果还有少量输出，有两个可能的原因：

    • 第一是这些输出是在读取 sys_config.fex 禁止串口输出流程之前产生
    • 第二是因为源码中直接使用了 puts 而没有使用 printf

    对于这两者情况，需要修改源码来完全关闭串口输出。

  • 修改 kernel 加载位置：
    如果 uboot 将内核加载到 DRAM 的地址与内核中 load address 不匹配，就需要将内核移动到正确位置，这样会浪费一定的时间。因此，可以直接修改 uboot 加载内核为正确的地址。具体是修改 env 文件 （路径见上文） 的 boot_normal 与 boot_recovery 变量。需要根据不同的内核镜像格式来设置不同的值。

    假设 kernel 的 load address 为 0x40008000。如果使用的是 uImage，也就是在 kernel 的镜像前加了 64 字节，所以 uboot 应该将 kernel 加载到 0x40008000 - 0x40 = 0x40007fc0。

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    #uImage/raw
    boot_normal=sunxi_flash read 40007fc0 ${boot_partition};bootm 40007fc0
    boot_recovery=sunxi_flash read 40007fc0 recovery;bootm 40007fc0

    如果使用的是 boot.img，即 android 的 kernel 格式，其头部大小为 0x800，所以 uboot 应该将 kernel 加载 到 0x40008000 - 0x800 = 40007800。

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    #boot.img/raw
    boot_normal=sunxi_flash read 40007800 ${boot_partition};bootm 40007800
    boot_recovery=sunxi_flash read 40007800 recovery;bootm 40007800

    如果 uboot 加载 kernel 地址与 load address 不匹配， uboot 过程中串口输出可能会有：

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    Loading Kernel Image ... OK

    如果是匹配的， uboot 过程中串口输出可能会有：

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    XIP Kernel Image ... OK

  • 修改 kernel 加载大小：
    最新代码会根据 uImage/boot.img 的头部信息，只读取必要的大小，可忽略此优化项。 对于旧代码， uboot 在加载内核的时候，有些情况会直接将整个分区读取出来。

    就是说假如内核只有 2M，而分区分了 4M 的话， uboot 就会读取 4M。这种情况下，可以将分区大小设置得刚好容纳 下内核，这样可避免 uboot 在加载内核的时候浪费时间。

    可修改 sys_partition*.fex 中 boot 分区的大小。 uboot 具体读出多少，通常会有 log 信息，可同真正内核镜像的 size 进行比较。

  • 关闭 kernel 校验：
    uboot 加载了内核以后，默认会对内核进行校验，可以在串口输出中看到：

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    Verifying Checksum ... OK

    如果不想校验可以去掉，目前的情况是可以减少几十毫秒 （不同平台，不同内核大小，时间不同）的启动时间。

  • uboot 重定位：
    目前的启动过程中， uboot 在执行过程中会进行一次重定位，可以在串口中打印出这个值，然后修改 uboot 的加载地 址使得 boot0 将 uboot 加载进 DRAM 的时候就直接加载到这个地址。

    修改文件 sdk/lichee/brandy/u-boot/include/configs/sun_iw_p*.h 中的

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    #define CONFIG_SYS_TEXT_BASE (0x40900000)

    但这个方法有个弊端，如果后续修改了 uboot 的代码，则可能需要重新设置。

    目前这个操作耗时很少（某平台测得十几毫秒），不必要的话不建议做这个修改

  • 裁剪 uboot：
    即使流程没有简化， uboot 体积的减小也可减少加载 uboot 的时间。 依据具体情况，可对 uboot 不需要的功能的模块进行裁剪，避免了启动中执行不必要的流程，可减少 uboot 加载时间。

  • 开启 logo 及音乐：
    可尝试在 uboot 中开启开机 logo/音乐，尽快播出第一帧/声，提升用户体验。 此操作会延缓到达 OS/APP 的时间，但如果产品定义/用户体验是以第一帧/声为准的话，则有较大价值。

kernel 启动优化

通常来说，内核启动耗时较多，需要更深入的优化。

kernel 压缩方式

比较不同压缩方式的启动时间和 flash 占用情况，选择一种符合实际情况的。此处给出某次测试结果供参考。实际优化的时候，需要重新测试，根据实际情况选择。

压缩方式 内核大小（M） 加载时间（s） 解压时间（s） 总时间（s）
LZO 2.4 0.38 0.23 0.61
GZIP 1.9 0.35 0.44 0.79
XZ 1.5 0.25 2.17 2.42

加载位置

内核镜像可以由 kernel 自解压，也有 uboot 进行解压的情况。

对于 kernel 自解压的情况，如果压缩过的 kernel 与解压后的 kernel 地址冲突，则会先把自己复制到安全的地方，然后再解压，防止自我覆盖。这就需要耗费复制的时间。

比如对于运行地址为 0x80008000 的内核来说， bootloader 可以将其加载到 0x81008000，当然其他位置也可以。

内核裁剪

裁剪内核，带来的加速是两个方面的。一是体积变小，加载解压耗时减少；二是内核启动时初始化内容变少。

裁剪要根据产品的实际情况来，将不需要的功能及模块都去掉。具体是执行"make kernel_menuconfig"，关闭不需要的选项。

预设置 lpj 数值

LPJ 也就是 loops_per_jiffy，每次启动都会计算一次，但如果没有做修改的话，这个值每次启动算出来都是一样的，可以直接提供数值跳过计算。

如下 log 所示，有 skipped， lpj 由 timer 计算得来，不需要再校准 calibrate 了。

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[ 0.019918] Calibrating delay loop (skipped), value calculated using timer frequency..
48.00 BogoMIPS (lpj=240000)

如果没有 skipped，则可以在 cmdline 中添加 lpj=XXX 进行预设。

initcall 优化

在 cmdline 中设置 initcall_debug=1，即可打印跟踪所有内核初始化过程中调用 initcall 的顺序以及耗时。

具体修改 env 配置文件（路径见上文），新增一行"initcall_debug=1"，并在"setargs_*"后加入"initcall_debug=${initcall_debug}"，如下所示。

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setargs_nand=setenv bootargs console=${console} console=tty0 root=${nand_root} init=${init}
loglevel=${loglevel} partitions=${partitions} initcall_debug=${initcall_debug}

加入后，内核启动时就会有类似如下的打印，对于耗时较多的 initcall，可进行深入优化。

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[ 0.021772] initcall sunxi_pinctrl_init+0x0/0x44 returned 0 after 9765 usecs
[ 0.067694] initcall param_sysfs_init+0x0/0x198 returned 0 after 29296 usecs
[ 0.070240] initcall genhd_device_init+0x0/0x88 returned 0 after 9765 usecs
[ 0.080405] initcall init_scsi+0x0/0x90 returned 0 after 9765 usecs
[ 0.090384] initcall mmc_init+0x0/0x84 returned 0 after 9765 usecs

内核 initcall module 并行

内核 initcall 有很多级别，其中启动中最耗时的就是各 module 的 initcall，针对多核方案，可以考虑将 module initcall 并行执行来节省时间。

目前内核 do_initcalls 是一个一个按照顺序来执行，可以修改成新建内核线程来执行。

💡 注：当前 sdk 还未加入该优化。

减少 pty/tty 个数

加入 initcall 打印之后，部分平台发现 pty/tty init 耗时很多，可减少个数来缩短 init 时间。

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initcall pty_init+0x0/0x3c4 returned 0 after 239627 usecs
initcall chr_dev_init+0x0/0xdc returned 0 after 36581 usecs

内核 module

需要考虑启动速度的界定，对于内核 module 的优化主要有两点：

  • 对于必须要加载的模块，直接编译进内核
  • 对于不急需的功能，可以编译成模块

比如某个应用，会开启主界面联网，启动速度以出现主界面为准，那么可以考虑将 disp 编入内核， wifi 编译成模块，后续需要时再动态加载

Deferred Initcalls

介绍页面及 patch： http://elinux.org/Deferred_Initcalls

打上这个 patch 之后，可以标记一些 initcall 为 Deferred_Initcall。这些被标记的初始化函数，在系统启动的时候不会被调用

进入文件系统后，在合适的时间，比如启动主应用之后，再通过文件系统接口，启动这些推迟了的调用，彻底完成初始化。

rootfs 启动优化

rootfs 启动优化主要是优化 rootfs 的挂载到 init 进程执行。

initramfs

initramfs 是一个内存文件系统，会占用较多 DRAM。

部分产品可能会用到 initramfs 来过渡到 rootfs，其优化思路大体与 rootfs 类似。可参考本节后续的优化方案。

rootfs 类型以及压缩

存储介质、文件系统类型，压缩方式对 rootfs 挂载有很大影响。

此处给出某次测试结果供参考。实际优化的时候，需要重新测试，根据实际情况选择

类型 压缩 介质 总时间（s）
squashfs gzip emmc 0.12
squashfs xz emmc 0.27
squashfs xz nand 0.26
ext4 - emmc 0.12

rootfs 裁剪

文件系统越小，加载速度越快。裁剪的主要思路是：删换压，即删除没有用到的，用小的换大的，选择合适的压缩方式

指定文件系统类型

内核在挂载 rootfs 时，会有一个 try 文件系统类型的过程。可以在 cmdline 直接指定，节省时间。

具体是在 cmdline 中添加"rootfstype="，其中 type 为文件系统类型，如 ext4、 squashfs 等。

静态创建 dev 节点

对于 dev 下面的节点，事先根据实际情况创建好，而不是在系统启动后动态生成，理论上也可以节省一定的时间。

rootfs 拆分

可以将 rootfs 拆分成两个部分，一个小的文件系统先挂载执行，大的文件系统根据需要动态挂载

主应用程序启动优化

主应用程序主要是由客户开发，因此主导优化的还是客户，这里提一些优化措施：

  • 提升运行顺序。将应用程序放在 init 很前面执行
  • 动态/静态链接
  • 编译选项
  • 暂时不使用的库采用 dlopen 方式
  • 应用程序拆分

参考文献

[1] https://elinux.org/Boot_Time
[2] https://docs.blackfin.uclinux.org/doku.php?id=fast_boot_example
[3] https://github.com/tbird20d/grabserial
[4] http://www.bootchart.org
[5] A Framework for Optimization of the Boot Time on Embedded Linux Environment with Raspberry Pi Platform
《全志SDK文档》