优化嵌入式Linux的启动时间之文件系统

原创
2020/03/02 00:00
阅读数 715

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。本文将从优化文件系统的角度探讨如何缩短启动时间。

1. 文件系统

不同的存储介质会采用不同的文件系统:

1)块存储介质 (包括存储卡, eMMC):

  •  ext2, ext3,ext4

  •  xfs, jfs,reiserfs

  •  btrfs

  •  f2fs

  •  SquashFS 

2)Raw 闪存:

  •  JFFS2

  •  YAFFS2

  •  UBIFS

  •  ubiblock +SquashFS

对于块文件系统,特性各异:

  • ext4:最适合较大的分区,良好的读写性能。

  • xfs,jfs,reiserfs:在某些读或写场景中也可能很好。

  • btrfs,f2fs:利用闪存块设备的特性,可以实现最佳的读写性能。

  • SquashFS:对于只读分区,最佳挂载时间和读取性能。非常适合需要只读的根文件系统。

下面分别介绍各文件系统的详细特性。

1.1. JFFS2

用于RAW Flash:

  • 挂载时间取决于文件系统的大小:内核必须在挂载时扫描整个文件系统,以读取属于每个文件的块。

  • 需要使用CONFIG_JFFS2_SUMMARY内核选项将此类信息存储在Flash中。这大大减少了安装时间。

  • ARM基准:对于128 MB分区,从16 s到0.8 s。

  • 与YAFFS2和UBIFS相比,读写性能相当差。


1.3 YAFFS2

用于RAW Flash:

  • 良好的安装时间

  • 良好的读写性能

  • 缺点:不压缩,不在主线Linux内核中


1.4. UBIFS

用于RAW Flash:

  • 优势:

    • 良好的读写性能(类似于YAFFS2)

    • 其他优点:更好的磨损均衡(不仅可以在单个分区内,而且可以在整个UBI空间中使用)。

  • 缺点:

    • 不适用于小型分区(元数据开销过多)。请改用JFFS2或JAFFS2。

    • 挂载时间不是很好,因为初始化UBI需要时间(UBI Attach:在引导时或在用户空间中运行ubi_attach)。

    • 由Linux 3.7中引入的UBI Fastmap解决。


1.5. UBI Fastmap如何工作

  • UBI 加载:需要通过扫描所有擦除块来读取UBI元数据。时间与存储空间成正比。

  • UBI Fastmap将此类信息存储在几个闪存块中(通常在系统关闭期间在UBI分离时),并在引导时找到该信息。

  • 这样可使UBI附加时间恒定。

  • 如果Fastmap信息无效(例如,不正常的系统关闭),它将退回到扫描状态(速度较慢,但能保证正确,Fastmap在下次启动时将恢复)。

  • 详细信息:Thomas Gleixner的ELCE 2012演讲:

    http://elinux.org/images/a/ab/UBI_Fastmap.pdf

使用步骤:

  • 使用CONFIG_UBI_FASTMAP配置编译内核

  • 使用ubi.fm_autoconvert = 1内核参数至少引导一次系统。

  • 以干净的方式重启系统

  • 保证如上启动一次后可以删除ubi.fm_autoconvert = 1


UBI Fastmap性能测试举例:

  • 在Linux 3.10的Microchip SAMA5D3 Xplained板(ARM)上测得

  • UBI空间:216 MB

  • 根文件系统:已使用80 MB(Yocto)

  • 平均加载时间:

    • 无UBI Fastmap,加载时间:968ms

    • 有UBI Fastmap,加载时间:238 ms

      可见UBI Fastmap 改善非常显著!


1.6. ubiblock + SquashFS

对RAW Flash :

  • ubiblock:位于UBI顶部的只读块设备

    利用CONFIG_MTD_UBI_BLOCK配置编译。

  • 允许将SquashFS放在UBI卷上。

  • 引导时间和读取性能不错。非常适合于只读根文件系统。


2. 选取合适的文件系统

  • RAW Flash :带有CONFIG_UBI_FASTMAP的UBIFS可能是最佳解决方案。

  • 块存储:SquashFS是根文件系统的最佳解决方案,它可以是只读的。Btrfs和f2fs可能是读/写文件系统的最佳解决方案。

  • 更改文件系统类型非常容易,并且对应用程序完全透明。只需尝试几个文件系统选项,看看哪个最适合!

  • 不要只关注启动时间。

    对于读写性能至关重要的系统,我们建议使用单独的根文件系统(以加快启动时间)和数据分区(以实现良好的运行时性能)。


2.1 Initramfs
一个很好的方案是使用非常小的initramfs,以启动关键应用程序,然后切换到最终的根文件系统。

initramfs机制:将根文件系统集成到内核映像中,因此它与内核一起被加载到内存中:

  • 它将文件系统的压缩存档集成到内核映像中

  • 变种:压缩的initramfs固件也可以由bootloader单独加载。

initramfs在下面两种情况下非常有用:

  • 快速启动且非常小的根文件系统。由于文件系统在启动时已完全加载,因此应用程序启动也非常快。

  • 作为切换到实际根文件系统之前的中间步骤,该文件位于需要其驱动程序不属于内核映像的设备(存储驱动程序,文件系统驱动程序,网络驱动程序)上。始终在桌面/服务器发行版的内核上使用此选项,以保持内核映像大小合理。


2.2 内存中的initramfs

  • 使用CONFIG_INITRAMFS_SOURCE选项在内核配置级别定义initramfs的内容

    • 可以是包含根文件系统内容的目录的路径

    • 可以是cpio归档文件的路径

    • 可以是描述initramfs内容的文本文件

  • 内核构建过程将自动获取CONFIG_INITRAMFS_SOURCE选项配置的内容,并将根文件系统集成到内核映像中

  • 详细信息(在内核源文件中):

    Documentation/filesystems/ramfs-rootfs-initramfs.txt

    Documentation/early-userspace/README


2.3 用initramfs启动过程

2.4 initramfs 降低启动时间

创建尽可能小的最小初始化文件,足以启动关键应用程序,然后使用switch_root切换到最终根文件系统:

  • 使用轻量级的C库以减小固件大小,建议使用uClibc。

  • 将BusyBox裁剪到最小。甚至可以不用BusyBox直接在C中实现/init。

  • 使用静态链接的应用程序(较少的CPU开销,较少的库加载,较小的initramfs(如果根本没有库))。Buildroot中用BR2_STATIC_LIBS配置。


2.5 静态链接可执行文件

  • 静态链接的可执行文件对于减小大小(特别是在小型initramfs中)非常有用,并且启动工作量较少。

  • 如果您将initramfs放在压缩的内核映像中,请不要对其进行压缩(启用CONFIG_INITRAMFS_COMPRESSION_NONE)。

  • 否则默认情况下,您的initramfs数据将被压缩两次,内核将更大,并且将花费更多的时间来加载和解压缩。

  • 在Linux 5.1上的示例在Beagle Bone Black上具有1.60 MB的initramfs(tar存档大小):这可以将内核大小从4.94 MB减少到4.74 MB(-200 KB),并节省大约170毫秒的启动时间。


后续会发布:

  • 优化嵌入式Linux的启动时间之内核

  • 优化嵌入式Linux的启动时间之bootloader

敬请关注!

本文分享自微信公众号 - 嵌入式客栈(embInn)。
如有侵权,请联系 support@oschina.cn 删除。
本文参与“OSC源创计划”,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

展开阅读全文
打赏
0
0 收藏
分享
加载中
更多评论
打赏
0 评论
0 收藏
0
分享
返回顶部
顶部