嵌入式Linux系統(tǒng)中的快速啟動(dòng)技術(shù)分析

摘要 Linux在消費(fèi)電子類產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用，由于嵌入式用戶對于系統(tǒng)啟動(dòng)速度較為敏感，因此快速啟動(dòng)技術(shù)逐漸成為研究和應(yīng)用中的一個(gè)重點(diǎn)。本文通過對嵌入式 Linux的啟動(dòng)時(shí)序和主要延時(shí)因素的分析，針對性地探討了在各個(gè)啟動(dòng)階段降低時(shí)耗的技術(shù)，重點(diǎn)分析了XIP技術(shù)和XIP文件系統(tǒng)，并給出了主要的實(shí)現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞? Linux? 快速啟動(dòng)? XIP? Prelink? CRAMFS? AXFS

　　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)對系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)模上的裁剪，但硬件上的劣勢往往導(dǎo)致系統(tǒng)啟動(dòng)速度較慢，而嵌入式產(chǎn)品使用者又對系統(tǒng)的開機(jī)速度比較敏感，這樣就產(chǎn)生了對于提高嵌入式Linux系統(tǒng)啟動(dòng)速度的需求。本文對系統(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)流程是一致的。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)開始提供用戶可接收的服務(wù)水平所需要的過程。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)行開發(fā)，則啟動(dòng)速度的提高主要是通過內(nèi)核配置和各種補(bǔ)丁包來實(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參數(shù)，同樣可以跳過Firmware，但是缺點(diǎn)在于無法從用戶空間調(diào)用。

　　對于正常啟動(dòng)，可以選擇速度比較快的Bootloader，并對內(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RealTime Clock (RTC)進(jìn)行同步。此過程要占用1 s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1 s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)，則可安全地跳過這個(gè)階段。

　　Preset LPJ可以用來縮短每次啟動(dòng)時(shí)調(diào)用calibrate_delay()來校準(zhǔn)loops_per_jiffy消耗的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間開銷與CPU頻率無關(guān)，在典型的嵌入式硬件環(huán)境下會(huì)消耗300 ms左右。LPJ值對于固定硬件平臺(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，而跳過實(shí)際的計(jì)算過程。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“l(fā)pj=xxxxxx”的形式強(qiáng)制指定。

　　啟動(dòng)過程默認(rèn)打開控制臺(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)來改變運(yùn)行級別，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)間開銷。最簡單的優(yōu)化辦法就是根據(jù)實(shí)際需要，通過改寫服務(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)過程非常長，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?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些初始化程序來替代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I/O。如果知道下一步操作要訪問哪些文件，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)很多場合下對于下一步操作都是可預(yù)測的，比如系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)總是以同樣的順序訪問同樣的可執(zhí)行/數(shù)據(jù)文件，文件塊的訪問往往是順序的，應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)總是訪問同樣的程序文件段、共享庫、資源或者輸入文件。這樣使用預(yù)讀取有很強(qiáng)的針對性，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。由于共享庫是位置無關(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，對于使用多個(gè)共享庫的大型程序更是如此。但在很多嵌入式系統(tǒng)中，可執(zhí)行文件和共享庫極少變化，而且每次程序運(yùn)行時(shí)鏈接工作完全相同。

　　預(yù)鏈接(Prelink)利用這一點(diǎn)，修改ELF共享庫和二進(jìn)制文件，將鏈接信息加入到可執(zhí)行文件中以簡化動(dòng)態(tài)鏈接重定位，從而使程序啟動(dòng)加快。預(yù)鏈接首先搜集要預(yù)鏈接的ELF二進(jìn)制文件及其所依賴的共享庫，為每個(gè)庫分配唯一的虛擬空間位置，并將共享庫重新鏈接到這個(gè)基準(zhǔn)位置（動(dòng)態(tài)鏈接器要加載這個(gè)庫時(shí)，只要虛擬空間地址未被占用，它就會(huì)將庫映射到指定位置）；然后預(yù)鏈接解析二進(jìn)制或者庫中的所有重定位，并將重定位信息存放到ELF對象，還要將所有依賴庫的列表及校驗(yàn)和添加到二進(jìn)制文件或庫中。對于二進(jìn)制文件，還需列出所有的沖突（在共享庫的自然搜索范圍內(nèi)對符號(hào)的解析不相同）。在運(yùn)行時(shí)，動(dòng)態(tài)鏈接器先檢查是否所有依賴的庫都已經(jīng)映射到指定的位置，而且?guī)煳募]有變化，只考慮沖突而不用處理每個(gè)庫的重定位，這樣大大提高了程序啟動(dòng)的速度。使用時(shí)要注意的是，若共享庫發(fā)生了改變，則使用它的所有程序都要重新鏈接，否則程序仍要進(jìn)行耗時(shí)的正常重定位。

3? XIP和文件系統(tǒng)優(yōu)化

3.1? 代碼執(zhí)行方式

　　嵌入式系統(tǒng)中代碼的執(zhí)行方式主要有3種：

① ?完全映射（fully shadowed）。嵌入式系統(tǒng)程序運(yùn)行時(shí)，將所有的代碼從非易失存儲(chǔ)器（Flash、ROM等）復(fù)制到RAM中運(yùn)行。
② ?按需分頁（demand paging）。只復(fù)制部分代碼到RAM中。這種方法對RAM中的頁進(jìn)行導(dǎo)入/導(dǎo)出管理，如果訪問位于虛存中但不在物理RAM中會(huì)產(chǎn)生頁錯(cuò)誤，這時(shí)才將代碼和數(shù)據(jù)映射到RAM中。
③ ?eXecute In Place (XIP)。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，不將代碼復(fù)制到RAM，而是直接在非易失性存儲(chǔ)位置執(zhí)行。RAM中只存放需要不斷變化的數(shù)據(jù)部分，如圖1所示。如果非易失性存儲(chǔ)器的讀取速度與RAM相近，則XIP可以節(jié)省復(fù)制和解壓的時(shí)間。NOR Flash和ROM的讀取速度比較快（約100 ns），適合XIP；而NAND Flash的讀操作是基于扇區(qū)的，速度相對很慢(μs級)，因此不宜實(shí)現(xiàn)XIP。

圖1? 完全映射和XIP的比較

　　XIP可以分為以下2種：

①? 內(nèi)核XIP。直接在Flash/ROM中運(yùn)行內(nèi)核，可以節(jié)省復(fù)制和映像解壓的時(shí)間。Linux 2.6.10內(nèi)核已經(jīng)包含了XIP支持。
② ?應(yīng)用程序XIP。直接從應(yīng)用程序代碼的存儲(chǔ)位置執(zhí)行，而不用將它加載到RAM中，這樣應(yīng)用程序的第一次執(zhí)行速度會(huì)比較快。要使用應(yīng)用程序XIP，應(yīng)該基于支持它的文件系統(tǒng)。

3.2? XIP文件系統(tǒng)

　　目前XIP文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要有2種： Linear XIP CRAMFS和Advanced XIP File System(AXFS)。

　　CRAMFS是一個(gè)壓縮的只讀文件系統(tǒng)，本來用于桌面Linux系統(tǒng)的啟動(dòng)，但CRAMFS經(jīng)過修改后可以支持嵌入式系統(tǒng)并支持XIP。Linear XIP CRAMFS用一個(gè)sticky bit對它管理的文件進(jìn)行區(qū)分，標(biāo)記為壓縮（按需分頁）或者未壓縮（XIP）。如果文件標(biāo)記為XIP，則所有頁都不壓縮，而且要在Flash中連續(xù)存儲(chǔ)。在加載XIP文件時(shí)，直接對所有頁地址進(jìn)行映射；而按需分頁的文件則在發(fā)生頁錯(cuò)誤時(shí)，將相應(yīng)頁解壓到RAM中。

　　要?jiǎng)?chuàng)建Linear XIP CRAMFS文件系統(tǒng)映像，必須確定可執(zhí)行文件和庫文件的使用頻率，頻繁使用的文件適合于XIP，而其他文件應(yīng)該進(jìn)行壓縮?，F(xiàn)在有一些工具（如RAMUST和CFSST）可以幫助判斷哪些文件需要XIP，而哪些不需要。下面就可以給XIP文件加上標(biāo)記并制作根文件系統(tǒng)，以使用mkfs.cramfs工具為例：

　　chmod +t filenames
　　mkfs.cramfs–x rootfs rootfs.bin

　　另外，還要修改內(nèi)核配置參數(shù)以支持XIP：在啟動(dòng)選項(xiàng)中向默認(rèn)內(nèi)核命令字符串中加入rootfstype=cramfs，選擇內(nèi)核XIP并設(shè)置XIP內(nèi)核物理地址；在驅(qū)動(dòng)程序中加入MTD對XIP的支持；在文件系統(tǒng)中加入對Linear XIP CRAMFS的支持。接下來就可以生成XIP映像了。

　　Linear XIP CRAMFS的一個(gè)缺陷在于它是基于文件的，即一個(gè)文件中的所有頁要么全部采用XIP，要么全部采用壓縮/按需分頁，但事實(shí)上同一文件中不同頁的使用頻率區(qū)別也很大。AXFS是Intel公司開發(fā)的一個(gè)新的只讀文件系統(tǒng)，它從Linear XIP CRAMFS中繼承了許多方法，同時(shí)也進(jìn)行了一些改進(jìn)。AXFS的XIP粒度是基于頁的，并且自帶工具來判斷哪些頁需要XIP，哪些頁需要壓縮，從而更好地在速度和RAM/Flash的使用上取得平衡。

3.3? 非XIP文件系統(tǒng)

　　XIP一般基于NOR Flash，成本相對較高。對于用戶數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用，往往還要使用基于NAND Flash的，非XIP的文件系統(tǒng)常用的有JFFS2/YAFFS。

　　JFFS2是一種基于壓縮的文件系統(tǒng)。在多媒體應(yīng)用中，如果圖片、音視頻已經(jīng)經(jīng)過壓縮，則使用JFFS2無疑會(huì)給CPU帶來雙重的壓縮/解壓負(fù)擔(dān)，訪問速度也會(huì)受到影響。因此，在這類應(yīng)用比較密集的應(yīng)用中，采用不壓縮的文件系統(tǒng)（如YAFFS/YAFFS2）可以加快系統(tǒng)速度。

　　YAFFS/YAFFS2是專為嵌入式系統(tǒng)使用NAND Flash設(shè)計(jì)的日志文件系統(tǒng)。與JFFS2相比，減少了一些功能(例如不支持?jǐn)?shù)據(jù)壓縮)，所以速度更快，掛載時(shí)間很短，對內(nèi)存的占用較小。YAFFS/YAFFS2自帶NAND芯片的驅(qū)動(dòng)，用戶可以不使用MTD和VFS,直接對文件系統(tǒng)操作。YAFFS與YAFFS2的主要區(qū)別在于： 前者僅支持小頁(512字節(jié)) NAND Flash；后者則可支持大頁(2 KB) NAND Flash，同時(shí)在內(nèi)存使用、垃圾回收、訪問速度等方面有所改進(jìn)。

結(jié)語

　　快速啟動(dòng)對于嵌入式Linux系統(tǒng)是比較迫切的要求之一。本文通過分析嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)過程和關(guān)鍵時(shí)延因素，提出了相應(yīng)的解決辦法，并對XIP文件系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。由于啟動(dòng)速度非常依賴于硬件平臺(tái)，而且有的方法互相排斥，因此在具體應(yīng)用時(shí)需要綜合考慮和選擇。

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周全成（碩士研究生），主要研究方向?yàn)榍度胧綉?yīng)用和通信技術(shù)；鄭延召（碩士研究生），主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。

（收稿日期：2007-10-08）