盡可能快的啟動系統(tǒng)，對于自動化設(shè)備是非常重要的。系統(tǒng)能夠在用戶無法感知的時間內(nèi)啟動，也就意味著在不需要工作時，可以完全切斷電源，而不是掛起進入休眠狀態(tài)。本文基于Atmel AT91系列片上系統(tǒng)和NAND閃存，經(jīng)過一系列的優(yōu)化，將Linux系統(tǒng)啟動時間，從最初的11秒，降低到最終的656毫秒。
背景知識
系統(tǒng)從上電到完全啟動，需要經(jīng)過許多過程。一個簡化的啟動流程大概包含：
• 硬件重置
• 啟動引導程序(bootloader)
• 操作系統(tǒng)初始化
• 應用程序執(zhí)行
其中硬件非常關(guān)鍵，但是硬件一般難以更改。后續(xù)的優(yōu)化，主要針對引導程序、Linux內(nèi)核和應用程序展開。
引導程序優(yōu)化
引導程序主要完成對CPU的基礎(chǔ)設(shè)置，處理ARM標記(ATAGS，ARM TAGS)或設(shè)備樹(device trees)，切換存儲管理單元(MMU，Memory Management Unit)等工作。
對于U-Boot，常用的優(yōu)化方式有：
• 刪除不不要的功能：如網(wǎng)絡(luò)加載等，如果不需要，那么直接移除這些代碼吧
• 關(guān)閉不需要的功能
• 關(guān)閉內(nèi)核鏡像驗證
• 關(guān)閉引導程序輸出
• 關(guān)閉啟動延遲
將通用功能的引導程序修改成一個優(yōu)化后的初始程序加載器(Initial Program Loader，IPL)，對于U-Boot，可以通過SPL(Second Program Loader，第二階段程序加載器)來實現(xiàn)。
內(nèi)核優(yōu)化
Linux內(nèi)核被設(shè)計的非常靈活，可以針對需要的功能做各種配置優(yōu)化。因此，優(yōu)化內(nèi)核對于系統(tǒng)啟動速度是至關(guān)重要的。
首先，移除一切不要的驅(qū)動，盡可能的減少內(nèi)核加載的內(nèi)容，能夠大大縮短系統(tǒng)啟動時間。其次，還有很多內(nèi)核選擇可能需要進一步嘗試，比如內(nèi)核壓縮方式，對于嵌入式系統(tǒng)來說，LZO壓縮方式，通常會是一個不錯的選擇。最后，還可以通過定制一些啟動參數(shù)，達到加快啟動的目的。例如可以通過“lpj=”參數(shù)，預設(shè)每個循環(huán)需要的節(jié)拍數(shù)(loops per jiffy，lpj)的值，避免系統(tǒng)在啟動時自動推算。這樣在基于ARMv5的系統(tǒng)中，可以節(jié)省100ms以上的時間。
對于內(nèi)核啟動的優(yōu)化，可以通過bootgraph.pl腳本(位于內(nèi)核源碼的 script/bootgraph.pl)來繪制內(nèi)核啟動耗時圖表，用以分析啟動最耗時的地方。這個腳本使用非常簡單，直接將dmesg的輸出作為其輸入，即可生成svg圖表：
dmesg perl scripts/bootgraph.pl > output.svg
生成的圖表如下圖：
圖中每一個色段表示一個功能的初始化耗時?？梢院唵蔚年P(guān)閉不需要的功能，或者針對功能進行特定的優(yōu)化。
除了內(nèi)核本身之外，內(nèi)核所在的文件系統(tǒng)也對系統(tǒng)啟動有著非常大的影響。對于使用閃存芯片作為存儲的系統(tǒng)來說，UbiFS 是一個很好的選擇。它能夠容忍意外斷電，有著出色的掛載速度，以確保系統(tǒng)快速啟動。
應用程序優(yōu)化
內(nèi)核完成系統(tǒng)啟動之后，接來下就是執(zhí)行應用程序。對于應用程序的優(yōu)化，主要有兩部分，一部分是由應用程序來接管啟動的INIT進程，另一部分是優(yōu)化應用程序的鏈接方式。
標準的SystemV INIT程序，需要執(zhí)行一堆啟動腳本。對于嵌入式系統(tǒng)來說，大部分是沒有意義的。另一部分(比如掛載文件系統(tǒng))，可以由應用程序自己來實現(xiàn)。然后，可以在內(nèi)核啟動參數(shù)中通過“init=”參數(shù)，將INIT進程直接指定為應用程序。
應用依賴的動態(tài)鏈接庫，會按照以下順序查找：
• LD_PRELOAD環(huán)境變量指定的路徑(一般對應文件/etc/ld.so.preload);
• ELF .dynamic節(jié)中DT_RPATH入口指定的路徑，若DT_RUNPATH入口不存在的話;
• 環(huán)境變量LD_LIBRARY_PATH指定的路徑，但如果可執(zhí)行文件有setuid/setgid權(quán)限，則忽略這個路徑;編譯時指定–library-path會覆蓋這個路徑;
• ELF .dynamic節(jié)中DT_RUNPATH入口指定的路徑;
• ldconfig緩存中的路徑(一般對應/etc/ld.so.cache文件)，若編譯時使用了-z nodeflib的鏈接選項，則此步跳過;
• /lib，然后/usr/lib路徑，若使用了-z nodeflib鏈接選項，則此步亦跳過;
因此，盡可能的將應用程序依賴的動態(tài)鏈接庫放到優(yōu)先查找的路徑，可以加快鏈接速度。對于交叉編譯環(huán)境特別需要注意，主機上的動態(tài)鏈接庫位置和目標系統(tǒng)上的位置可能不一致，這會增加應用程序執(zhí)行時動態(tài)鏈接庫的加載時間。
總結(jié)
基于上面提到的三個優(yōu)化點，可以將系統(tǒng)的啟動時間，從最初的11s降低到656ms(數(shù)據(jù)參考Jan Altenberg在都柏林舉行的嵌入式Linux會議上的演講稿)。從硬件到引導程序再到內(nèi)核最后到應用程序，每個啟動步驟都有自己可優(yōu)化的地方，經(jīng)過一些簡單的優(yōu)化，就可以減少系統(tǒng)的啟動時間。
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