优化嵌入式Linux的启动时间之文件系统

分手后的思念是犯贱 2022-10-26 03:52 398阅读 0赞

## 优化嵌入式Linux的启动时间之文件系统 ##

注：本文转载自微信公众号嵌入式客栈——[优化嵌入式Linux的启动时间之文件系统][Linux]

原创 逸珺 嵌入式客栈 *2020-03-02*

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。

![图片][aa65d0a7ffb14d18d8ac511ebbb49d74.png]

**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。

![20210201182120510.gif][]

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**

![20210201182120514.gif][]

*  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**

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**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！

[Linux]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwNjQ4OTE4Mw==&mid=2247484773&idx=1&sn=7fabad1063f3ef2ac3515c0ad840037c&chksm=9b0dd055ac7a5943c643c2e7ccb8de8de6b1a0f7eceb1f6d8036bd825d6bada3bbdcbf39fde7&scene=178&cur_album_id=1390793242496647170#rd
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