摘要 Linux在消費電子類產品中得到了廣泛應用，由于嵌入式用戶對于系統(tǒng)啟動速度較為敏感，因此快速啟動技術逐漸成為研究和應用中的一個重點。本文通過對嵌入式 Linux的啟動時序和主要延時因素的分析，針對性地探討了在各個啟動階段降低時耗的技術，重點分析了XIP技術和XIP文件系統(tǒng)，并給出了主要的實現(xiàn)過程。

關鍵詞? Linux? 快速啟動? XIP? Prelink? CRAMFS? AXFS

　　嵌入式Linux系統(tǒng)主要特點在于使用Bootloader替代了桌面系統(tǒng)的BIOS，同時對系統(tǒng)進行了規(guī)模上的裁剪，但硬件上的劣勢往往導致系統(tǒng)啟動速度較慢，而嵌入式產品使用者又對系統(tǒng)的開機速度比較敏感，這樣就產生了對于提高嵌入式Linux系統(tǒng)啟動速度的需求。本文對系統(tǒng)啟動時執(zhí)行哪些階段的操作，以及縮短這些操作時間的方法進行了探討。

1? 嵌入式Linux系統(tǒng)啟動時序

　　目前，嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺和應用方向區(qū)別很大，但總體啟動流程是一致的。這里的系統(tǒng)啟動是指從用戶執(zhí)行上電/復位操作，到系統(tǒng)開始提供用戶可接收的服務水平所需要的過程。典型的上電/復位時序如表1所列。

表1? 嵌入式Linux系統(tǒng)啟動時序

2? Linux快速啟動方法

　　目前，一些Linux的發(fā)行版本已經對啟動速度進行了優(yōu)化。如果利用標準Linux進行開發(fā)，則啟動速度的提高主要是通過內核配置和各種補丁包來實現(xiàn)的。下面分析快速啟動的一些關鍵技術。

2.1? Firmware和Bootloader階段

　　目標板一旦確定，F(xiàn)irmware運行的時間就無法改變了，F(xiàn)lash和RAM的讀寫速度也就隨之確定了。但如果復位時能夠繞過Firmware和Bootloader，即允許運行中的內核加載以及運行另一個內核，可以縮短啟動的時間。典型的實現(xiàn)有Kexec，它有2個組件，即用戶空間組件 kexectools和內核補丁。另外一種辦法是在內核命令行中加入reboot=soft參數，同樣可以跳過Firmware，但是缺點在于無法從用戶空間調用。

　　對于正常啟動，可以選擇速度比較快的Bootloader，并對內核進行小型化處理；還可以使用高速的映像復制技術（如DMA2RAM），從而縮短復制的時間。為了縮短解壓消耗的時間，可尋求比較高效的壓縮算法。但一般情況下，壓縮比越高，算法越復雜，解壓速度就越慢，從而造成復制時間（與壓縮比成反比）和解壓時間（一般與壓縮比成正比）之間的矛盾。

2.2? 內核階段

　　內核初始化時要對RealTime Clock (RTC)進行同步。此過程要占用1 s的時間，可去掉以節(jié)約時間，但這樣CPU會與正確的時間有1 s的偏差，如果關機時CPU時鐘又要保存在RTC中，偏差就會不斷累積。但對于使用外部時鐘源進行同步的系統(tǒng)，則可安全地跳過這個階段。

　　Preset LPJ可以用來縮短每次啟動時調用calibrate_delay()來校準loops_per_jiffy消耗的時間。這個時間開銷與CPU頻率無關，在典型的嵌入式硬件環(huán)境下會消耗300 ms左右。LPJ值對于固定硬件平臺應該是一致的，可以只計算一次，在后續(xù)的啟動中就可以在啟動參數中強制指定LPJ值，而跳過實際的計算過程。具體方法是：在正常啟動后記錄下內核啟動信息中的“Calibrating Delay”數值，在啟動參數中以“l(fā)pj=xxxxxx”的形式強制指定。

　　啟動過程默認打開控制臺輸出啟動消息，但是控制臺尤其是基于幀緩沖的控制臺會減慢啟動速度。因此在嵌入式Linux產品中，將啟動過程中的控制臺設為靜默狀態(tài)，方法是在內核啟動參數中加入“quiet”。

　　設備搜索和驅動安裝是比較耗時的操作，因此要在編譯內核時確定需要安裝哪些驅動模塊，以免系統(tǒng)搜索那些根本不存在的設備，尤其是多余的IDE設備。對于啟動時暫時不用安裝的設備，盡量將驅動編譯成模塊，在以后空閑時或者使用設備時加載，而不是全部放在啟動階段。

2.3? 用戶空間階段

　　傳統(tǒng)Linux的初始化腳本是由bash執(zhí)行的，在內核引導后啟動init進程(/sbin/init)。它使用一個ASCII文件(/etc/inittab)來改變運行級別，這個文件中又會調用RCSript，由RCSript查找/etc/rc.d/rc5.d/并啟動相應鏈接指向的系統(tǒng)服務。

　　消費電子類Linux系統(tǒng)需要啟用圖形界面等必要的服務，未經優(yōu)化的系統(tǒng)在這個過程中會默認啟動很多根本用不到或者當前用不到的系統(tǒng)服務，這一部分會花去較大的時間開銷。最簡單的優(yōu)化辦法就是根據實際需要，通過改寫服務配置文件定制系統(tǒng)服務。另外，init腳本的執(zhí)行是串行的，在腳本量大時會導致引導過程非常長，因此可以考慮并行運行各種服務以加快啟動的速度?，F(xiàn)在已經出現(xiàn)了一些初始化程序來替代init進程，下面介紹initng和upstart。

　　initng（init nextgerneration）能夠并行啟動服務從而快速完成初始化工作。initng認為滿足了依賴關系的服務就可以啟動。在從外存加載一個腳本或等待硬件設備啟動的同時，可以運行另一個腳本來啟動別的服務，使系統(tǒng)在 CPU 和 I/O 之間實現(xiàn)較好的平衡。作為一個基于依賴關系的解決方案，initng 使用自己的初始化腳本集，它們對服務和守護進程的依賴性進行了編碼。如果某個服務依賴（使用 need 關鍵字定義）于其他服務，則要保證啟動時它所依賴的所有服務均可用。無依賴關系的服務立即并行啟動，具有依賴關系的服務則要等待以安全啟動。

　　upstart與 initng的區(qū)別在于： upstart基于事件，任務/服務的啟動/停止都取決于它所等待的事件是否發(fā)生。 upstart對事件的定義非常靈活，分為3類：edge (simple) events, level (value) events和temporal events。使用start/stop、事件名以及它所期待的值（可選）組成條目對觸發(fā)事件進行描述。事件依賴有兩種辦法：一種是任務自身導致事件發(fā)生，不管任務何時啟動/結束都會有事件發(fā)生，對于啟動時要執(zhí)行的基本任務，這種辦法比較有效；而對于較復雜的依賴關系，則可使用任務的Shell腳本工具。

2.4? 預讀取和預鏈接

　　預讀取(Readahead)可以將文件（程序和庫文件）在使用之前預先加載到RAM緩存中，這樣就不用在使用時為讀取這個文件而訪問I/O。如果知道下一步操作要訪問哪些文件，就可以提前將它們全部/部分讀取到緩沖區(qū)，從而加快執(zhí)行速度。嵌入式系統(tǒng)很多場合下對于下一步操作都是可預測的，比如系統(tǒng)啟動時總是以同樣的順序訪問同樣的可執(zhí)行/數據文件，文件塊的訪問往往是順序的，應用程序啟動時總是訪問同樣的程序文件段、共享庫、資源或者輸入文件。這樣使用預讀取有很強的針對性，從而提高程序執(zhí)行速度。

　　ELF(Excutable and Linkable File)是目前Linux中的標準二進制格式，其啟動需要以下步驟：將共享庫映射到虛擬地址空間；解析符號引用；初始化每個ELF文件。由于共享庫是位置無關的，要在運行時完成部分重定位處理和符號查找的工作，才能跳到程序的入口點，因此在帶來靈活性的同時，也造成ELF文件的啟動速度緩慢，尤其是解析符號引用要消耗大量的時間，對于使用多個共享庫的大型程序更是如此。但在很多嵌入式系統(tǒng)中，可執(zhí)行文件和共享庫極少變化，而且每次程序運行時鏈接工作完全相同。

　　預鏈接(Prelink)利用這一點，修改ELF共享庫和二進制文件，將鏈接信息加入到可執(zhí)行文件中以簡化動態(tài)鏈接重定位，從而使程序啟動加快。預鏈接首先搜集要預鏈接的ELF二進制文件及其所依賴的共享庫，為每個庫分配唯一的虛擬空間位置，并將共享庫重新鏈接到這個基準位置（動態(tài)鏈接器要加載這個庫時，只要虛擬空間地址未被占用，它就會將庫映射到指定位置）；然后預鏈接解析二進制或者庫中的所有重定位，并將重定位信息存放到ELF對象，還要將所有依賴庫的列表及校驗和添加到二進制文件或庫中。對于二進制文件，還需列出所有的沖突（在共享庫的自然搜索范圍內對符號的解析不相同）。在運行時，動態(tài)鏈接器先檢查是否所有依賴的庫都已經映射到指定的位置，而且?guī)煳募]有變化，只考慮沖突而不用處理每個庫的重定位，這樣大大提高了程序啟動的速度。使用時要注意的是，若共享庫發(fā)生了改變，則使用它的所有程序都要重新鏈接，否則程序仍要進行耗時的正常重定位。

3? XIP和文件系統(tǒng)優(yōu)化

3.1? 代碼執(zhí)行方式

　　嵌入式系統(tǒng)中代碼的執(zhí)行方式主要有3種：

① ?完全映射（fully shadowed）。嵌入式系統(tǒng)程序運行時，將所有的代碼從非易失存儲器（Flash、ROM等）復制到RAM中運行。
② ?按需分頁（demand paging）。只復制部分代碼到RAM中。這種方法對RAM中的頁進行導入/導出管理，如果訪問位于虛存中但不在物理RAM中會產生頁錯誤，這時才將代碼和數據映射到RAM中。
③ ?eXecute In Place (XIP)。在系統(tǒng)啟動時，不將代碼復制到RAM，而是直接在非易失性存儲位置執(zhí)行。RAM中只存放需要不斷變化的數據部分，如圖1所示。如果非易失性存儲器的讀取速度與RAM相近，則XIP可以節(jié)省復制和解壓的時間。NOR Flash和ROM的讀取速度比較快（約100 ns），適合XIP；而NAND Flash的讀操作是基于扇區(qū)的，速度相對很慢(μs級)，因此不宜實現(xiàn)XIP。

圖1? 完全映射和XIP的比較

　　XIP可以分為以下2種：

①? 內核XIP。直接在Flash/ROM中運行內核，可以節(jié)省復制和映像解壓的時間。Linux 2.6.10內核已經包含了XIP支持。
② ?應用程序XIP。直接從應用程序代碼的存儲位置執(zhí)行，而不用將它加載到RAM中，這樣應用程序的第一次執(zhí)行速度會比較快。要使用應用程序XIP，應該基于支持它的文件系統(tǒng)。

3.2? XIP文件系統(tǒng)

　　目前XIP文件系統(tǒng)的實現(xiàn)主要有2種： Linear XIP CRAMFS和Advanced XIP File System(AXFS)。

　　CRAMFS是一個壓縮的只讀文件系統(tǒng)，本來用于桌面Linux系統(tǒng)的啟動，但CRAMFS經過修改后可以支持嵌入式系統(tǒng)并支持XIP。Linear XIP CRAMFS用一個sticky bit對它管理的文件進行區(qū)分，標記為壓縮（按需分頁）或者未壓縮（XIP）。如果文件標記為XIP，則所有頁都不壓縮，而且要在Flash中連續(xù)存儲。在加載XIP文件時，直接對所有頁地址進行映射；而按需分頁的文件則在發(fā)生頁錯誤時，將相應頁解壓到RAM中。

　　要創(chuàng)建Linear XIP CRAMFS文件系統(tǒng)映像，必須確定可執(zhí)行文件和庫文件的使用頻率，頻繁使用的文件適合于XIP，而其他文件應該進行壓縮。現(xiàn)在有一些工具（如RAMUST和CFSST）可以幫助判斷哪些文件需要XIP，而哪些不需要。下面就可以給XIP文件加上標記并制作根文件系統(tǒng)，以使用mkfs.cramfs工具為例：

　　chmod +t filenames
　　mkfs.cramfs–x rootfs rootfs.bin

　　另外，還要修改內核配置參數以支持XIP：在啟動選項中向默認內核命令字符串中加入rootfstype=cramfs，選擇內核XIP并設置XIP內核物理地址；在驅動程序中加入MTD對XIP的支持；在文件系統(tǒng)中加入對Linear XIP CRAMFS的支持。接下來就可以生成XIP映像了。

　　Linear XIP CRAMFS的一個缺陷在于它是基于文件的，即一個文件中的所有頁要么全部采用XIP，要么全部采用壓縮/按需分頁，但事實上同一文件中不同頁的使用頻率區(qū)別也很大。AXFS是Intel公司開發(fā)的一個新的只讀文件系統(tǒng)，它從Linear XIP CRAMFS中繼承了許多方法，同時也進行了一些改進。AXFS的XIP粒度是基于頁的，并且自帶工具來判斷哪些頁需要XIP，哪些頁需要壓縮，從而更好地在速度和RAM/Flash的使用上取得平衡。

3.3? 非XIP文件系統(tǒng)

　　XIP一般基于NOR Flash，成本相對較高。對于用戶數據量大的應用，往往還要使用基于NAND Flash的，非XIP的文件系統(tǒng)常用的有JFFS2/YAFFS。

　　JFFS2是一種基于壓縮的文件系統(tǒng)。在多媒體應用中，如果圖片、音視頻已經經過壓縮，則使用JFFS2無疑會給CPU帶來雙重的壓縮/解壓負擔，訪問速度也會受到影響。因此，在這類應用比較密集的應用中，采用不壓縮的文件系統(tǒng)（如YAFFS/YAFFS2）可以加快系統(tǒng)速度。

　　YAFFS/YAFFS2是專為嵌入式系統(tǒng)使用NAND Flash設計的日志文件系統(tǒng)。與JFFS2相比，減少了一些功能(例如不支持數據壓縮)，所以速度更快，掛載時間很短，對內存的占用較小。YAFFS/YAFFS2自帶NAND芯片的驅動，用戶可以不使用MTD和VFS,直接對文件系統(tǒng)操作。YAFFS與YAFFS2的主要區(qū)別在于： 前者僅支持小頁(512字節(jié)) NAND Flash；后者則可支持大頁(2 KB) NAND Flash，同時在內存使用、垃圾回收、訪問速度等方面有所改進。

結語

　　快速啟動對于嵌入式Linux系統(tǒng)是比較迫切的要求之一。本文通過分析嵌入式系統(tǒng)的引導過程和關鍵時延因素，提出了相應的解決辦法，并對XIP文件系統(tǒng)進行了介紹。由于啟動速度非常依賴于硬件平臺，而且有的方法互相排斥，因此在具體應用時需要綜合考慮和選擇。

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周全成（碩士研究生），主要研究方向為嵌入式應用和通信技術；鄭延召（碩士研究生），主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)。

（收稿日期：2007-10-08）