Ускорение загрузки Linux на ARM процессоре

Перед автором была поставлена задача максимально ускорить процесс загрузки устройства с embedded Linux. Был предложен следующий план работы:

1. Изучение работы системы и разбиениее ее на отдельные части для последующей оптимизации.
2. Измерение времени загрузки каждого компонента системы. Для измерения использовались вывод отладочных сообщений в UART с засеканием времени их появления на Host-PC.
3. Оптимизация времени загрузки каждого компонента.
4. Измерение времени работы оптимизированной системы, фиксация результатов.
   Изначальное время загрузки устройства составляло 48 секунд. Исходным требованием было сократить время загрузки минимум до 5 секунд.

Устройство имело следующую конфигурацию:

1. Процессор Texas Instruments AM3505 (600 Mhz Cortex-A8)
2. 128 MB LPDDR2 RAM
3. 256 MB NAND
4. Touchscreen 320×240
5. USB Host, USB Device, MMC, Bluetooth

В начале работы система была разбита на модули и было измерено время загрузки каждого из них. Данные оказались следующими:

1. X-Load - 200 миллисекунд
2. U-Boot - 15050 миллисекунд
3. Linux - 9200 миллисекунд
4. User Space Soft – 22000 миллисекунд

X-Load – предварительный загрузчик

В момент разработки проекта был актуален, сейчас x-load интегрирован в U-Boot и называется SPL¹.
Из X-Load было вырезано всё, что связано с отладочным UART. Это дало выигрыш в 150 миллисекунд.

U-Boot – загрузчик ядра операционной системы

В U-Boot были сделаны следующие оптимизации:

1. Изменение алгоритма загрузки
   – Отказ от Initramfs. Суть Initramfs заключается что что Linux + rootfs читаются из NAND одним образом.
   – Возврат к классической схеме загрузки, когда u-boot читает только маленький образ ядра операционной системы без rootfs-программ.
   Это дало выигрыш в 7300 миллисекунд.
2. Отказ от подсчёта CRC в образе ядра Linux (в файле uImage). По-умолчанию U-boot считает контрольную сумму, и если она не совпадает с тем, что записано в uImage – не загружает его. Отказ от этой схемы привел к тому, что u-boot всегда загружает ядро Linux, и дал выигрыш в 1200 миллисекунд.
3. Уменьшение размера ядра Linux путём вынесения всего, что можно, в модули, которые загружаются позже. Это позволило уменьшить ядро Linux и значительно ускорить его чтение. Выигрыш составил 600 миллисекунд.
4. Включение аппаратного NAND ECC дало выигрыш в 200 миллисекунд.
5. Удаление инициализации из U-Boot неиспользуемых частей: I2C, SPI, USB Host, USB device, MMC, драйверов ext2-3, VFAT дало выигрыш в 700 миллисекунд.
6. Встраивание картинки «Loading» (чтобы показать, что прибор загружается) в образ U-boot взамен считывания ее картинки с NAND-памяти дало выигрыш в 100 миллисекунд.
7. Переписывание memmove под Cortex-A8. Это дало выигрыш в 2250 миллисекунд
   Всё в сумме привело к времени загрузки в 3000 миллисекунд вместо 15050.

Оптимизация Linux.

Были сделаны следующие оптимизации:

1. Удаление из конфига ядра инициализации всего «лишнего» (ненужные драйвера, отладочные опции и так далее). Это дало выигрыш в 100 миллисекунд
2. Вынесение всего, что возможно, в модули, которые загружаются позже. Это дало выигрыш в 8150 миллисекунд.
   Всё в сумме дало время загрузки в 1050 миллисекунд вместо 9200.

Оптимизация User Space

Схема загрузки до оптимизации включала следующие этапы:

1. Ядро Linux
2. Init скрипты
3. Монтирование раздела с настройками
4. Монтирование раздела с данными
5. Запуск Qt4 GUI программы.

В ходе оптимизации был убран раздел с настройками, которые стали хранится на основном разделе. Графическая программа на Qt4 начала запускаться как можно раньше чтобы показать меню программы как можно раньше, а остальные части загружать позднее.

В результате получилась следующая схема загрузки:

1. Ядро Linux
2. Qt4 GUI (не блокирующий запуск)
3. Init скрипты
4. Загрузка модулей ядра Linux
5. Монтирование раздела с данными
6. запуск Qt4 GUI программы

Также в ходе оптимизации было сделано следующее:

1. Перед запуском графической Qt4-программы ставится её скриношот. Сама программа запускается 1500 миллисекунд.
2. Файловая система заменена с JFFS2 на UBI, что дало выигрыш 5-10 секунд на монтировании
3. Графическая Qt4-программа переписана таким образом, чтобы сначала загружались те её части, которые отвечают за главное меню, и лишь потом – всё остальное

В ходе работы были получены результаты:

1. Показ меню прибора за 5 секунд
2. Показ графического ПО за 6.5 секунд
3. Полная загрузка прибора за 27 секунд

¹ http://omappedia.org/wiki/U-boot_Upstreaming_Project#X-loader_up-streaming.28SPL.29_-_OMAP4