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嵌入式Linux 系统启动优化的那些事儿
嵌入式Linux 系统优化的那些儿事之系统启动时间的优化方法。。
Printk Times – 用于显示每个 printk 的执行时间
配置
结果
分析
避免丢失内核日志: CONFIG_LOG_BUF_SHIFT=21
在printk中打印时间戳：kernel/printk.c: vprintk()
if (printk_time) {
...
t = cpu_clock(printk_cpu);
nanosec_rem = do_div(t, 1000000000);
tlen = sprintf(tbuf, "[%5lu.%06lu] ",
(unsigned long) t,
nanosec_rem / 1000);
...
}
cpu_clock()调用sched_clock()
时间单位us，但有些平台精度只有10ms
默认实现：直接通过jiffies转换
如果HZ=100，jiffies单位为1/HZ, 即10ms
kernel/sched_clock.c: __weak sched_clock()
return (unsigned long long)(jiffies - INITIAL_JIFFIES) * (NSEC_PER_SEC / HZ);
高精度sched_clock()：读硬件时钟计数器，如果时钟频率为400M，精度达2.5ns
arch/x86/kernel/tsc.c: native_sched_clock()
潜在问题：计数器溢出？include/linux/cnt32_to_63.h
相关信息：http://elinux.org/Printk_Times 内核函数跟踪（Ftrace） – 用于报告内核中每个函数的调用时间。详细用法见Ftrace 简介
Linux 跟踪工具箱（LTT） – 用于报告确切的内核和进程事件的时间数据。
Oprofile（译注：最新替代品是 perf） – 通用的 Linux 分析器（Profile） - 详细用法见间Oprofile
Bootchart – 用于 Linux 启动过程的性能分析和数据展示。收集启动过程中的用户空间部分的资源使用情况和进程信息，然后渲染成 PNG、SVG 或者 EPS 格式的图表。
Bootprobe – 一组用于分析系统启动过程的 System Tap 脚本
当然，别忘了 cat /proc/uptime （译注：统计系统已经运行的时间）
grabserial – Tim Bird （译注：CE Linux Forum 主席）写的一个非常赞的工具用于记录控制台输出并打上时间戳
进程跟踪 –- 同样是 Tim Bird 写的一个简单补丁，用于记录 exec、fork 和 exit 系统调用。
ptx_ts – Pengutronix 的时间戳记录器（TimeStamper）：一个简单的过滤器，可前置时间戳到标准输出（STDOUT）上，有点像 grabserial 但是不限于串口。
Initcall（内核初始化函数）调试 – 一个用于显示 initcalls 所花时间的内核命令行选项
也可以看下: Kernel 检测工具，里头列举了一些已知的内核检测工具，这些对于测量内核启动时间来说可能会有帮助。
禁用内核的IP地址自动配置 禁用办法
延迟到用户态配置IP地址：/etc/init.d/rcS
思路：分开两个相互依赖的操作，消除不必要的IO等待时间 减少或禁用pseudo终端设备 pseudo终端：用于远程连接(ssh)或者X下的虚拟终端(xterm)
减少设备个数：LEGACY_PTY_COUNT=2
直接禁用：UNIX98_PTYS, LEGACY_PTYS
思路：根据实际需要减少或停用某些功能 关闭控制台输出 打印日志信息到控制台很耗时
关闭控制台输出
禁用控制台设备: e.g. 如果产品基于X11
完全禁用printk：副作用：不能收集错误日志
效果：提速30 ˜ 60%
思路：考虑研发阶段和产品阶段的不同需求 计算loops_per_jiffy 问题：下次启动时处理器主频变了怎么办？
解决办法：实现不基于loops_per_jiffy的{u,n}delay()
思路：1、以静制动；2、转变思维方式寻求突破 采用更快的内核解压算法 减少内核大小 内核（未压缩的）越小，拷贝快，功能可能也少，执行快
减少内核大小的详细方法见《减少系统和程序的大小》
思路：启动速度的影响因素是多方面的 减少或者消除动态探测 基本思想：类似传lpj给内核避免计算loops_per_jiffy
可采用的对象
效果：减少Probe过程，如果重编译，还可减少内核大小，
思路：以静制动
统筹考虑整个启动过程
- 一般启动过程：man boot
硬件开机、重启、软件重启(reboot)
BIOS(EFI)、Boot Loader(U-boot)
OS Loader in MBR: Lilo, Grub
装载Linux: cp.b, tftp
启动Linux: boot, bootm
运行Linux: 初始化、内核线程
进入用户态
- 优化后
硬件开机、重启、软件重启(reboot)
完成必要的硬件初始化: X-loader
Kexecboot: 装载、启动、运行Linux并进入用户态
- 切换其他Linux
- 效果：减少若干秒
- 思路：从整体上考虑问题
更多内核启动加速方法 快速重启: 直接装载、启动、运行Linux并进入用户态
快速分配内存：内存预留(mem, reserve_bootmem)映射(ioremap)后直接使用
优化内存拷贝：DMA方式从Flash拷贝内核到RAM
initcalls优化 http://lwn.net/Articles/314808/ http://elinux.org/Deferred_Initcalls
全速（或超速）启动、重启
设备驱动特定的优化
Init 进程 SysV init
upstart
systemd 追踪Init启动服务过程 在内核态跟踪进程执行
bootchart
timechart 从休眠的映像文件启动内核 休眠接口：/sys/power/state
开发：启动内核和必须的应用，把系统休眠到磁盘或者Flash设备中，产生一个休眠映像文件
产品：启动内核，直接从休眠映像文件恢复系统
效果：无需重新一个一个地启动程序，只需要恢复到一个早期休眠到内存的系统状态 预读：readahead与tmpfs readahead
tmpfs 使用更快的文件系统 文件系统影响程序的IO操作
Squashfs v.s. CramFS
UBIFS v.s. JFFS2
Reiser4 v.s. Ext3
XFS(mount) v.s. JFS(cpu utilization)
文件系统操作属性：async,noatime,nodirtime,relatime
文件系统性能评测：Dbench, Bonnie++, IOzone, Flexible，IO Tester 使用更小的执行文件 可执行文件更小，启动更快，占用内存更少
ash v.s. bash
busybox
buildroot 编译器优化 优化程序本身 记录程序执行时间: time
跟踪程序函数执行开销: gprof
跟踪程序代码执行覆盖情况：gcov
跟踪Cache miss, branch miss, page fault, tlb miss等：oprofile, perf, valgrind Cache miss: cacheline对齐。
branch miss: 消除不必要分支，通过gcov把执行多的branch调到前面或者用likely。
page fault: mlock/munlock防止swap出去。
tlb miss: 增加page大小。
优化库函数 Ltrace 用法：e.g. ltrace -T -f -o ltrace.log ls -l
ltrace跟踪可执行文件调用的系统库文件
pre_load(LD_PRELOAD)优化过后的函数，如memcpy
$ ltrace -c -f ls -l 优化系统调用: strace 用法：e.g. strace -T -f -o strace.log ls -l
减少fork/exec，合并程序成applet
优化shell程序：去掉不必要的pipe, pipe也使用fork/exec
减少不必要的系统调用
fast system call: e.g. MIPS syscall指令有预留的指令域， 优化内核函数: Ftrace/Kgcov Ftrace: Documentation/trace/ftrace.txt
Kgcov: Documentation/gcov.txt
内核配置 默认关闭所有配置: make allnoconfig
开启一些必须的配置选项: lspci, lsusb…
通过CONFIG_EMBEDDED去掉某些功能: futex?
开启内核和initramfs压缩支持: lzo, lzma, gzip, bzip2, xz
采用支持压缩的文件系统: squashfs, ubifs
去掉内核调试支持: 调试功能、调试符号
去掉模块支持？
-Os: CONFIG_CC_OPTIMIZE_FOR_SIZE
strip -X: CONFIG_STRIP_ASM_SYMS Linux-Tiny 目标：致力于降低内核大小和内存开销
下载：http://elinux.org/Linux_Tiny
策略 降低内存消耗 initramfs v.s initrd
strip -x: 删除non-global符号，模块的non-global符号可删除
strip -s: 删除所有符号; strip -S: 删除跟调试相关符号
sstrip(来自buildroot): 删除可执行文件的section table
objcopy -O binary: 仅保留可直接执行的二进制映像
section garbage collection patchset
动态probing转静态definition
去掉更多的内核特性
减少长调用：-mno-long-calls, 合并内核和模块空间
Tickless Kernel(Dynamic Ticks) 配置：CONFIG_NO_HZ
HZ: 周期性的发出中断以便进行任务调度而支持多任务
NO_HZ: 时钟中断按需发出, Idle时无时钟中断
include/linux/clockchips.h: clock_event_device()
2.6.24: 支持X86, ARM, MIPS和PowerPC架构 Powertop 监测频繁唤醒系统的内核和应用
提供一些减少功耗的建议 其他节能措施 CPUFreq
挂起隐藏的GUI
软件休眠与挂起
视频输出控制：video_output子系统
背光控制: backlight子系统
无线射频：rfkill子系统
测试系统响应延迟 更换调度策略
中断线程化
降低某些长中断处理的优先级
调整任务优先级：nice, chrt
绑定任务到处理器：taskset
资源分配：Session cgroup, ulimit
文章引用自吴老师的ppt ;
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