嵌入式Linux系統(tǒng)中的快速啟動(dòng)技術(shù)研究

　　嵌入式Linux系統(tǒng)主要特點(diǎn)在于使用Bootloader替代了桌面系統(tǒng)的BIOS，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)模上的裁剪，但硬件上的劣勢(shì)往往導(dǎo)致系統(tǒng)啟動(dòng)速度較慢，而嵌入式產(chǎn)品使用者又對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)機(jī)速度比較敏感，樣就產(chǎn)生了對(duì)于提高嵌入式Linux系統(tǒng)啟動(dòng)速度的需求。本文對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行哪些階段的操作，以及縮短這些操作時(shí)間的方法進(jìn)行了探討。

　　1 嵌入式Linux系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)序

　　目前，嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和應(yīng)用方向區(qū)別很大，但總體啟動(dòng)流程一致的。這里的系統(tǒng)啟動(dòng)是指從用戶執(zhí)行上電/復(fù)位操作，到系統(tǒng)開(kāi)始提供用戶可接收的服務(wù)水平所需要的過(guò)程。典型的上電/復(fù)位時(shí)序如表1所列。

　　表1 嵌入式Linux系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)序

　　2 Linux快速啟動(dòng)方法

　　目前，一些Linux的發(fā)行版本已經(jīng)對(duì)啟動(dòng)速度進(jìn)行了優(yōu)化。如果利用標(biāo)準(zhǔn)Linux進(jìn)行開(kāi)發(fā)，則啟動(dòng)速度的提高主要是通過(guò)內(nèi)核配置和各種補(bǔ)丁包來(lái)實(shí)現(xiàn)的。下面分析快速啟動(dòng)的一些關(guān)鍵技術(shù)。

　2.1 Firmware和Bootloader階段

　　目標(biāo)板一旦確定，F(xiàn)irmware運(yùn)行的時(shí)間就無(wú)法改變了，F(xiàn)lash和RAM的讀寫速度也就隨之確定了。但
如果復(fù)位時(shí)能夠繞過(guò)Firmware和Bootloader，即允許運(yùn)行中的內(nèi)核加載以及運(yùn)行另一個(gè)內(nèi)核，可以縮短啟動(dòng)的時(shí)間。典型的實(shí)現(xiàn)有Kexec，它有2個(gè)組件，即用戶空間組件kexectools和內(nèi)核補(bǔ)丁。另外一種辦法是在內(nèi)核命令行中加入reboot=soft數(shù)，同樣可以跳過(guò)Firmware，但是缺點(diǎn)在于無(wú)法從用戶空間調(diào)用。

　　對(duì)于正常啟動(dòng)，可以選擇速度比較快的Bootloader，并對(duì)內(nèi)核進(jìn)行小型化處理；還可以使用高速的映像復(fù)制技術(shù)（如DMA2RAM），從而縮短復(fù)制的時(shí)間。為了縮短解壓消耗的時(shí)間，可尋求比較高效的壓縮算法。但一般情況下，壓縮比越高，算法越復(fù)雜，解壓速度就越慢，從而造成復(fù)制時(shí)間（與壓縮比成反比）和解壓時(shí)間（一般與壓縮比成正比）之間的矛盾。

　　2.2 內(nèi)核階段

　　內(nèi)核初始化時(shí)要對(duì)RealTime Clock (RTC)進(jìn)行同步。此過(guò)程要占用1s的時(shí)間，可去掉以節(jié)約時(shí)間，但這樣CPU會(huì)與正確的時(shí)間有1s的偏差，如果關(guān)機(jī)時(shí)CPU時(shí)鐘又要保存在RTC中，偏差就會(huì)不斷累積。但對(duì)于使用外部時(shí)鐘源進(jìn)行同步的系統(tǒng)，則可安全地跳過(guò)這個(gè)階段。

　　Preset LPJ可以用來(lái)縮短每次啟動(dòng)時(shí)調(diào)用calibrate_delay()來(lái)校準(zhǔn)loops_per_jiffy消耗的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間開(kāi)銷與CPU頻率無(wú)關(guān)，在典型的嵌入式硬件環(huán)境下會(huì)消耗300ms左右。LPJ值對(duì)于固定硬件平臺(tái)應(yīng)該是一致的，可以只計(jì)算一次，在后續(xù)的啟動(dòng)中就可以在啟動(dòng)參數(shù)中強(qiáng)制指定LPJ值，而跳過(guò)實(shí)際的計(jì)算過(guò)程。具體方法是：在正常啟動(dòng)后記錄下內(nèi)核啟動(dòng)信息中的"Calibrating Delay"數(shù)值，在啟動(dòng)參數(shù)中以"lpj=xxxxxx"的形式強(qiáng)制指定。

　　啟動(dòng)過(guò)程默認(rèn)打開(kāi)控制臺(tái)輸出啟動(dòng)消息，但是控制臺(tái)尤其是基于幀緩沖的控制臺(tái)會(huì)減慢啟動(dòng)速度。因此在嵌入式Linux產(chǎn)品中，將啟動(dòng)過(guò)程中的控制臺(tái)設(shè)為靜默狀態(tài)，方法是在內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)中加入"quiet"。

　　設(shè)備搜索和驅(qū)動(dòng)安裝是比較耗時(shí)的操作，因此要在編譯內(nèi)核時(shí)確定需要安裝哪些驅(qū)動(dòng)模塊，以免系統(tǒng)搜索那些根本不存在的設(shè)備，尤其是多余的IDE設(shè)備。對(duì)于啟動(dòng)時(shí)暫時(shí)不用安裝的設(shè)備，盡量將驅(qū)動(dòng)編譯成模塊，在以后空閑時(shí)或者使用設(shè)備時(shí)加載，而不是全部放在啟動(dòng)階段。

　　2.3 用戶空間階段

　　傳統(tǒng)Linux的初始化腳本是由bash執(zhí)行的，在內(nèi)核引導(dǎo)后啟動(dòng)init進(jìn)程(/sbin/init)。它使用一個(gè)ASCII文件(/etc/inittab)來(lái)改變運(yùn)行級(jí)別，這個(gè)文件中又會(huì)調(diào)用RCSript，由RCSript查找/etc/rc.d/rc5.d/并啟動(dòng)相應(yīng)鏈接指向的系統(tǒng)服務(wù)。

　　消費(fèi)電子類Linux系統(tǒng)需要啟用圖形界面等必要的服務(wù)，未經(jīng)優(yōu)化的系統(tǒng)在這個(gè)過(guò)程中會(huì)默認(rèn)啟動(dòng)很多根本用不到或者當(dāng)前用不到的系統(tǒng)服務(wù)，這一部分會(huì)花去較大的時(shí)間開(kāi)銷。最簡(jiǎn)單的優(yōu)化辦法就是根據(jù)實(shí)際需要，通過(guò)改寫服務(wù)配置文件定制系統(tǒng)服務(wù)。另外，init腳本的執(zhí)行是串行的，在腳本量大時(shí)會(huì)導(dǎo)致引導(dǎo)過(guò)程非常，因此可以考慮并行運(yùn)行各種服務(wù)以加快啟動(dòng)的速度。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些初始化程序來(lái)替代init進(jìn)程，下面介紹initng和upstart。

　　initng（init nextgerneration）能夠并行啟動(dòng)服務(wù)從而快速完成初始化工作。initng認(rèn)為滿足了依賴關(guān)系的服務(wù)就可以啟動(dòng)。在從外存加載一個(gè)腳本或等待硬件設(shè)備啟動(dòng)的同時(shí)，可以運(yùn)行另一個(gè)腳本來(lái)啟動(dòng)別的服務(wù)，使系統(tǒng)在CPU 和 I/O 之間實(shí)現(xiàn)較好的平衡。作為一個(gè)基于依賴關(guān)系的解決方案，initng使用自己的初始化腳本集，它們對(duì)服務(wù)和守護(hù)進(jìn)程的依賴性進(jìn)行了編碼。如果某個(gè)服務(wù)依賴（使用 need關(guān)鍵字定義）于其他服務(wù)，則要保證啟動(dòng)時(shí)它所依賴的所有服務(wù)均可用。無(wú)依賴關(guān)系的服務(wù)立即并行啟動(dòng)，具有依賴關(guān)系的服務(wù)則要等待以安全啟動(dòng)。

　　upstart與 initng的區(qū)別在于： upstart基于事件，任務(wù)/服務(wù)的啟動(dòng)/停止都取決于它所等待的事件是否發(fā)生。upstart對(duì)事件的定義非常靈活，分為3類：edge (simple) events, level (value) events和temporal events。使用start/stop、事件名以及它所期待的值（可選）組成條目對(duì)觸發(fā)事件進(jìn)行描述。事件依賴有兩種辦法：一種是任務(wù)自身導(dǎo)致事件發(fā)生，不管任務(wù)何時(shí)啟動(dòng)/結(jié)束都會(huì)有事件發(fā)生，對(duì)于啟動(dòng)時(shí)要執(zhí)行的基本任務(wù)，這種辦法比較有效；而對(duì)于較復(fù)雜的依賴關(guān)系，則可使用任務(wù)的Shell腳本工具。

　　2.4 預(yù)讀取和預(yù)鏈接

　　預(yù)讀取(Readahead)可以將文件（程序和庫(kù)文件）在使用之前預(yù)先加載到RAM緩存中，這樣就不用在使用時(shí)為讀取這個(gè)文件而訪問(wèn)I/O。如果知道下一步操作要訪問(wèn)哪些文件，就可以提前將它們?nèi)?
/部分讀取到緩沖區(qū)，從而加快執(zhí)行速度。嵌入式系統(tǒng)很多場(chǎng)合下對(duì)于下一步操作都是可預(yù)測(cè)的，比如系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)總是以同樣的順序訪問(wèn)同樣的可執(zhí)行/數(shù)據(jù)文件，文件塊的訪問(wèn)往往是順序的，應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)總是訪問(wèn)同樣的程序文件段、共享庫(kù)、資源或者輸入文件。這樣使用預(yù)讀取有很強(qiáng)的針對(duì)性，從而提高程序執(zhí)行速度。

　　ELF(Excutable and Linkable File)是目前Linux中的標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制格式，其啟動(dòng)需要以下步驟：將共享庫(kù)映射到虛擬地址空間；解析符號(hào)引用；初始化每個(gè)ELF文件。由于共享庫(kù)是位置無(wú)關(guān)的，要在運(yùn)行時(shí)完成部分重定位處理和符號(hào)查找的工作，才能跳到程序的入口點(diǎn)，因此在帶來(lái)靈活性的同時(shí)，也造成ELF文件的啟動(dòng)速度緩慢，尤其是解析符號(hào)引用要消耗大量的時(shí)間，對(duì)于使用多個(gè)共享庫(kù)的大型程序更是如此。但在很多嵌入式系統(tǒng)中，可執(zhí)行文件和共享庫(kù)極少變化，而且每次程序運(yùn)行時(shí)鏈接工作完全相同。

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