怎樣在1秒內啟動Linux

盡可能快的啟動系統，對于自動化設備是非常重要的。系統能夠在用戶無法感知的時間內啟動，也就意味著在不需要工作時，可以完全切斷電源，而不是掛起進入休眠狀態。本文基于Atmel AT91系列片上系統和NAND閃存，經過一系列的優化，將Linux系統啟動時間，從最初的11秒，降低到最終的656毫秒。

背景知識

系統從上電到完全啟動，需要經過許多過程。一個簡化的啟動流程大概包含：

硬件重置啟動引導程序（bootloader）操作系統初始化應用程序執行

其中硬件非常關鍵，但是硬件一般難以更改。后續的優化，主要針對引導程序、Linux內核和應用程序展開。

引導程序優化

引導程序主要完成對CPU的基礎設置，處理ARM標記（ATAGS，ARM TAGS）或設備樹（device trees），切換存儲管理單元（MMU，Memory Management Unit）等工作。

對于U-Boot，常用的優化方式有：

刪除不不要的功能：如網絡加載等，如果不需要，那么直接移除這些代碼吧；關閉不需要的功能關閉內核鏡像驗證關閉引導程序輸出關閉啟動延遲將通用功能的引導程序修改成一個優化后的初始程序加載器（Initial Program Loader，IPL），對于U-Boot，可以通過SPL（Second Program Loader，第二階段程序加載器）來實現。內核優化

Linux內核被設計的非常靈活，可以針對需要的功能做各種配置優化。因此，優化內核對于系統啟動速度是至關重要的。

首先，移除一切不要的驅動，盡可能的減少內核加載的內容，能夠大大縮短系統啟動時間。其次，還有很多內核選擇可能需要進一步嘗試，比如內核壓縮方式，對于嵌入式系統來說，LZO壓縮方式，通常會是一個不錯的選擇。最后，還可以通過定制一些啟動參數，達到加快啟動的目的。例如可以通過“lpj=”參數，預設每個循環需要的節拍數（loops per jiffy，lpj）的值，避免系統在啟動時自動推算。這樣在基于ARMv5的系統中，可以節省100ms以上的時間。

對于內核啟動的優化，可以通過bootgraph.pl腳本（位于內核源碼的script/bootgraph.pl）來繪制內核啟動耗時圖表，用以分析啟動最耗時的地方。這個腳本使用非常簡單，直接將dmesg的輸出作為其輸入，即可生成svg圖表：

dmesg | perl scripts/bootgraph.pl > output.svg

生成的圖表如下圖，

圖中每一個色段表示一個功能的初始化耗時?？梢院唵蔚年P閉不需要的功能，或者針對功能進行特定的優化。

除了內核本身之外，內核所在的文件系統也對系統啟動有著非常大的影響。對于使用閃存芯片作為存儲的系統來說，UbiFS是一個很好的選擇。它能夠容忍意外斷電，有著出色的掛載速度，以確保系統快速啟動。

應用程序優化

內核完成系統啟動之后，接來下就是執行應用程序。對于應用程序的優化，主要有兩部分，一部分是由應用程序來接管啟動的INIT進程，另一部分是優化應用程序的鏈接方式。

標準的SystemV INIT程序，需要執行一堆啟動腳本。對于嵌入式系統來說，大部分是沒有意義的。另一部分（比如掛載文件系統），可以由應用程序自己來實現。然后，可以在內核啟動參數中通過“init=”參數，將INIT進程直接指定為應用程序。

應用依賴的動態鏈接庫，會按照以下順序查找：

LD_PRELOAD環境變量指定的路徑（一般對應文件/etc/ld.so.preload）；ELF .dynamic節中DT_RPATH入口指定的路徑，若DT_RUNPATH入口不存在的話；環境變量LD_LIBRARY_PATH指定的路徑，但如果可執行文件有setuid/setgid權限，則忽略這個路徑；編譯時指定--library-path會覆蓋這個路徑；ELF .dynamic節中DT_RUNPATH入口指定的路徑；ldconfig緩存中的路徑（一般對應/etc/ld.so.cache文件），若編譯時使用了-z nodeflib的鏈接選項，則此步跳過；/lib，然后/usr/lib路徑 ，若使用了-z nodeflib鏈接選項，則此步亦跳過；

因此，盡可能的將應用程序依賴的動態鏈接庫放到優先查找的路徑，可以加快鏈接速度。對于交叉編譯環境特別需要注意，主機上的動態鏈接庫位置和目標系統上的位置可能不一致，這會增加應用程序執行時動態鏈接庫的加載時間。

總結

基于上面提到的三個優化點，可以將系統的啟動時間，從最初的11s降低到656ms（數據參考Jan Altenberg在都柏林舉行的嵌入式Linux會議上的演講稿）。從硬件到引導程序再到內核最后到應用程序，每個啟動步驟都有自己可優化的地方，經過一些簡單的優化，就可以減少系統的啟動時間。