基于内核启动优化的嵌入式Linux快速启动方案

（３）驱动模块化：充分利用Ｌｉｎｕｘ的驱动加载机制，把设备 按用户需要的频率和程度进行分类。那些开机时就使用的设 备的驱动程序采用静态编译到内核的方式，在系统启动的时 候和内核一起加载；那些开机时不使用的设备的驱动程序采 用模块化加载的方式，在系统启动后，按照用户的需要手动加 载。这样，在启动的时候只需要加载很少一些设备驱动，而将 全部设备的驱动加载时间随用户的需要进行分散。
摘要：快速启动是嵌入式Ｌｉｎｕｘ需要解决的关键问题。在比较目前加速嵌入式Ｌｉｎｕｘ启动的几种方法的基础上，给出了一 种针对内核启动优化的快速启动方案。通过测量内核启动过程时间，荻取了主要的延时因素，以此为依据，引入Ｋｅｒｎｅｌ ＸＩＰ 技术消除了内核映像拷贝解压时间，提出了不检测、并行检测、驱动模块化、驱动管理优化等加速设备初始化策略，设计了 一种既适合快速启动叉实用的文件系统架构。试验结果表明，该方案明显地加快了嵌入式Ｌｉｎｕｘ的启动速度。 关键词：嵌入式Ｌｉｎｕｘ；快速启动；ＸＩＰ；设备初始化：文件系统 中图法分类号：ＴＰ３１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００．７０２４（２００９）０１．００１６．０３
０引 言
嵌入式系统作为以应用为中心的专用计算机系统，需要 在启动速度、实时性、系统尺寸、电源管理等方面进行优化“１。 近年来，Ｌｉｎｕｘ凭借其优良特性广泛地应用于嵌入式系统。但 是，作为一种原本为ＰＣ机设计的操作系统，设计者开始并没 有考虑嵌入式应用对启动速度的要求，导致其典型的启动时 间一般在几十秒或以上，这对于用户来说是不能容忍的嘲。此 外，随着Ｌｉｎｕｘ内核的不断膨胀，启动时间越来越长。因此，加 快启动速度已经成为嵌入式Ｌｉｎｕｘ亟待解决的关键问题之一“ｌ。
图１ ＸＩＰ技术原理
２．２设备初始化策略 （１）不检测不存在的设备：嵌入式系统一般具有固定的硬
件设备，在内核编译的时候，只需配置目标系统上所具备的设 备驱动，如Ｎｏｒ Ｆｌａｓｈ、ＬＣＤ等；去掉不存在的设备，如ＩＤＥ设 备、红外等。
（２）并行检测和初始化设备：把串行化的设备驱动初始化 方式改用并行化的方式，在某些设备驱动初始化的忙等待时 问里同时进行其它设备的初始化。
ｏｐｔｉｍｉｚｅｓ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒｓ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｉｓ ｂｒｏｕｇｈｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ｓｐｅｅｄ ｕｐ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎｓ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ａ ｆｉｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｗｈｉｃｈ
ｉｓ ｂｏｔｈ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｆａｓｔ ｂｏｏｔｉｎｇ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｖｅｎ ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｂｏｏｔ ｔｉｍｅ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ；ｆａｓｔ ｂｏｏｔｉｎｇ；ＸＩＰ；ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｆｉｌｅ ｓｙｓｔｅｍ
男，博士，副教授，研究方向为计算机网络与通信； 廖孝勇，男，博士，研究方向为嵌入式技术和智能交通系统。
万方数据
段红祥，孙棣华，刘卫宁，等：基于内核启动优化的嵌入式Ｌｉｎｕｘ快速启动方案
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性的内核启动过程进行研究。
ｌ影响内核启动速度的主要因素
准确找到主要的延时因素是优化启动速度的关键。本文 使用ＰｒｉｎｔｋＴｉｍｅｓ、ＬｉｎｕｘＴｒａｃｅＴｏｏｌｋｉｔ、ＫｅｒｎｅｌＦｕｎｃｔｉｏｎＴｒａｃｅ等工具 测量启动时间，在实际测试中发现，内核映像拷贝解压、设备 驱动初始化、根文件系统挂载足最耗时的，占到９００６以上。此 外，通过预置ＬＰＪ值和关闭串口控制台输出发现，速度可以提 高约０．５ｓ。以下是主要延时因素的分析：
电，导致功耗较高啪。 （２）休眠技术。开机时，系统首先启动ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ，对休眠所
需的器件进行初始化，然后把快照映像从闪存复制到ＲＡＭ，不 经过正常启动流程，实现系统的快速启动。这种技术既能加快 启动速度，又能克服待机技术功耗高的缺点，但需要把操作系 统和应用程序完成启动的寄存器和ＲＡＭ信息制作成快照映 像，制作快照映像的方法是主要的技术难点，索尼、松下等参 与的非营利性消费电子论坛ＣＥＬＦ和ＴｆｉＰｅａｋｓ公司已开发出一 些基础技术，但目前还不成熟，正在由设备厂商进行评估Ⅲ。
“）驱动管理及编写优化：Ｌｉｎｕｘ设备驱动程序无论是静态 编译进内核还是模块化加载，都需要首先经过内核驱动管理 部分的判断模块是否重复加载、建立模块问依赖关系等步骤， 然后调用具体设备驱动程序的ｉｎｉｔ ｍｏｄｕｌｅ０完成设备的初始 化。因此，可以从内核驱动管理部分和驱动程序编写两方面 来优化启动时间。嵌入式系统一般具有固定的功能相对独立 的硬件设备，内核驱动管理部分可以不必判断模块是否重复 加载以及减少模块间依赖关系，从而减少循环次数；编写设备 驱动程序的ｉｎｉｔ ｍｏｄｕｌｅ（）时，尽可能的少用或不用循环，以及 不执行初始化时不需要的操作。 ２．３文件系统构建策略
（４）ＬＰＪ值计算：在Ｌｉｎｕｘ系统启动时，会运行ｃａｌｉｂｒａｔｅ＿ｄｅｌａｙ 计算ＬＰＪ的值，作为衡量处理器速度的一个基准。通过执行 一定次数的周期为ｌｊｉｆｆｙ的循环来确定其数值，因此其值取决 于执行的循环次数以及每次循环的周期。２．４内核定义ｌｊｉｆｆｙ 为１０ｍｓ，而循环次数是２０－２５次，所以计算ＬＰＪ值一般会耗时 约２４０ｍｓ。
（５）控制台输出：Ｌｉｎｕｘ系统启动时，一般使用串口控制台或 ＶＧＡ控制台打印启动信息，打印速度取决于串口的速度和处 理器的速度，这在大多数嵌入式系统中要用数百毫秒的时间。
２基于内核启动优化的快速启动方案
根据前述的延时因素测量和分析，本文针对每个主要的 延时，采用相应的加速方法，提出如下优化方案：
（１）针对内核映像的拷贝解压延时，引入ＫｅｒｎｅｌＸＩＰ技术； （２）针对设备初始化延时，提出不检测不存在的设备、并行 初始化、驱动模块化、驱动管理优化等设备初始化策略； （３）针对根文件系统挂载延时，采用ｃｒａｍｆｓ ｗｉｔｈ ＸＩＰ根文 件系统类型，并考虑实用性，提出文件系统架构策略； “）针对ＬＰＪ值计算延时，提出硬编码预置ＬＰＪ方法； （５）针对串口控制台输出延时，提出传递“ｑｕｉｅｔ”启动参数 方法。 ２．１使用ＫｅｒｎｅｌＸＩＰ技术 ＫｅｒｎｅｌＸＩＰ指的是，启动时，ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ初始化后直接跳转
Ｆａｓｔ ｂｏｏｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｋｅｒｎｅｌ ｂｏｏｔｉｎｇ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ
ＤＵＡＮ Ｈｏｎｇ—ｘｉａｎ９１， ＳＵＮ Ｄｉ—ｈｕａｌ，ＬＩＵ Ｗｅｉ·ｎｉｎ９２， ＳＯＮＧ Ｗｅｉ２， Ｌ从Ｏ Ｘｉａｏ—ｙｏｎ９１
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｂｏｏｔ ｔｉｍｅ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｂｅ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｗｈｅｎ Ｌｉｎｕｘ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｂｏｏｔ ｔｉｍｅ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆｋｅｒｎｅｌ ｂｏｏｔｉｎｇ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｏｆｋｅｒｎｅｌ ｂｏｏｔ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｋｅｙ ｄｅｌａｙ ｆａｃｔｓ ａｒｅ ｆｏｕｎｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｋｅｒｎｅｌ ＸＩＰ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｋｅｒｎｅｌ’Ｓ ｃｏｐｙｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇ，ｔｈｅ ｐｏｌｉｃｙ ｔｈａｔ ａｖｏｉｄｓ ｐｒｏｂｉｎｇ，ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒｓ ｉｎ ｐａｒａｌｌｅｌ，ｍｏｄｕｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒｓ，ａｎｄ
目前，对加快嵌入式Ｌｉｎｕｘ启动速度的研究主要在以下３ 个方面：
（１）待机技术。关机时，系统首先把ＣＰＵ、Ｉ／Ｏ寄存器及其 它需保存的信息保存到ＲＡＭ，然后关闭除ＲＡＭ及其它必要
器件之外的所有设备；下次启动时，系统根据ＲＡＭ中保存的
内容迅速恢复到关机前的状态。这种技术可以让系统在１ｓ内 恢复到关机前状态，但由于待机时仍然给ＲＡＭ等必要器件供
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计算机工程与设计ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄＤｅｓｉｇｎ
·嵌入式系统·
基于内核启动优化的嵌入式Ｌｉｎｕｘ快速启动方案
段红祥１， 孙棣华１， 刘卫宁２， 宋伟２， 廖孝勇１ （１．重庆大学自动化学院，重庆４０００４４；２．重庆大学计算机学院，重庆４０００４４）
鉴于此，本文采用常规启动优化方法，针对具有相对通用
收稿日期：２００８－０１．１２
Ｅ．ｍａｒｌ：ｈｘ＿ｄｕａｎ＠１６３．ｃｏｍ
基金项目：国家８６３高技术研究发展计划基金项目（２００６ＡＡ０４Ａ１２４）。
作者简介：段红祥（１９８４－－），男，河南驻马店人，硕士，研究方向为嵌入式技术和ＲＦＩＤ技术； 孙棣华，男，教授，博士生导师，研究方向为 控制理论与控制工程、系统工程、智能交通系统； 刘卫宁，女，教授，博士生导师，研究方向为计算机网络与通信、ＲＦＩＤ技术及应用； 宋伟，
（３）常规启动优化。一般把ＬｉｎｔＬＸ正常启动过程分为固件 初始化、内核初始化和用户应用层初始化，针对其中比较耗时 的部分进行优化，研究比较多的主要有㈨：ＲＣ脚本优化，如并
行服务加载、使用ｂｕｓｙｂｏｘ等：应用程序启动优化，如ｒｅａｄ ａｈｅａｄ、Ｐｒｅ－ｌｉｎｋ、ｍｍａｐ等。这些技术主要针对用户应用层初始 化，但嵌入式系统作为专用系统，不同的应用场合下其应用程 序差异很大，用户应用层优化不具有通用性和可比性Ⅲ。
（３）根文件系统的挂载：嵌入式Ｌｉｎａｘ系统通常使用ＲＡＭ－ ＤＩＳＫ技术，根文件系统建立在ＲＡＭＤＩＳＫ上。启动时，ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 将ＲＡＭＤＩＳＫ映像拷贝到ＲＡＭ中，Ｌｉｎｕｘ利用ｌｎｉｔｒｄ机制对 ＲＡＭＤＩＳＫ上的根文件系统进行解压、挂载，拷贝、解压会耗费 很长时间。另外，不同的文件系统类型，其挂载时间也不一样， 选用挂载时间长的根文件系统类型将会影响系统的启动时间。
（１）内核映像拷贝解压：嵌入式Ｌｉｎｕｘ一般采用ＳｎＤ（ｓｔｏｒｅ ａｎｄｄｏｗｎｌｏａｄ）技术，内核映像以压缩的形式存放在磁盘或Ｆｌａｓｈ 等存储设备中，启动时由ｂｏｏｆｌｏａｄｅｒ将其拷贝到ＲＡＭ中，然后 再解压执行，在内核映像的拷贝解压过程中耗费了大量时间。
（２）设备驱动初始化：启动时，Ｌｉｎｕｘ会对静态编译进内核 的所有总线和设备进行检测。如果编译时配置了目标系统中 没有的总线或设备，系统启动时对这些不存在的设备驱动初始 化，会耗费额外的时间，如系统默认会搜索６个或ｌＯ个ＩＤＥ设 备。另外，Ｌｉｎｕｘ系统一般采用串行的方式来检测和初始化设 备，其总时间就等于每个设备的检测和初始化时间之和，而某 些设备驱动要耗费很长的忙等待时间完成其检测和初始化，如 ＩＤＥ检测要调用７８次ｉｄｅ＿ｄｅｌａｙ＿５０ｍｓ０和８次ｔｒｙ＿ｔｏ＿ｉｄｅｎｔｉｆｙＯ。
万方数据
到内核的第一条指令处，内核指令直接从ＮＯＲ Ｆｌａｓｈ中执行， 从而省去内核映像的拷贝和解压过程。使用ＫｅｒｎｅｌＸＩＰ，需要 软硬件的支持，其原理如图１所示。在软件上，首先，需要修 改内核代码或打补丁，使之能在发生缺页中断时，直接映射 ＮｏｒＦｌａｓｈ上的代码页到虚拟地址空间上，而不是拷贝到ＲＡＭ， 再映射到虚拟地址空间；另外，由于在ＮｏｒＦｌａｓｈ中进行读操作较 快，但写操作速度相对较慢，所以要使之能根据需要拷贝部分可 写的数据段到ＲＡＭ中。其次，在内核编译时需要配置内核ＸＩＰ 选项，配置Ｋｅｒｎｅｌ Ｅｘｅｃｕｔｅ－Ｉｎ－Ｐｌａｃｅ ｆｒｏｍ ＲＯＭ，设置ＸＩＰ ｋｅｒｎｅｌ ｐｈｙｓｉｃａｌｌｏｃａｔｉｏｎ为ＸＩＰｋｅｍｅｌ映像在Ｆｌａｓｈ上的地址，配置ＸＩＰ ａｗａｒｅＭＴＤ ｓｕｐｐｏｒｔ支持。在硬件上，需要把生成的ＸＩＰＫｅｒｎｅｌ 映像以非压缩的形式存放在支持随机存取的ＮＯＲＦｌａｓｈ中。