快速启动嵌入式Linux应用

只看该作者 · 2023-12-27 15:26

本文的目标是尝试一些比较简单有效的方法，并不会覆盖所有的优化技巧。

1 目标系统
硬件:

Beagle Bone Black (Cortex A8)

USB 摄像头 + LCD

软件：

Linux 5.1 + Buildroot rootfs

FFmpeg，用于采集视频并解码到 LCD。

当前启动时间：从上电到 LCD 显示第一帧图像：9.45 秒。2 优化编译器ARM vs Thumb2比较基于 ARM 或者 Thumb2 指令集编译出来的系统和应用。ARM：rootfs 为 3.79 MB，ffmpeg 为 227 KB。Thumb2：3.10 MB (-18 %)，183 KB (-19 %)。性能方面：Thumb2 的性能明显略有提升
（约小于 5 %）。虽然性能有所提升，但是我个人还是会选择 ARM 指令集。musl vs uClibcBuildroot 里有 3 种 C库可以选择：glibc、musl、uClibc，这里我们只比较后面 2 种比较小巧的库。musl：680 KB (统计 /lib 目录)。uClibc：570 KB (-16 %)。uClibc 节省了 110 KB，我们选择 uClibc。

3 优化应用程序
我们可以通过 ./configure 对 FFmpeg 的功能组件进行选择。另外，还可以用 strace 和 perf 命令调试以优化 FFmpeg 的内部d代码。优化后的结果：文件系统：从 16.11 MB 缩小到 3.54 MB (-78 %)。程序的加载和运行时间：缩短 150 ms。整体启动时间：缩短 350 ms。在空间的优化很大，但是在启动时间上的优化很小，这是因为 Linux 运行程序时只加载程序的必要部分。

4 优化 Init 和根文件系统
思路：使用 bootchartd 分析系统启动并裁剪不必要的服务。将 /etc/init.d/ 下的启动脚本合并为一个。不挂载 /proc 和 /sys。裁剪 BusyBox，文件系统越小，内核挂载可能会越快。将 Init 程序替换成我们的应用程序。静态编译应用程序。裁剪掉不常用的文件，找出长时间不访问的文件：

$ find / -atime -1000 -type f
优化后的结果：文件系统：裁剪 Busybox 后，从 3.54 MB 缩小到 2.33 MB (-34 %)。启动时间：基本没改变，大概是因为文件系统本身就足够小了。使用 initramfs 作为 rootfs：一般情况下，Linux 系统会先挂载 initramfs，init ramfs 很小且位于内存中，再由 initramfs 负责负载根文件系统。当我们将 Buildroot rootfs 裁剪得很小时，就可以考虑直接将其作为 initramfs 使用。这样有什么好处呢？initramfs 可以和 Kernel 拼接在一起，Bootloader 负责将 Kernel+initramfs 加载到内存中，内核不再需要访问磁盘。内核不再需要 block/storage 和 filesystem 相关的功能，体积会变得更小，加载时间和初始化时间都会变小。注意，需要关闭initramfs 的压缩(CONFIG_INITRAMFS_COMPRESSION_NONE)。优化后的结果：即便禁用了 CONFIG_BLOCK 和 CONFIG_MMC 后，总启动时间仍多了 20ms。这可能是因为 Kernel + initramfs 拼在一起之后，内核变大了许多，而内核镜像是需要解压，解压的时间增多了。
5 优化内核
评估方法：在启动参数里添加 initcall_debug，能得到更多内核 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 将 dmesg 的信息转换成图片：

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

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接下来，找出消耗时间最多的环节，进行优化。裁掉 tracing在 Kernel hacking 里关闭 Tracers 相关的功能。启动时间：缩短 550ms。内核大小：缩小 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)...

预设 loops per jiffy在每次启动时，内核都会校准 delay loop 的值，用于 udelay() 函数。这会测量 loops per jiffy (lpj) 的值。我们只需要启动一次内核，在log 查找 lpj 值：

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

然后将 lpj=4980736 填写到启动参数中，即可：

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

大约缩短了 82 ms。禁用 CONFIG_SMPSMP 的初始化很慢。它通常在默认配置中是启用的，即使是一个单核 CPU。如果我们的平台是单核的，可以禁用 SMP。关闭后，内核缩小：-188 KB (-4.6 %)，启动时间缩短 126ms.禁用 log启动参数里添加 quiet，启动时间缩短 577 ms。禁用 CONFIG_PRINTK 和 CONFIG_BUG 后，内核缩小 118 KB (-5.8 %)。禁用 CONFIG_KALLSYMS 后，内核缩小 107 KB (-5.7 %)。合计，启动时间缩短 767 ms。开启 CONFIG_EMBEDDED 和 CONFIG_EXPERT这会让系统调用变得更精简，内核会变得没那么通用，但是能保持你的应用程序能运行就足够了。内核缩小 51 KB。启动时间缩短 34 ms。选择 SLAB memory allocators一般是 SLAB、SLOB、SLUB 三选一。SLAB：默认选择，最通用、最传统、最可靠。SLOB：更简洁，代码量更少，更节省空间，适合嵌入式系统，使能后，内核缩小 5 KB，但是启动时间增加 1.43 S！SLUB：更合适大型系统，使能后，启动时间增加 2 ms。因此，我们仍使用 SLAB。内核压缩方式不同压缩方式的特点如下：

实测效果：看起来，gzip 和 lzo 表现更好。测试的效果应该是和 CPU/磁盘的性能相关的。
内核编译参数使能 CONFIG_CC_OPTIMIZE_FOR_SIZE，该选项可能是用 gcc -Os 代替 gcc -O2。注意，这只是在 BeagleBone Black + Linux 5.1 上的测试结果，不同平台之间有差异。禁用 /proc 等伪文件系统要考虑应用的兼容性。ffmpeg 依赖 /proc ，所以只能关闭一些 proc 相关的选项：CONFIG_PROC_SYSCTL、CONFIG_PROC_PAGE_MONITOR CONFIG_CONFIGFS_FS，启动时间没有变化。关闭 sysfs, 启动时间缩短 35 ms。拼接 DTB启用 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'

启动时间缩短 26 ms。

6 优化 Bootloader

这里我们采用最好的方案：使用 Uboot Falcon mode。Falcon mode 只执行 Uboot 的第一阶段：SPL，然后跳过 Stage 2，执行加载 Kernel。启动时间缩短 250 ms。

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7 总结

到此，启动优化基本完成，最终效果如下：

[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

从上电到 LCD 显示第一帧图像，总时间为 2.41 秒。最有效果的步骤如下：

仍值得优化的空间：系统花了 1.2 秒等待 USB 摄像头的枚举，这里是否有办法加速？是否可以关闭 tty 和终端登录？最后，关于优化启动时间，有一些原则可以遵循：

请不要过早地进行优化。
从一些影响面最小的点开始优化。
从 rootfs 、kernel、bootloader 自上而下进行优化。
重点关注短板。