Linux 嵌入式啓動以及優化
以前寫了一篇Linux PC啓動過程的日記,最近項目中,想優化一下啓動過程,減少啓動時間.因此研究了我們項目的啓動全過程.
第一步: BootLoader -- U boot
1 在cpu/arm926ejs/start.s中
a) b reset ; //jump to reset
b) set cpsr ;svc mode ,disable I,F interrupt
c)調用lowlevel_init (在board/xxxx/lowlevel_init.S中
將調用 __platform_cmu_init (設置cpu時鐘，啓動那些模塊等）
__platform_mpmc_init (mpmc初始化，配置SDRAM時序）
__platform_static_memory_init
__platform_static_uart_init
__platform_mpmc_clear
d) 用LDMIA,STMIA命令 copy uboot 到內存中
e) ldr pc ,_start_armboot
執行start_armboot
2 start_armboot 在 lib-arm中
a)根據init_sequence 執行初始化序列
包括：cpu_init
board_init
中斷初始化
initialize environment
initialze baudrate settings
serial communications setup
打印uboot 版本
display_dram_config (打印DRAM大小）
而在board_init中
將打印公司名稱 ，前後還加了delay
timer 初始化
dw_init --- I2C 設置
驗證時鐘來源 （來自wifi還是DECT)
LCD初始化
鍵盤初始化
Flash 初始化 (空函數）
網卡初始化 （其中有個udelay(1000) 1ms的delay )
b) NOR FLASH 初始化
display_flash_config （打印Flash大小）
c) nand 初始化 （將scan整個nand chip,建立 bbt table)
d) env_relocate 環境變量重新定位到內存中
e) 得到IP 地址和網卡 MAC地址
f) devices_init
g) 中斷enable
然後： start_armboot --> main_loop
3 main_loop在 common/main.c中
getenv("bootdelay")
--> 循環 readline
run_command
第二步: Kernel
a) Kernel自解壓 arch/arm/boot/compressed/head.S中調用decompress_kernel(misc.c),完了打印出"done,booting the kernel"
然後根據arch_id = 多少,打印出 arch_id
b) 在arch/arm/kernel/head.S中
check cpu 以及 machine ID
build the initial 頁表
_switch_data (arm/kernel/head_common.s中) 將process id存入process_id變量中
start_kernel
c) start_kernel
1) 打印Linux version information
2) call setup_arch,(它將打印cpu特定的信息,machine
look_machine_type ->arm/tools/mach_types
look_processor_type --> .proc.info.init. -->arm/mm/proc_arm926.S
在 /arm/mach_xx/xx.c中,有MACHINE_START(....)
3) 打印commnad_line
4) 初始化
vfs_caches_init
虛擬文件系統VFS初始化,主要初始化dentry等,它將調用 mnt_init. 而mnt_init將調用init_rootfs,註冊rootfs文件系統,init_mount_tree()創建rootfs文件系統,會把rootfs掛載到/目錄.
5) rest_init
啓動init kernel thread
在init 線程中:
1)populate_rootfs()
函數負責加載initramfs.
我們的系統沒有定義CONFIG_BLK_DEV_INITRD,因此populate_rootfs什麼也沒做
2) do_basic_setup
-->driver_init()->platform_bus_init()->...初始化platform bus(虛擬總線)
這樣以後設備向內核註冊的時候platform_device_register()->platform_device_add()->...內核把設備掛在虛擬的platform bus下,
驅動註冊的時候platform_driver_register()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_attach()->bus_for_each_dev()對每個掛在虛擬的platform bus的設備作__driver_attach()->driver_probe_device()->drv->bus->match()==platform_match()->比較strncmp(pdev->name, drv->name, BUS_ID_SIZE)，如果相符就調用platform_drv_probe()->driver->probe()，如果probe成功則綁定該設備到該驅動.
好象聲卡怎麼先註冊驅動,再註冊設備呢?反了?
-->do_initcalls
而do_initcalls將調用__initcall_start到__initcall_end中的所有函數
__initcall_start和__initcall_end定義在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中
它是這樣定義的:
__initcall_start = .;
*(.initcall1.init)
*(.initcall2.init)
*(.initcall3.init)
*(.initcall4.init)
*(.initcall5.init)
*(.initcall6.init)
*(.initcall7.init)
__initcall_end = .;
而在include/linux/init.h中
#define core_initcall(fn) __define_initcall("1",fn)
#define postcore_initcall(fn) __define_initcall("2",fn)
#define arch_initcall(fn) __define_initcall("3",fn)
#define subsys_initcall(fn) __define_initcall("4",fn)
#define fs_initcall(fn) __define_initcall("5",fn)
#define device_initcall(fn) __define_initcall("6",fn)
#define late_initcall(fn) __define_initcall("7",fn)
其中
#define __define_initcall(level,fn) /
static initcall_t __initcall_##fn __attribute_used__ /
__attribute__((__section__(".initcall" level ".init"))) = fn
這說明core_initcall宏的作用是將函數指針(注意不是函數體本身)將放在.initcall1.init section 中,而device_initcall宏將函數指針將放在.initcall6.init section 中.
函數本身用_init標識,在include/linux/init.h中
#define __init __attribute__ ((__section__ (".init.text")))
這些_init函數將放在.init.text這個區段內.函數的擺放順序是和鏈接的順序有關的，是不確定的。
因此函數的調用順序是:
core_initcall
postcore_initcall 如amba_init
arch_init 如
subsys_initcall
fs_initcall
device_initcall ---> module_init
late_initcall
先調用core_initcall區段中的函數,最後調用late_initcall中的函數,而對於上述7個區段中每個區段中的函數指針,由於其擺放順序和鏈接的順序有關的，是不確定的,因此其調用順序也是不確定的.
3) rootfs 加載
prepare_namespace 掛載真正的根文件系統,
在do_mounts.c中:
static int __init root_dev_setup(char *line)
{
strlcpy(saved_root_name, line, sizeof(saved_root_name));
return 1;
}
__setup("root=", root_dev_setup);
也就是說:在bootargs中root=/dev/nfs rw 或者root=/dev/mtdblock4等將傳入saved_root_name.
void __init prepare_namespace(void)
{
int is_floppy;
mount_devfs();
if (root_delay) {
printk(KERN_INFO "Waiting %dsec before mounting root device.../n",
root_delay);
ssleep(root_delay);
}
md_run_setup();
if (saved_root_name[0]) {
root_device_name = saved_root_name; //保存在root_device_name中
ROOT_DEV = name_to_dev_t(root_device_name);
//在root_dev.h中定義了Root_NFS,Root_RAM0等結點號
if (strncmp(root_device_name, "/dev/", 5) == 0)
root_device_name += 5;
}
is_floppy = MAJOR(ROOT_DEV) == FLOPPY_MAJOR;
if (initrd_load())
goto out;
if (is_floppy && rd_doload && rd_load_disk(0))
ROOT_DEV = Root_RAM0;
mount_root(); //加載rootfs
out:
umount_devfs("/dev");
sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL);
sys_chroot(".");
security_sb_post_mountroot();
mount_devfs_fs ();
}
4)yaffs2_read_super被調用來建立文件系統,它scan所有的block
5) free_initmem
釋放init 內存
6)打開/dev/console
失敗則會打印:
printk(KERN_WARNING "Warning: unable to open an initial console./n");
7) 判斷是否有execute_command,這個參數是在uboot參數的bootargs中init=xxx ,如果定義了的話 則執行 run_init_process(execute_command).
可以通過這種方法實現自己的init process,
或者可以init=/linuxrc ,這樣執行linuxrc
8) 如果沒有execute_command,init kernel線程缺省的也是最後的步驟是:
run_init_process("/sbin/init");
run_init_process("/etc/init");
run_init_process("/bin/init");
run_init_process("/bin/sh");
如果/sbin/init沒有,則執行/etc/init. /etc/init沒有則執行/bin/init ,如果這四者都沒有,則Linux打印
panic("No init found. Try passing init= option to kernel.");
第三步: Init Process
run_init_process也就是調用execve,這樣就啓動了init process
上面的/sbin/init,/etc/init,/bin/init,/bin/sh這四者都指向busybox ,但對於/bin/sh則只是打開shell,然後等待用戶命令.
而對於/sbin/init ,將分析/etc/inittab.
在/etc/inittab中,
1) id:5:initdefault: 缺省的runlevel x
2) si::sysinit:/etc/init.d/rcS
執行 rcS腳本
3) l5:5:wait:/etc/init.d/rc 5
4)S:2345:respawn:/sbin/getty 38400 ttyDW0
getty 提示用戶輸入username ,然後調用login,login的參數爲username ，登錄後啓動了shell
如果修改爲 /bin/sh 則直接啓動shell,此時你可以輸入命令 比如ls
在/etc/init.d/rcS中
a) mount proc 文件系統
b) /etc/default/rcS (設置一些參數）
c)exec /etc/init.d/rc S
執行 /etc/init.d/rc S -->這樣將執行/etc/rcS.d中以S開頭的腳本
S00psplash.sh psplash
S02banner.sh make node /dev/tty
S03sysfs.sh mount sysfs
S03udev 啓動udev
S06alignment.sh 爲什麼爲3？
S10checkroot.sh 讀取fatab ,mount 這些文件系統
S20modutils.sh 加載module
S35mountall.sh 不做什麼事情
S37populate-volatile.sh
S38devpts.sh mount devpts File System
S39hostname.sh set hostname to /etc/hostname
S40networking ifup -a to up the lo interface
S45mountnfs.sh read /etc/fstab to whether NFS exists
and then mount the NFS
S55bootmisc.sh 調用/etc/init.d/hwclock.sh去設置時間,日期等
S60ldconfig.sh ldconfig建立庫的路徑
l5:5:wait:/etc/init.d/rc 5將執行 /etc/rc5.d/ 依次爲：
S00qpe 啓動qpe
S02dbus-1 D_BUS dameon
S10dropbear SSH service
S20cron 自動執行指定任務的程序 cron , in etc/crontab , ntpd will run to get the NTP time
S20ntpd Not used , should delete
S20syslog run /sbin/klogd
S39wifiinit.sh wifi init and calibration
S70regaccess mknod regaccess.ko
S99rmnologin.sh do nothing since DELAYLOGIN = no in /etc/default/rcS
整個系統啓動後 ，將有 25 個進程 ：其中12個內核的進程 ，13個用戶進程
1 root 1488 S init [5]
2 root SWN [ksoftirqd/0]
3 root SW< [events/0]
4 root SW< [khelper]
5 root SW< [kthread]
12 root SW< [kblockd/0]
13 root SW< [kseriod]
41 root SW [pdflush]
42 root SW [pdflush]
43 root SW [kswapd0]
44 root SW< [aio/0]
152 root SW [mtdblockd]
208 root 1700 S < /sbin/udevd -d
343 root 36104 S qpe
357 messagebus 2080 S /usr/bin/dbus-daemon --system
361 root 2072 S /usr/sbin/dropbear -r /etc/dropbear/dropbear_rsa_host
364 root 1656 S /usr/sbin/cron
369 root 2712 S /sbin/klogd -n
394 root 2884 S -sh
400 root 20396 S /opt/Qtopia/bin/MainMenu -noshow
401 root 19196 S /opt/Qtopia/bin/Settings -noshow
402 root 20504 S /opt/Qtopia/bin/Organizer -noshow
403 root 20068 S /opt/Qtopia/bin/Photo -noshow
404 root 34488 S N /opt/Qtopia/bin/quicklauncher
411 root 34488 S N /opt/Qtopia/bin/quicklauncher
優化：
uboot :
1) setenv bootcmd1 "nand read.jffs2 0x62000000 kernel 0x180000 ; bootm 62000000"
這樣 load內核的時候 從以前0x300000的3M->1.5M 省1S
2)setenv bootdelay 1 從2變爲0 加上CONFIG_ZERO_BOOTDELAY_CHECK
3) quiet=1
bootargs=root=/dev/mtdblock4 rootfstype=yaffs2 console=ttyDW0 mem=64M mtdparts=dwnand:3m(kernel),3m(splash),64m(rootfs),-(userdata);dwflash.0:384k(u-boot),128k(u-boot_env) quiet
加上quiet 省不到1S
4)啓動的時候不掃描整個芯片的壞塊，因爲uboot只會用到kernel和splash區，只需要檢驗這兩個區的壞塊。
可以省不到 0.2s ,沒什麼明顯的改進
5) 將環境變量verify 設置爲n ,這樣load kernel 後，不會去計算校驗 kernel image的checksum
6)開始打印公司 這些可以去掉 ，在這裏還有delay ,以及其他的一些不必要的打印 ,一起去掉
7)修改memcpy函數 在./lib_generic/string.c下：
/* Nonzero if either X or Y is not aligned on a "long" boundary. */
#define UNALIGNED(X, Y) /
(((long)X & (sizeof (long) - 1)) | ((long)Y & (sizeof (long) - 1)))
/* How many bytes are copied each iteration of the 4X unrolled loop. */
#define BIGBLOCKSIZE (sizeof (long) << 2)
/* How many bytes are copied each iteration of the word copy loop. */
#define LITTLEBLOCKSIZE (sizeof (long))
/* Threshhold for punting to the byte copier. */
#define TOO_SMALL(LEN) ((LEN) < BIGBLOCKSIZE)
void * memcpy(void * dst0,const void *src0,size_t len0)
{
char *dst = dst0;
const char *src = src0;
long *aligned_dst;
const long *aligned_src;
int len = len0;
/* If the size is small, or either SRC or DST is unaligned,
then punt into the byte copy loop. This should be rare. */
if (!TOO_SMALL(len) && !UNALIGNED (src, dst))
{
aligned_dst = (long*)dst;
aligned_src = (long*)src;
/* Copy 4X long words at a time if possible. */
while (len >= BIGBLOCKSIZE)
{
*aligned_dst++ = *aligned_src++;
*aligned_dst++ = *aligned_src++;
*aligned_dst++ = *aligned_src++;
*aligned_dst++ = *aligned_src++;
len -= BIGBLOCKSIZE;
}
/* Copy one long word at a time if possible. */
while (len >= LITTLEBLOCKSIZE)
{
*aligned_dst++ = *aligned_src++;
len -= LITTLEBLOCKSIZE;
}
/* Pick up any residual with a byte copier. */
dst = (char*)aligned_dst;
src = (char*)aligned_src;
}
while (len--)
*dst++ = *src++;
return dst0;
}
(在linux 中，arm 的memcpy 有優化的版本 ， 在/arch/arm/lib/memcpy.S中）
下面2個建議，沒試過：
8）在環境變量區的末尾， 存有CRC，啓動的時候會校驗CRC ,去掉可以省一些時間
9）把一些驅動的初始化在正常啓動的時候不執行，當用戶按了鍵，進入uboot命令模式的時候執行
10) 修改SDRAM控制器時序
Kernel :
啓動時間 有兩種方法 ：
1 在u-boot的 bootargs 中加上參數 time
2 在內核的 kernel hacking 中 選擇 PRINTK_TIME
方法2的好處是可以得到內核在解析command_line 前所有信息的時間,而之前會有：打印linux 版本信息，CPU D cache , I cache 等等 。。。
啓動完後 用 ：
dmesg -s 131072 > ktime
然後用 ：
/usr/src/linux-x.xx.xx/scripts/show_delta ktime > dtime
這樣得到啓動內核時間的報告
1)修改Nand驅動 提高讀速度
2）從 JFFS2 換成 yaffs
3)kernel變爲非壓縮的image ,但這樣的話內核變大了，從NAND中搬運內核的時間將變長 ，所以需要測試是否
使得時間變短
建議：
4)把delay的 calibration 去掉
上面改動後 基本上8s從開機到 Freeing init memory
Application :
1 udev 啓動 很花時間
2 安排好啓動順序。
