如何快速啟動嵌入式Linux應用

本文的目標是嘗試一些比較簡單有效的方法，并不會覆蓋所有的優(yōu)化技巧。

1 目標系統(tǒng)

硬件:

Beagle Bone Black (Cortex A8)

USB 攝像頭 + LCD

軟件：

Linux 5.1 + Buildroot rootfs

FFmpeg，用于采集視頻并解碼到 LCD。

當前啟動時間：從上電到 LCD 顯示第一幀圖像：9.45 秒。 2 優(yōu)化編譯器 ARM vs Thumb2 比較基于 ARM 或者 Thumb2 指令集編譯出來的系統(tǒng)和應用。 ARM：rootfs 為 3.79 MB，ffmpeg 為 227 KB。 Thumb2：3.10 MB (-18 %)，183 KB (-19 %)。性能方面：Thumb2 的性能明顯略有提升
（約小于 5 %）。雖然性能有所提升，但是我個人還是會選擇 ARM 指令集。 musl vs uClibc Buildroot 里有 3 種 C庫可以選擇：glibc、musl、uClibc，這里我們只比較后面 2 種比較小巧的庫。 musl：680 KB (統(tǒng)計 /lib 目錄)。 uClibc：570 KB (-16 %)。 uClibc 節(jié)省了 110 KB，我們選擇 uClibc。

3 優(yōu)化應用程序

我們可以通過 ./configure 對 FFmpeg 的功能組件進行選擇。另外，還可以用 strace 和 perf 命令調試以優(yōu)化 FFmpeg 的內部d代碼。優(yōu)化后的結果：文件系統(tǒng)：從 16.11 MB 縮小到 3.54 MB (-78 %)。程序的加載和運行時間：縮短 150 ms。整體啟動時間：縮短 350 ms。在空間的優(yōu)化很大，但是在啟動時間上的優(yōu)化很小，這是因為 Linux 運行程序時只加載程序的必要部分。

4 優(yōu)化 Init 和根文件系統(tǒng)

思路：使用 bootchartd 分析系統(tǒng)啟動并裁剪不必要的服務。將 /etc/init.d/ 下的啟動腳本合并為一個。不掛載 /proc 和 /sys。裁剪 BusyBox，文件系統(tǒng)越小，內核掛載可能會越快。將 Init 程序替換成我們的應用程序。靜態(tài)編譯應用程序。裁剪掉不常用的文件，找出長時間不訪問的文件：

$ find / -atime -1000 -type f

? 優(yōu)化后的結果：文件系統(tǒng)：裁剪 Busybox 后，從 3.54 MB 縮小到 2.33 MB (-34 %)。啟動時間：基本沒改變，大概是因為文件系統(tǒng)本身就足夠小了。使用 initramfs 作為 rootfs：一般情況下，Linux 系統(tǒng)會先掛載 initramfs，init ramfs 很小且位于內存中，再由 initramfs 負責負載根文件系統(tǒng)。當我們將 Buildroot rootfs 裁剪得很小時，就可以考慮直接將其作為 initramfs 使用。這樣有什么好處呢？ initramfs 可以和 Kernel 拼接在一起，Bootloader 負責將 Kernel+initramfs 加載到內存中，內核不再需要訪問磁盤。內核不再需要 block/storage 和 filesystem 相關的功能，體積會變得更小，加載時間和初始化時間都會變小。注意，需要關閉initramfs 的壓縮 (CONFIG_INITRAMFS_COMPRESSION_NONE)。優(yōu)化后的結果：即便禁用了 CONFIG_BLOCK 和 CONFIG_MMC 后，總啟動時間仍多了 20ms。這可能是因為 Kernel + initramfs 拼在一起之后，內核變大了許多，而內核鏡像是需要解壓，解壓的時間增多了。

5 優(yōu)化內核

評估方法：在啟動參數(shù)里添加 initcall_debug，能得到更多內核 log：

[ 3.750000] calling ov2640_i2c_driver_init+0x0/0x10 @ 1
[ 3.760000] initcall ov2640_i2c_driver_init+0x0/0x10 returned 0 after 544 usecs
[ 3.760000] calling at91sam9x5_video_init+0x0/0x14 @ 1
[ 3.760000] at91sam9x5-video f0030340.lcdheo1: video device registered @ 0xe0d3e340, irq = 24
[ 3.770000] initcall at91sam9x5_video_init+0x0/0x14 returned 0 after 10388 usecs
[ 3.770000] calling gspca_init+0x0/0x18 @ 1
[ 3.770000] gspca_main: v2.14.0 registered
[ 3.770000] initcall gspca_init+0x0/0x18 returned 0 after 3966 usecs
...

? 另外，可以用 scripts/bootgraph.pl 將 dmesg 的信息轉換成圖片：

$ scripts/bootgraph.pl boot.log > boot.svg

接下來，找出消耗時間最多的環(huán)節(jié)，進行優(yōu)化。 裁掉 tracing 在 Kernel hacking 里關閉 Tracers 相關的功能。啟動時間：縮短 550ms。內核大小：縮小 217KB。裁掉一些用不上的硬件功能

omap8250_platform_driver_init() // (660 ms)
cpsw_driver_init()  // (112 ms)
am335x_child_init() // (82 ms)
...

? 預設 loops per jiffy 在每次啟動時，內核都會校準 delay loop 的值，用于 udelay() 函數(shù)。這會測量 loops per jiffy (lpj) 的值。我們只需要啟動一次內核，在log 查找 lpj 值：

Calibrating delay loop... 996.14 BogoMIPS (lpj=4980736)

? 然后將 lpj=4980736 填寫到啟動參數(shù)中，即可：

Calibrating?delay?loop?(skipped)?preset?value..?996.14?BogoMIPS?(lpj=4980736)

大約縮短了 82 ms。 禁用 CONFIG_SMP SMP 的初始化很慢。它通常在默認配置中是啟用的，即使是一個單核 CPU。如果我們的平臺是單核的，可以禁用 SMP。關閉后，內核縮小：-188 KB (-4.6 %)，啟動時間縮短 126ms. 禁用 log 啟動參數(shù)里添加 quiet，啟動時間縮短 577 ms。禁用 CONFIG_PRINTK 和 CONFIG_BUG 后，內核縮小 118 KB (-5.8 %)。禁用 CONFIG_KALLSYMS 后，內核縮小 107 KB (-5.7 %)。合計，啟動時間縮短 767 ms。 開啟 CONFIG_EMBEDDED 和 CONFIG_EXPERT 這會讓系統(tǒng)調用變得更精簡，內核會變得沒那么通用，但是能保持你的應用程序能運行就足夠了。內核縮小 51 KB。啟動時間縮短 34 ms。 選擇 SLAB memory allocators 一般是 SLAB、SLOB、SLUB 三選一。 SLAB：默認選擇，最通用、最傳統(tǒng)、最可靠。 SLOB：更簡潔，代碼量更少，更節(jié)省空間，適合嵌入式系統(tǒng)，使能后，內核縮小 5 KB，但是啟動時間增加 1.43 S！ SLUB：更合適大型系統(tǒng)，使能后，啟動時間增加 2 ms。因此，我們仍使用 SLAB。 內核壓縮方式 不同壓縮方式的特點如下：

實測效果：

看起來，gzip 和 lzo 表現(xiàn)更好。測試的效果應該是和 CPU/磁盤的性能相關的。 內核編譯參數(shù) 使能 CONFIG_CC_OPTIMIZE_FOR_SIZE，該選項可能是用 gcc -Os 代替 gcc -O2。

注意，這只是在 BeagleBone Black + Linux 5.1 上的測試結果，不同平臺之間有差異。 禁用 /proc 等偽文件系統(tǒng) 要考慮應用的兼容性。 ffmpeg 依賴 /proc ，所以只能關閉一些 proc 相關的選項：CONFIG_PROC_SYSCTL、CONFIG_PROC_PAGE_MONITOR CONFIG_CONFIGFS_FS，啟動時間沒有變化。關閉 sysfs, 啟動時間縮短 35 ms。 拼接 DTB 啟用 CONFIG_ARM_APPENDED_DTB：

$ cat arch/arm/boot/zImage arch/arm/boot/dts/am335x-boneblack-lcd4.dtb > zImage


$?setenv?bootcmd?'fatload?mmc?0:1?81000000?zImage;?bootz?81000000'

啟動時間縮短 26 ms。

6 優(yōu)化 Bootloader

這里我們采用最好的方案：使用 Uboot Falcon mode。 Falcon mode 只執(zhí)行 Uboot 的第一階段：SPL，然后跳過 Stage 2，執(zhí)行加載 Kernel。啟動時間縮短 250 ms。

7 總結

到此，啟動優(yōu)化基本完成，最終效果如下：

[0.000000 0.000000]
[0.000785 0.000785] U-Boot SPL 2019.01 (Oct 27 2019 - 08:04:06 +0100)
[0.057822 0.057822] Trying to boot from MMC1
[0.378878 0.321056] fdt_root: FDT_ERR_BADMAGIC
[0.775306 0.396428] Waiting for /dev/video0 to be ready...
[1.966367 1.191061] Starting ffmpeg
...
[2.412284 0.004277] First frame decoded

? 從上電到 LCD 顯示第一幀圖像，總時間為 2.41 秒。最有效果的步驟如下：