优化嵌入式Linux的启动时间之内核

导读：嵌入式Linux在应用中往往希望系统能在尽量短的时间内启动，以提高用户体验。而且在有的应用场合，对启动时间具有严格的时间要求，尤其在工业或者医疗器械应用领域。此时如何加快Linux的启动，将成为一个挑战，对于大多数应用开发人员而言，由于Linux系统的复杂性，对于如何提高启动速度，往往无从下手。那么读完优化嵌入式Linux的启动时间系列文章，将获得清晰完整的解决思路。本文将从内核的角度探讨如何优化进而缩短启动时间。

1.有用的调试手段
1.1 内核初始化度量函数
要找出最长执行时间的内核初始化函数，请在内核命令行中添加initcall_debug。将内核日志中得到如下日志：
如使用initcall_debug可能需要在内核配置中使用CONFIG_LOG_BUF_SHIFT增加日志缓冲区的大小。还可能需要使能CONFIG_PRINTK_TIME和CONFIG_KALLSYMS。

1.2 使用内核启动图进行有目的的优化
使用initcall_debug可以生成启动图，从而轻松查看哪些内核初始化函数需要最多时间来执行。

• 复制dmesg命令的输出并将其粘贴到文件中（我们将其称为启动日志boot.log）
• 在开发工作站上，在内核源代码中运行scripts / bootgraph.pl脚本：scripts / bootgraph.pl boot.log> boot.svg
• 现在可以使用矢量图形编辑器（例如inkscape）打开启动图：
  首先从花费最长时间的功能开始尝试优化。对于每个功能：
• 在内核源代码中查找其定义。
• 可以使用Elixir
• 注意：某些函数名称可能不存在，名称与modulename_init相对应。然后，在相应的模块中查找初始化代码。
• 删除不必要的功能：
• 通过查看相应源目录中的Makefile，找到哪个内核配置参数可编译代码。
• 延后加载处理：
  查找功能所属的模块（如果有）。如果可能，请稍后加载此模块。
• 优化必要的功能：
  • 查找可以用于减少探测时间的参数，并查找module_param宏。
  • 查找延迟循环和对名称中包含delay的函数的调用， 可以减少此类延迟，并查看代码是否仍然有效。

1.3 减小内核尺寸
首先，我们专注于在不删除功能的情况下缩小尺寸

• 主要机制是使用内核模块
• 将启动时不需要的所有内容编译为模块
• 有两个好处：内核更小且加载速度更快，初始化代码更少
• 删除用户空间不需要的功能：
  CONFIG_KALLSYMS，CONFIG_DEBUG_FS，CONFIG_BUG
• 用专为嵌入式系统设计的功能：CONFIG_SLOB，CONFIG_EMBEDDED

然后考虑内核压缩的方式：
根据存储读取速度和CPU解压缩内核之间的平衡，需要对不同的压缩算法进行测试。还建议在内核优化过程结束时尝试压缩选项，因为结果可能会因内核大小而异。

在基于TI AM335x (ARM), 1 GHz, Linux 5.1测试：

Lzo和Gzip似乎是最好的解决方案。 但这结果取决于存储和CPU性能，故在决定方案是务必进行测试。
另外内核的编译选项也有可以优化的可能：

• CONFIG_CC_OPTIMIZE_FOR_SIZE：可以使用gcc -Os而不是gcc -O2编译内核。
• 这样的优化会优先考虑代码大小，但会牺牲代码速度。
• 结果：初始引导时间更好（较小的启动时间），但是较慢的内核代码可能会使性能降低。系统运行速度会变慢！

1.4 延迟驱动程序和初始化调用
如果有点功能无法编译为模块（例如，网络或模块子系统），可以尝试推迟执行。内核不会缩小，但某些初始化将被推迟，所以启动变快。通常，您可以修改probe（）函数以返回-EPROBE_DEFER，直到它们准备好运行为止。
有关支持此功能的详细信息，请参见
https://lwn.net/Articles/485194/。

1.5 关闭控制台输出
控制台输出实际上要花费很多时间（非常慢的设备）。 产品中可能不需要。通过在内核命令行中传递quiet参数来禁用它。但仍然可以使用dmesg获取内核消息。这一步一般建议等最后一步再做，否则将损失控制台进行调试。

1.6 预置jiffy
每次引导时，Linux内核都会校准延迟循环（用于udelay()函数）。这将测量每个jiff y(lpj)值的循环次数。只需要测量一次！在内核启动消息中找到 lpj值：
Calibrating delay loop… 996.14 BogoMIPS (lpj=4980736)
然后将lpj = 添加到内核命令行：
Calibrating delay loop (skipped) preset value… 996.14 BogoMIPS (lpj=4980736)

1.7 多处理器
SMP初始化很慢，即使您只有一个核心CPU，通常也会在默认配置中启用它（默认配置应支持多个系统）。因此，如果只有一个CPU内核，请确保将其禁用。BeagleBone Black上的结果：压缩内核大小：-188 KB
要节省最后的毫秒数，您可能需要删除不必要的功能：

• CONFIG_PRINTK = n与quiet命令行参数具有相同的效果，但是您无权访问内核消息。但是，您将拥有一个非常小的内核。
• 在Thumb2模式下编译内核：CONFIG_THUMB2_KERNEL（任何ARM工具链都可以做到）。
• 模块装卸
• 块层(Block layer)
• 网络堆栈
• USB堆栈
• 电源管理功能
• CONFIG_SYSFS_DEPRECATED
• 输入：键盘/鼠标/触摸屏
• 减少CONFIG_LEGACY_PTY_COUNT的值或设置pty.legacy_count内核参数

后续会发布：
优化嵌入式Linux的启动时间之bootloader
敬请关注！

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