uboot启动优化

uboot启动优化

背景介绍

​ 为了满足嵌入式系统更快的启动速度需求，需要对uboot、kernel和根文件系统进行优化，保证原有功能的情况下，减少系统启动时间。

优化点

u-boot

1. 减小uboot镜像大小

​ 减小uboot镜像的大小，去掉不需要的驱动，不需要的命令，减少uboot的大小可以从两个方面获得好处，首先会节省驱动初始化时间，其次会使uboot镜像变小，从flash读取uboot镜像所需的时间也变小了。

2. flash优化

​ 可以通过优化flash CS时序，提升flash频率，针对emmc可从硬件上将总线位宽x4改成x8，从软硬件的方式提升IO速度。

3. 镜像读取方式

​ 先前方案需要从文件系统中通过ext4load或ubifsload的方式加载内核、设备树和文件系统，改用直接从flash中读取到内存的方式，若uboot下支持DMA传输可以更有效的节省时间。对于kenerl和dtb可以通过读头部来获取具体的镜像大小后再进行读取，ramdisk一般会进行压缩，可以根据压缩后的大小来读取。
​ 注：可通过裁剪kernel和ramdisk的镜像大小来进一步减少读取时间。

4. init_sequece_f和init_sequence_r裁剪

​ uboot启动会执行init_sequece_f和init_sequence_r中的一系列初始化函数，对与启动使用不到的初始化模块可以通过config配置宏进行裁剪。
​ 如设备用不到mtd flash和pci功能，可关闭CONFIG_MTD_NOR_FLASH和CONFIG_PCI功能，具体可根据需求修改配置。

5. 禁用串口输出

​ uboot启动过程中，启动信息输出通常被定向到串口，开发阶段调试打印对于我们定位问题很有帮助，但是成片的打印也是较耗时的。功能调通后，我们可以通过禁用串口输出，来消除打印字符所花费的时间。若要使用命令行时，再打开串口即可。以下是nt98566上的代码实现：

1. 找到对应主板的串口驱动，nt98566平台在(drivers\serial\serial_ns16550.c)中，定义一个全局的uard_disable_anchor变量，若该标志为1直接返回，此时串口将没有任何输出。

static void _serial_putc(const char c, const int port)
{

#ifdef CONFIG_NVT_BOARD
	if (uart_disable_anchor)
	if (uart_disable_anchor == 1)
		return;
#endif

	if (c == '\n')
		NS16550_putc(PORT, '\r');

	NS16550_putc(PORT, c);
}

2. 增加串口输出使能函数。

void app_uart_enable(void)
{
	uart_disable_anchor = 0;
	return;
}

3. 当通过外部输入打断启动时，再打开串口输出，此时可以进行命令行操作。

if(0 <= bootdelay  && !app_abortboot (bootdelay))
{
   /*用户不输入任何信息*/
   /*引导内核启动*/
}
else
{
   /*用户输入ctrl+u*/
   app_uart_enable();
}

6. bootm启动优化

​ uboot启动linux内核可以用到bootm（bootz、booti）命令：

#bootm/bootz/booti [image_addr] [ramdisk_addr] [dtb_addr]
#任何一项都可以没有，如果没有，用 “-’代替
#用法1：bootm                              	#使用默认的镜像地址启动
#用法2：bootm image_addr                   	#指定镜像地址启动。一般是uImage
#用法3：bootm image_addr - dtb_addr  	    #指定设备树地址

​ bootm命令使用的是内核uImage镜像， 由工具mkimage对普通的压缩内核映像文件（zImage）加工而得。uImage是uboot专用的映像文件，它是在zImage之前加上一个长度为64字节的头，说明这个内核的版本、加载位置、生成时间、大小等信息。代码入口do_bootm位于cmd\bootm.c中

bootm要做的事情包括以下：
a. 读取头部，把内核拷贝到合适的地方
b. 将启动参数给内核准备好，并告诉内核参数的首地址
c. 设置cpu寄存器，禁止中断，关闭MMU和cache
d. 跳转到内核的入口地址，kernel开始运行

全局images是bootm引导内核的一个重要变量

• 取消内核镜像的crc校验

  bootm获取镜像时会根据images中的verify参数判断是否对镜像数据进行crc校验， 设置环境变量verify=n可以不进行校验，甚至可以只对image进行magic校验，省略其余的校验步骤。

  bootm_find_os
  |--boot_get_kernel
  | |--image_get_kernel
  | | |--image_check_magic(hdr)
  | | |--image_check_hcrc(hdr)
  | | |--if (verify)
  | | | |--image_check_dcrc(hdr)
  | | |--image_check_target_arch(hdr)
      
  bootm_find_other
  |--bootm_find_images
  | |--boot_get_ramdisk 
  | | |--image_get_ramdisk
  | | | |--image_check_magic
  | | | |--image_check_hcrc
  | | | |--if (verify)
  | | | | |--image_check_dcrc(rd_hdr)  
  

• 节省镜像拷贝时间

  bootm_lod_os函数会解压内核镜像，这里指的是制作uImage时的压缩类型，当前为IH_COMP_NONE

  • images.os.load == mages.os.image_start，即bootm传入的image_addr+0x40等于制作uImage时指定的load地址，无需进行memmove
  • images.os.load != mages.os.image_start，则将mages.os.image_start上的image镜像拷贝到images.os.load地址上，长度为images.os.image_len

  NT98566平台制作uImage时指定的-e参数， 即镜像入口地址为ep 为0x8000， bootm命令传入的镜像地址为image_addr，保持ep = image_addr + 0x40（sizeof(image_header_t)），即bootm传入的内核镜像内存地址为0x7fc0，可节省image镜像的拷贝时间

  static int bootm_load_os(bootm_headers_t *images, unsigned long *load_end,
  			 int boot_progress)
  |--ulong load = os.load;
  |--int err = image_decomp(os.comp, load, os.image_start, os.type,
  				 load_buf, image_buf, image_len,
  				 CONFIG_SYS_BOOTM_LEN, &load_end);
  | |--if (load == os.image_start)
  | | |--break
  | |--if (image_len <= CONFIG_SYS_BOOTM_LEN)
  | | |--memmove_wd(load_buf, image_buf, image_len, CHUNKSZ);  
  

• 节省文件系统和设备树镜像的重地位时间

  bootm指定ramdisk_addr，boot_ramdisk_high中分为以下几种场景：

  • setenv initrd_high 不等于~0 ： 从lmb.memory.region[0]中申请内存，且内存不高于initrd_high，并拷贝镜像
  • setenv initrd_high 0xffffffff，不进行reloacate，保留这块内存
  • setenv initrd_high 0 ： 从lmb.memory.region[0]中任意位置申请内存，并拷贝镜像
  • 没有环境变量initrd_high： initrd_high = bootm_mapsize + bootm_low

  int boot_ramdisk_high(struct lmb *lmb, ulong rd_data, ulong rd_len,
  		  ulong *initrd_start, ulong *initrd_end)
  |--if ((s = getenv("initrd_high")) != NULL)
  | |--ulong initrd_high = simple_strtoul(s, NULL, 16);
  | |--if (initrd_high == ~0)
  | | |--initrd_copy_to_ram = 0;
  |--else
  | |--initrd_high = getenv_bootm_mapsize() + getenv_bootm_low();
  
  |--if (rd_data) 
  | |--if (!initrd_copy_to_ram)
  | |--*initrd_start = rd_data;
  | |--*initrd_end = rd_data + rd_len;
  | |--lmb_reserve(lmb, rd_data, rd_len);
  | |--else
  | | |--if (initrd_high)    
  | | | |--*initrd_start = (ulong)lmb_alloc_base(lmb,
  						rd_len, 0x1000, initrd_high);
  | | |--else
  | | | |--*initrd_start = (ulong)lmb_alloc(lmb, rd_len,
  								 0x1000);
  | | |--*initrd_end = *initrd_start + rd_len;
  /* 镜像拷贝 */ */
  | | |--memmove_wd((void *)*initrd_start,
  					(void *)rd_data, rd_len, CHUNKSZ);
  |--else
  | |--*initrd_start = 0;
  | |--*initrd_end = 0;
  

  bootm指定dtb_addr，boot_relocate_fdt中分为以下几种场景：

  • setenv fdt_high 不等于~0 ： 从lmb.memory.region[0]中申请内存，且内存不高于initrd_high，并拷贝镜像
  • setenv fdt_high 0xffffffff， 不进行reloacate，保留这块内存
  • setenv fdt_high 0 ： 从lmb.memory.region[0]中任意位置申请内存
  • 没有环境变量fdt_high ： fdt_high = bootm_mapsize + bootm_low

  int boot_relocate_fdt(struct lmb *lmb, char **of_flat_tree, ulong *of_size) 
  |--void	*fdt_blob = *of_flat_tree;
  |--ulong of_len = *of_size + CONFIG_SYS_FDT_PAD;
  |--char	*fdt_high = getenv("fdt_high") 
  |--if (fdt_high)
  | |--void *desired_addr = (void *)simple_strtoul(fdt_high, NULL, 16);
  | |--if (((ulong) desired_addr) == ~0UL)
  | | |--void	*of_start = fdt_blob;
  | | |--lmb_reserve(lmb, (ulong)of_start, of_len);
  | | |--int	disable_relocation = 1
  | |--else if (desired_addr)
  | | |--of_start = (void *)(ulong) lmb_alloc_base(lmb, of_len, 0x1000,
  							   (ulong)desired_addr);
  | |--else 
  | | |--of_start = (void *)(ulong) lmb_alloc(lmb, of_len, 0x1000); 
  |--else
  | |--of_start = (void *)(ulong) lmb_alloc_base(lmb, of_len, 0x1000,
  						   getenv_bootm_mapsize() + getenv_bootm_low());
  
  |--if (disable_relocation)
  /* 设置设备树，并进行镜像拷贝 */
  | |--fdt_set_totalsize(of_start, of_len);
  |--else
  | |--int err = fdt_open_into(fdt_blob, of_start, of_len)
  
  |--*of_flat_tree = of_start;
  |--*of_size = of_len;
  |--set_working_fdt_addr((ulong)*of_flat_tree);
  | |--setenv_hex("fdtaddr", addr);
  

  设置setenv fdt_high = 0xffffffff，setenv initrd_high = 0xffffffff，不进行根文件系统和设备树的重定位。

7.优化环境变量

缩小环境变量env区大小，缺省的CONFIG_ENV_SIZE为0x40000，根本用不到，改成0x200即可。当然，最后作为产品，是不需要读取分区中的环境变量的，使用默认的环境变量即可。

8. bootdelay优化

​ uboot启动过程中会等待用户外部输入打断启动，从而进入命令行，如下。这边直接将等待的udelay（10000）注释掉，并且将等待1000ms改成1ms，若需要进入命令行提前按住输入即可。

kernel

1. 内核配置裁剪

​ 删除不使用的硬件驱动和内核模块初始化， 对于耗时较长的模块由编译进内核转为外部modules，在业务实际需要时加载，避免开机自加载 。

2. 修改内核的压缩方式

​ 内核支持的压缩格式如下，包括GZIP、LZMA、XZ、LZO和LZ4。比较几种不同的压缩类型，LZ4是最佳解压缩方案，LZMA和XZ的解压缩速度很慢，而在压缩大小方面，GZIP效果最好，能将文件压缩至最小，其次是LZO（大约比GZIP大16%）和LZ4（大约比GZIP大25%），而在压缩时间方面，LZ4比GZIP快7倍，LZO比GZIP快约1.25倍，因此可以看到GZIP的速度不够快。LZ4也被用在Ubuntu 19.10（Eoan Ermine）操作系统启动优化中。具体测试数据参考：

1. https://blog.csdn.net/weixin_33329305/article/details/113450835
2. https://catchchallenger.first-world.info/wiki/Quick_Benchmark:_Gzip_vs_Bzip2_vs_LZMA_vs_XZ_vs_LZ4_vs_LZO#With_the_benchmark_application

​ 当前内核默认的压缩方式为gzip，在arm和arm64上经过压缩后编译而成zImage和Image.gz的内核镜像，并通过mkimage工具增加头部，生成uboot专用的uImage镜像。可将内核的压缩方式改为LZ4。

根文件系统

1. 根文件系统文件裁剪

​ 删除不必要的文件。

2. rcS优化

​ 删除不必要的延时和驱动架子啊。

3. 压缩方式从GZIP改为LZ4

​ 同内核，将文件系统的压缩方式改为LZ4类型。

4. 使用mdev设备文件系统

​ 设备文件系统有devfs，mdev，udev这三种。在Linux早期，设备文件仅仅是是一些带有适当的属性集的普通文件，它由mknod命令创建，文件存放在/dev目录下。后来，采用了devfs, 一个基于内核的动态设备文件系统，他首次出现在2.3.46内核中。devfs创建的设备文件是动态的，但是devfs有一些严重的限制，从2.6.13版本后移走了，目前取代他的是udev（一个用户空间程序）， 当前很多的Linux分发版本采纳了udev的方式 。
​ mdev是udev的简化版本，是busybox中所带的程序，相较udev更适合用在嵌入式系统。