ARM平臺嵌入式Linux下有些應用對系統啟動時間有著特殊的要求。在很多場合下，這些系統並不需要針對所有任務立即就位，但是針對某些關鍵任務（例如接收乙太網命令或者顯示使用者介面）則必須能夠應對。該博文將提供一些方法和簡單的步驟，基於Toradex Colibri i.MX6ARM系統模組上優化啟動時間。

提示：文中涉及到的部分方法需要重新編譯 U-boot、核心以及檔案系統。請參考文末所附Toradex開發者中心網站上的相關文章。

在我們開始動手優化之前， 我們需要一個合適的方法來測量啟動時間。如果想要十分精準地測量啟動時間，這甚至需要牽涉到硬體（例如 GPIO 和示波器）。在絕大多數場合下，通過監控系統串列埠控制檯輸出已經是相當準確了。Tim Bird 的 grabserial是一個廣泛使用的工具，可以用於檢視串列埠控制檯輸出的時間資訊。這個工具能夠為收到的每一行資訊新增上時間戳，如下面所示：

[email protected]:~/software/grabserial-1.8.1$ sudo ./grabserial -d /dev/ttyUSB0 -t

[0.000003 0.000003]

[0.267171 0.267168]

[0.267267 0.000096] U-Boot 2015.04 (Dec 15 2015 - 16:07:42)

[0.271167 0.003900]

[0.271261 0.000094] CPU: Freescale i.MX6DL rev1.1 at 792 MHz

[0.275565 0.004304] Reset cause: POR

[0.277501 0.001936] I2C: ready

[0.278540 0.001039] DRAM: 512 MiB

……

第一列數字代表時間戳（從收到第一個字元算起），第二行代表的是收到當前一行和上一行資訊之間的時間間隔。

Linux 系統的啟動，主要可以分為以下 3 個階段，文章將逐一討論。

- Boot loader

- Linux kernel

- User space (init system)

Boot loader

實際上在 boot loader 啟動之前，還有兩個步驟：硬體初始化和 boot ROM。硬體初始化需要滿足電源上電順序以及匯流排和處理器晶片復位時序要求。這個階段的耗時一般是固定的，在 10 ～ 200 ms。

圖 1 boot ROM 啟動時間

圖1 中，黃色訊號是核心板 VCC，藍色訊號是串列埠輸出 TX。從核心板上電到串列埠輸出第一個字元之間的時間大約為 102ms。這個就是 Colibri I.MX6D 的 硬體初始化和 boot ROM 執行的時間。由於這部分程式碼是固化在SoC 上面，所以使用者一般無法對其進行優化。

ARM 處理器從位於內部的 ROM 上啟動韌體。該韌體從啟動介質上載入 boot loader。該階段的時間一般很短，取決於 boot loader 的大小。除了減小 boot loader 體積，很難做其他的優化。實際上能夠做的優化和調整還是在 boot loader （U-Boot）。

目前釋出的 V2.5 Beta 3 版本，從第一個字元輸出到核心啟動的時間約為 1.7 秒。主要涉及以下過程：

- U-Boot 初始化（約 370 ms，從接收到的第一個字元算起）

- Autoboot delay（1s）

- 讀取 device tree 和核心載入（127 ms）

- 載入device tree 和核心載入（約 100 ms）

- 最後跳轉至核心起始地址

Uboot 啟動到核心啟動時間：～1700ms

最顯著的優化就是降低 Autoboot delay 。這個值可以使用下面的命令設定為 0：

setenv bootdelay 0

s**eenv

這個也可以使用 CONFIG_BOOTDELAY 將其配置為預設值。在目前的釋出版本中，如果將 bootdelay 設定為0，那麼將會沒有辦法直接進入 boot loader 的命令列模式。U-Boot 提供一個選項CONFIG_ZERO_BOOTDELAY_CHECK，在 bootdelay 為 0 的情況下，用於檢測一個字元。我們已經將其新增到下一個釋出版本的預設配置中。

Uboot 啟動到核心啟動時間：～700ms

移除一些功能有助於減少分配時間和初始化這些功能的時間。例如移除 USB Client 和 DFU 功能，相關Patch請從這裡下載。

這可以將 U-Boot 尺寸減小到 289 KB，縮短 U-Boot 讀取時間 。用同樣的方法，可以結合專案實際的外設需求，裁剪不需要的外設支援和功能。顯然核心大小和載入時間具有線性關係，因此，優化核心尺寸將可以進一步提高啟動時間。

Kernel

為了只測量核心啟動的時間，可以使用 grabserial 的匹配功能重置 boot loader 輸出資訊中的時間。

sudo ./grabserial -d /dev/ttyUSB0 -t -m "^Starting kernel*" -q "^\[ *0-9.]* Freeing unused kernel memory.*"

啟動結束的時間多少有點難以確定，因為核心將會繼續初始化硬體，即使檔案系統已經掛載和第一個使用者空間程序（init）開始執行（延時初始化）。 “Freeing unused kernel memory” 是 init 程序啟動前發出的最後訊息，因此將其標記為核心線性任務的結束（請檢視 kernel_init in init/main.c）。我將會使用這個資訊的時間戳資訊來比較啟動時間。我們模組上預設核心的壓縮尺寸為 4.8MB，啟動時間為 4.6 秒。

Kernel 啟動到 init 啟動時間：4.6秒。

同 U-Boot 一樣，Linux 核心也是同步地將資訊傳送到串列埠。具體的方法取決於所使用的串列埠，其會同步等待直到字元在串列埠上傳送完畢。這個的優點在於，當核心崩潰的時候，那個時候的所有資訊都是可見的。假如資訊是非同步輸出，最後輸出的資訊將不 會指示核心所崩潰的地方。

核心中有一個引數，可以最大限度減少輸出的資訊：“Quiet”。然而，這也將遮蔽我們測試啟動時間的字元資訊（“Freeing unused kernel memory”）。最簡單的方法輸出這些資訊是利用日誌級別輸出特定的資訊。在'mm/page_alloc.c' 中搜索 “Freeing %s memory”。我將使用 ‘pr_alert’ 輸出資訊。這個方法起高了 3秒。

[0.925608 0.000178] Starting kernel ...

[0.002166 0.002166]

……

[1.432211 0.207636] [ 1.203216] Freeing unused kernel [email protected]:~/software/grabserial-1.8.1$

Kernel 啟動到 init 啟動時間提高到 1.4秒。

進一步提高啟動時間的另一個簡單的方法是移除功能。Yocto 專案提供了一個方便的工具 ksize.py，這個需要在核心編譯目錄中執行。這個工具能夠顯示核心各個部分的大小。第一個表格顯示了大致的概況（為了獲得準確的概況， 編譯之前使用 make clean）。

[email protected]:~/Toradex/webinar/linux-toradex$ ./ksize.py

Linux Kernel total | text data bss

vmlinux 9321389 | 8589061 311188 421140

drivers/built-in.o 2973586 | 2810983 121247 41356

……

usr/built-in.o 138 | 138 0 0

sum 8174774 | 7475382 283956 415436

delta 1146615 | 1113679 27232 5704

可以被安全移除的一般是應用相關的功能。瀏覽各個第一層目錄，有助於快速確定最可能移除的物件。

另外一個可以幫助我們進一步分析，核心啟動時各個功能所消耗的時間是使用 Linux 原始碼中scripts/bootgraph.pl 指令碼，將啟動日誌進行圖形化分析。為此，需要在 U-boot 中配置

setenv defargs 'enable_wait_mode=off galcore.contiguousSize=50331648 initcall_debug printk.time=1 quiet'

在 Linux 匯出日誌

[email protected]:~# dmesg > boot.log

在電腦上執行以下命令

cat ./boot.log | ./scripts/bootgraph.pl > boot.svg

圖 2 Kernel boot

根據上面工具的分析，以及實際專案外設和功能的需求，將不必要的驅動從核心中移除。例如我們將移除無線網路驅動、CAAM（i.MX6硬體加密加速模組）、檔案系統（ext4, nfs, cifs 等）、SPI等功能。重新編譯後，新的核心縮減到 3.6 MB。

[0.818066 0.000252] Starting kernel ...

……

[0.909013 0.434209] [ 0.723273] Freeing unused kernel [email protected]:~/software/grabserial-1.8.1$

Kernel 啟動到 init 啟動時間提高到 0.9秒。

User Space

Systemd

在 Linux 使用者空間，初始化工作由 init 系統完成。 Toradex BSP 映象使用 Ångströ標準啟動 init 系統，其稱為Systemd。Systemd 目前已成成為桌面 Linux的標準 init 系統，具有豐富的功能，特別是為動態系統所設計。Systemd 同樣會影響啟動時間。多個守護程序可以用同時啟動（利用現在的多核系統）; 支援在稍後的一個時間延時載入服務時啟用 socket 以及支援按需啟動的裝置啟用。並且，整合的日誌守護程序 journald 由於使用二進位制日誌檔案和完善的日誌檔案管理可以節省空間。

根據實際應用，一個嵌入式系統可能是相當靜態的。因此，並不需要 Systemd 的動態功能。不幸的是，Systemd 並不是一個很模組化的系統，各個模組之間由相互依賴關係。這使得精簡 Systemd 變得困難。這一節將分文兩部分，第一部分使用 Systemd 啟動優化技術，第二部分會使用 System V。

在這兩部分中，我們使用 “Freeing unused kernel memory” 作為測量基準時間。

sudo ./grabserial -d /dev/ttyUSB0 -t -m "^\[ *0-9.]* Freeing unused kernel memory.*"

在預設的 BSP 中

User space 啟動到Login 的時間為 ～5.3 秒。

[0.447125 0.447125] [FAILED] Failed to start Load Kernel Modules.

[0.463050 0.015925] See "systemctl status systemd-modules-load.service" for details.

……

[5.302394 0.016012] colibri-imx6 login:

由於採用了自己編譯的核心，因此在載入模組驅動的時候提示錯誤。只需要將核心模組重新編譯，放到目標板的 /lib/modules/ 目錄中即可。當然，如果應用中需要相應的驅動，完全可以不載入這些模組驅動。

[email protected]:~# rm /etc/modules-load.d/libcomposite.conf

systemctl 工具可以檢視所有的啟動專案

[email protected]:~# systemctl status

Systemd 提供了 systemd-analyze 工具，當使用 “blame” 時，能夠打印出各個服務以及其啟動的時間。這個可以發現最消耗啟動時間的服務。但是，其中的值可能具有迷惑性，因為測量的時間是實際流逝的時間。服務有可 能處於睡眠狀態，這時的 CPU 其實在處理其他任務。所以在列表頂部的服務不一定是最耗時的，特別是在單核系統上。預設的 BSP 中並沒有包含 systemd-analyze，可以通過下面的命令，線上安裝。

[email protected]:~# opkg update

[email protected]:~# opkg install systemd-analyze

[email protected]:~# cat systemd.blame

3.188s dev-mmcblk0p2.device

1.080s systemd-journal-flush.service

……

178ms systemd-fsck-root.service

systemd-analyze plot 也可以用圖形的形式輸出啟動項的情況。

[email protected]:~# systemd-analyze plot > systemd.svg

圖 3 Systemd boot

啟動服務可以使用 disable 命令來關閉。有些服務（特別是 Systemd 自身提供的）可能需要掩碼才能關閉它們。另外有一些可能是系統執行所需的。因此，在關閉服務時需要特別小心，而且一次只能處理一個。

[email protected]:~# systemctl disable usbg.service

Toradex 的 BSP 中，採用 ConnMan 作為網路管理工具，可以很靈活的管理無線網路連線。 但 ConnMan 的啟動會消耗較多的時間。對於不使用網路或僅用有線網路的情況，/etc/systemd/network/wired.network 配置可以有效降低啟動時間。

[Match]

Name=eth0

[Network]

DHCP=ipv4

在不需要記錄系統日誌的應用中，將日誌儲存功能禁用後，也可以在一定程度上縮減啟動時間。

/etc/systemd/journald.conf

[Journal]

Storage=none

#Compress=yes

核心引數中的 quiet，同樣也適用於 Systemd。這個有助於 Systemd 的啟動時間。

按照上述的優化，User space 啟動到Login 的時間為 ～3.8 秒。

[1.748022 0.493043] [ 0.783547] Freeing unused kernel memory: 280K (805f6000 - 8063c000)

[0.609885 0.609885] [ 1.390393] systemd-fsck[117]: rootfs: clean, 21509/876392 files, 446716/3543040 blocks

……

[3.799609 0.016926] colibri-imx6 login:

System V init

在很長一段時間內，Linux 也使用 SysV 作為標準的 init 系統。由於基於指令碼的系統，這是模組化的，並且可以相對容易地精簡系統。特別是對相對靜態的系統，並不需要 Systemd 的裝置啟用和 socket 啟用。此時，SysV可以是很好的選擇。

Toradex 的 Linux BSP 基於 OpenEmbedded 框架釋出，使用者可以很方便的配置 SysV。所需的patch檔案請從這裡下載。

重新編譯使用 SysV 的映象

[email protected]:~/Toradex/oe-core/v2.5/oe-core/build$ bitbake console-trdx-image

在使用上面的映象更新目標板後，在 Linux 執行

[email protected]:~# /usr/sbin/resize.sh

如果使用的是 Colibri I.MX6D 512MB , 在 U-boot 中執行

Colibri iMX6 # patch_ddr_size

在使用 SysV 的系統上，同樣也可以將一些不需要的啟動項刪除。

[email protected]:~#update-rc.d -f bootlogd remove

[email protected]:~#update-rc.d -f mountall.sh remove

[email protected]:~#update-rc.d -f networking remove

按照上述的優化，User space 啟動到Login 的時間為 ～1.1 秒。

[1.594064 0.371247] [ 0.661430] Freeing unused kernel memory: 280K (805f6000 - 8063c000)

[0.057864 0.057864] INIT: version 2.88 booting

……

[1.098062 0.000060] colibri-imx6 login:

在 /etc/init.d 建立啟動指令碼載入應用

[email protected]:vi /etc/init.d/drawing.sh

### BEGIN INIT INFO

# Provides: toradex

# Default-Start: 3 5

# Default-Stop: 0 1 2 6

# Description: draw rectangles on fb0

### END INIT INFO

/home/root/rectangles &

[email protected]:chmod a+x drawing.sh

[email protected]:update-rc.d drawing.sh defaults

到此，使用上述方法，應用程式能在 2.55 秒時間內啟動。

[email protected]:~/software/grabserial-1.8.1$ sudo ./grabserial -d /dev/ttyUSB0 -t

[0.000002 0.000002]

[0.162820 0.162818]

[0.162917 0.000097] U-Boot 2015.04 (Apr 14 2016 - 10:09:25)

……

[0.690563 0.001000] Starting kernel ...

……

[2.633291 0.000076] colibri-imx6 login:

參考：

Flashing Embedded Linux to iMX6 Modules

Build U-Boot and Linux Kernel from Source Code