很有用的速度优化：让系统启动速度更快

嵌入式产品中，系统启动速度是很关键的指标，对系统启动速度的优化，通常我们称之为“快启”。

要对系统启动速度进行优化，首先要知道如何统计系统启动的时间。

下面介绍几种统计内核启动耗时的方法，以及对内核启动速度优化的几个方法。

一、启动耗时统计

printk time

打开kernel配置：

kernel hacking --->
[*] Show timing information on printks

打开后，每个printk的前面都会显示时间戳

主要用来测量内核启动过程各个阶段的耗时

initcall_debug

众所周知，kernel启动时会执行不同等级的initcall，而每个initcall的耗时也是可以统计的。

在kernel的cmdline中加入参数initcall_debug=1：

initcall_debug=1
setargs_nand=setenv bootargs console=${console} earlyprintk=${earlyprintk} root=${nand_root} initcall_debug=${initcall_debug} init=${init}

开启后，就能打印每个initcall函数调用及耗时。

bootgraph

内核自带了一个工具用于统计启动时间：scripts/bootgraph.pl

使用该工具需要打开内核配置CONFIG_PRINTK_TIME=y，并且在cmdline中加上"initcall_debug=1"

系统启动之后，执行命令：

dmesg|perl $(kernel_dir)/script/bootgraph.pl > out.svg

用浏览器查看out.svg文件，可以看到内核启动过程中各个阶段的耗时。

这个工具有点类似于perf的火焰图，可以统计启动各阶段的耗时。

bootchart

除了内核自带的工具，也有开源的工具可用：bootchart。

bootchart是一个用于linux启动过程性能分析的开源软件工具，在系统启动过程自动收集CPU占用率、进程等信息，并以图形方式显示分析结果，可用作指导优化系统启动过程。

• 修改kernel cmdline。将其中的init修改为“init=/sbin/bootchartd”。
• 收集信息。bootchartd会从/proc/stat，/proc/diskstat，/proc/[pid]/stat中采集信息，经过处理后保存为bootchart.tgz文件
• 转换图片。在pc上通过pybootchartgui.py工具将bootchart.tgz转换为bootchart.png，方便分析

最后也会成图片供做分析，例如：

bootchar主要用来测量挂载文件系统到主应用程序启动过程中的耗时

gpio+示波器

可以找一个在系统启动过程中空闲的GPIO，在适当位置设置GPIO电平。

通过示波器抓取波形可以得到各阶段耗时。

通常该方法被用来测量整个启动的耗时，或者各阶段的耗时，该方法也是用的比较多的。

二、内核优化方法

kernel压缩方式

kernel有不同的压缩格式，常见的如gz、xz、lzma等。

不同的压缩格式，解压速度就不同，通过比较不同压缩方式的启动时间和flash占用情况，选择一种符合实际情况的，以此进行优化。

加载位置

内核镜像可以由kernel自解压，也可以由uboot进行解压。

对于kernel自解压的情况，如果压缩过的kernel与解压后的kernel地址冲突，则会先把自己复制到安全的地方，然后再解压，防止自我覆盖。这就需要耗费复制的时间。

即把加载地址和运行地址设置为不同地址，可以减少耗时。

内核裁剪

裁剪内核是必要的，如果内核镜像太大，那么解压内核就需要很长时间，所以内核要尽量裁剪。

裁剪内核，可以减少解压耗时。初始化内容少了，也会减少耗时。

因此裁剪内核时，要考虑将不需要的功能都去掉。

预设置lpj数值

LPJ也就是loops_per_jiffy，每次启动都会计算一次，但如果没有做修改的话，这个值每次启动算出来都是一样的，可以直接提供数值跳过计算。

如下log所示，有skipped，lpj由timer计算得来，不需要再校准calibrate了。

[ 0.019918] Calibrating delay loop (skipped), value calculated using timer frequency.. 48.00 BogoMIPS (lpj=240000)

如果没有skipped，则可以在cmdline中添加lpj=xxx进行预设

initcall优化

如前面提到,initcall耗时是可以打印出来的，在cmdline中设置initcall_debug=1，即可打印跟踪所有内核初始化过程中调用的顺序以及耗时。

[ 0.021772] initcall sunxi_pinctrl_init+0x0/0x44 returned 0 after 9765 usecs
[ 0.067694] initcall param_sysfs_init+0x0/0x198 returned 0 after 29296 usecs
[ 0.070240] initcall genhd_device_init+0x0/0x88 returned 0 after 9765 usecs
[ 0.080405] initcall init_scsi+0x0/0x90 returned 0 after 9765 usecs
[ 0.090384] initcall mmc_init+0x0/0x84 returned 0 after 9765 usecs

根据打印信息，可以对耗时较多的initcall进行优化。

内核initcall_module并行

initcall有很多等级，但比较耗时的是module。

如果是多核，可以考虑将module_initcall并行执行来节省时间。

目前内核do_initcalls是一个一个按照顺序来执行，可以修改成新建内核线程来执行

减少pty/tty个数

加入initcall打印之后，发现pty/tty init耗时很多，可减少个数来缩短init时间。

initcall pty_init+0x0/0x3c4 returned 0 after 239627 usecs
initcall chr_dev_init+0x0/0xdc returned 0 after 36581 usecs

内核module

只把必须要加进内核的才编译进内核，其他的编译成模块。

例如将必要的clock、tty、pinctrl等编译进内核

三、其他优化

uboot

如果是RISC-V架构，可以考虑去掉uboot。

XIP

xip：eXecute In Place。即芯片内执行，是指CPU直接从存储器中读取程序代码执行，而不用再读到内存中。

一般我们的程序都是放到flash中，系统启动时，把程序从flash拷贝到ddr中执行，而xip技术则不需要拷贝程序到ddr，所以速度会很快。

这项技术是必须要芯片支持才行，可以看看芯片手册中对SPI的描述是否支持XIP功能。

四、总结

以上对系统启动速度的优化，归根结底是提供一些思路、一些方法。

要优化启动速度，通常来说需要对整个系统的启动有比较深入的了解。

优化无止境，需要根据目标来进行优化，综合考虑启动速度和效果。