Was muß ich tun, damit Embedded-Linux in einer Sekunde bootet?!
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- Emil Falko Kruse
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1 Was muß ich tun, damit Embedded-Linux in einer Sekunde bootet?! Jan Altenberg Linutronix GmbH 22. Mai 2013 Jan Altenberg Linutronix GmbH 1
2 from zero... Jan Altenberg Linutronix GmbH 2
3 to hero... Jan Altenberg Linutronix GmbH 3
4 Überblick Grundlagen Motivation Theoretische Grundlagen Optimierungen Bootloader Kernel Dateisystem Applikation Beispiel Analyse des Testsystems Optimierung des Testsystems Jan Altenberg Linutronix GmbH 4
5 Grundlagen Motivation Theoretische Grundlagen Optimierungen Bootloader Kernel Dateisystem Applikation Beispiel Analyse des Testsystems Optimierung des Testsystems Jan Altenberg Linutronix GmbH 5
6 Motivation Automotiveanwendungen Energie sparen Jan Altenberg Linutronix GmbH 6
7 Grundlagen Motivation Theoretische Grundlagen Optimierungen Bootloader Kernel Dateisystem Applikation Beispiel Analyse des Testsystems Optimierung des Testsystems Jan Altenberg Linutronix GmbH 7
8 Der erste Schritt: Anforderungsdefinition Wo liegt die Obergrenze für die Bootzeit? Welche Funktionalität muß nach dieser Zeit zur Verfügung stehen? Geschwindigkeit vs. Flexibilität Jan Altenberg Linutronix GmbH 8
9 Teilkomponenten des Bootprozesses Hardware-Reset Bootloader Betriebssystem (Laden von Treibern, Einbinden des Dateisystems) Startskripte / Applikation Jan Altenberg Linutronix GmbH 9
10 Kritische Hardwarekomponenten Netzteil Resetlogik Bootlogik / Bootreihenfolge Anbindung des Bootmediums Anbindung der benötigten Peripherie Wichtig: Die Hardware ist wesentlicher Bestandteil eines Fastbootkonzeptes!! Jan Altenberg Linutronix GmbH 10
11 Bootloader Basiskonfiguration der CPU Aufsetzen der sogenannten ATAGs Struktur Flushen der Caches Ausschalten der MMU Jan Altenberg Linutronix GmbH 11
12 Der Linux Kernel Viele Funktionen zur Bootzeitoptimierung Sehr flexibel Kompression Möglichkeiten zur Parallelisierung von Initialisierungen Ca. 150ms - 250ms bis zum Einbinden des Dateisystems Jan Altenberg Linutronix GmbH 12
13 Die Applikation In bestehenden Systemen oft am meisten Optimierungspotential Startskripte Linking Jan Altenberg Linutronix GmbH 13
14 Grundlagen Motivation Theoretische Grundlagen Optimierungen Bootloader Kernel Dateisystem Applikation Beispiel Analyse des Testsystems Optimierung des Testsystems Jan Altenberg Linutronix GmbH 14
15 Bootloader-Optimierungen (U-Boot) 1 Entfernen von im Feld nicht benötigten Features: 1 /* include/configs/boardname.h */ 2 [...] 3 # include <config_cmd_default.h> 4 #undef CONFIG_CMD_NET 5 [...] Jan Altenberg Linutronix GmbH 15
16 Bootloader-Optimierungen (U-Boot) 2 Verifizieren des Kernel Images: setenv verify n Keine Ausgaben der U-Boot Konsole: setenv silent 1 Warten auf Nutzereingabe: setenv bootdelay 0 Jan Altenberg Linutronix GmbH 16
17 Grundlagen Motivation Theoretische Grundlagen Optimierungen Bootloader Kernel Dateisystem Applikation Beispiel Analyse des Testsystems Optimierung des Testsystems Jan Altenberg Linutronix GmbH 17
18 Kerneloptimierungen: Konfiguration General setup ---> Kernel compression mode --> LZO für Embeddedsysteme sehr interessant Kopieren vs. Dekomprimieren Für Speichermedien mit wahlfreiem Lesezugriff steht auch Execute in Place (XIP) zur Verfügung Jan Altenberg Linutronix GmbH 18
19 Kerneloptimierungen: Commandlineparameter Parameter zur Analyse der Laufzeit im Bootprozeß: initcall_debug, printk_time=1 Delay Loop Calibration: lpj= ; Kann auf ARM9 Systemen > 100ms einsparen. Jan Altenberg Linutronix GmbH 19
20 Kerneloptimierungen: Delayloop... [ ] Calibrating delay loop BogoMIPS (lpj= ) [ ] pid_max: default: minimum: Jan Altenberg Linutronix GmbH 20
21 Kerneloptimierungen: initcall_debug [ ] calling 1 [ ] initcall exceptions_init+0x0/0x90 returned 0 after 0 usecs [ ] calling 1 [ ] initcall versatile_i2c_init+0x0/0x24 returned 0 after 0 usecs [ ] calling 1 [ ] Serial: AMBA PL011 UART driver [ ] dev:f1: ttyama0 at MMIO 0x101f1000 (irq = 12) is a PL011 rev1 [ ] console [ttyama0] enabled... [ ] initcall pl011_init+0x0/0x54 returned 0 after usecs Jan Altenberg Linutronix GmbH 21
22 bootgraph.pl 1. Vorbereitung: Booten mit initcall_debug loglevel=8 2. Auf dem Target: $ dmesg > bootlog.txt 3. Auf dem Host: $ cd linux-xxx $ cat /path_to_rfs/bootlog.txt \ perl scripts/bootgraph.pl > bootlog.svg Jan Altenberg Linutronix GmbH 22
23 scripts/bootchart.pl Jan Altenberg Linutronix GmbH 23
24 Grundlagen Motivation Theoretische Grundlagen Optimierungen Bootloader Kernel Dateisystem Applikation Beispiel Analyse des Testsystems Optimierung des Testsystems Jan Altenberg Linutronix GmbH 24
25 InitRAMFS dir /dev nod /dev/console c 5 1 nod /dev/loop b 7 0 dir /bin slink /bin/sh busybox file /bin/busybox initfs/busybox [...] dir /proc dir /sys dir /mnt Jan Altenberg Linutronix GmbH 25
26 InitRAMFS: Mehrstufiges booten Initprozeß für das InitRAMFS wird mit rdinit= festgelegt. Zum Beispiel: rdinit=/etc/init.d/start.sh Jan Altenberg Linutronix GmbH 26
27 InitRAMFS: Mehrstufiges booten /etc/init.d/start.sh: #!/bin/sh mount -t proc proc /proc mount -t sysfs sysfs /sys mount -t devtmpfs devtmpfs /dev mount /dev/mmcblk0p1 /media fbsplash -s /media/splash.ppm -d /dev/fb0 mount -o move /proc /mnt/proc mount -o move /sys /mnt/sys mount -o move /dev /mnt/dev exec switch_root /mnt /linuxrc Jan Altenberg Linutronix GmbH 27
28 Grundlagen Motivation Theoretische Grundlagen Optimierungen Bootloader Kernel Dateisystem Applikation Beispiel Analyse des Testsystems Optimierung des Testsystems Jan Altenberg Linutronix GmbH 28
29 Optimierungen der Applikation Analyse des Startprozesses mit bootchartd Ggf. direktes Starten der Applikation mit init= Überprüfung dynamisch gelinkter Applikationen pre-linking der Applikation function-reordering Jan Altenberg Linutronix GmbH 29
30 Dynamisches Linken 1. DT_RPATH Sektion des ELF Executables 2. Pfade, die in LD_LIBRARY_PATH spezifiziert sind 3. DT_RUNPATH Sektion des ELF Executables 4. Binärfile /etc/ld.so.cache 5. Defaultpfade /lib und /usr/lib Jan Altenberg Linutronix GmbH 30
31 Dynamisches Linken: Analyse $ LD_DEBUG=libs ls 3082: find library=librt.so.1 [0]; searching 3082: search cache=/etc/ld.so.cache 3082: trying file=/lib/librt.so.1 Jan Altenberg Linutronix GmbH 31
32 Grundlagen Motivation Theoretische Grundlagen Optimierungen Bootloader Kernel Dateisystem Applikation Beispiel Analyse des Testsystems Optimierung des Testsystems Jan Altenberg Linutronix GmbH 32
33 Testsystem ARM9 CPU der Atmel AT91 Serie Ausgangspunkt: Busybox Image der Angstrom Distribution Speichermedium: NAND-Flash Testapplikation: Toggeln eines GPIO über das SysFS GPIO-Interface Jan Altenberg Linutronix GmbH 33
34 Bootmodi der AT91 Familie RomBOOT: Booten über eine interne Bootlogik Booten über CS0 des External Bus Interface Jan Altenberg Linutronix GmbH 34
35 AT91 RomBOOT Jan Altenberg Linutronix GmbH 35
36 Einschaltverhalten / Netzteil Jan Altenberg Linutronix GmbH 36
37 Resetverhalten Jan Altenberg Linutronix GmbH 37
38 RomBOOT Jan Altenberg Linutronix GmbH 38
39 Fazit / Hardwareoptimierungen Internen Oszillator für Slowclock verwenden: > 1s Ersparnis Booten von CS0: 100ms - 150ms Ersparnis Jan Altenberg Linutronix GmbH 39
40 Grundlagen Motivation Theoretische Grundlagen Optimierungen Bootloader Kernel Dateisystem Applikation Beispiel Analyse des Testsystems Optimierung des Testsystems Jan Altenberg Linutronix GmbH 40
41 Bootzeitmessung mittels GPIO Jan Altenberg Linutronix GmbH 41
42 Initiales Bootverhalten Jan Altenberg Linutronix GmbH 42
43 Initiales Bootverhalten Messpunkt Zeit Bootstrap - Uboot Uboot - Kernel 6,5s Kernel - Applikation 4,5s Gesamt 11s Jan Altenberg Linutronix GmbH 43
44 Einfache Optimierungen Jan Altenberg Linutronix GmbH 44
45 U-Boot ohne Netzwerkunterstützung Messpunkt Zeit Bootstrap - Uboot Uboot - Kernel 4,25s Kernel - Applikation 4,5s Gesamt 8,75s Jan Altenberg Linutronix GmbH 45
46 U-Boot verify=n Messpunkt Zeit Bootstrap - Uboot Uboot - Kernel 3,89s Kernel - Applikation 4,5s Gesamt 8,39s Jan Altenberg Linutronix GmbH 46
47 Kernel abspecken Messpunkt Zeit Bootstrap - Uboot Uboot - Kernel 3,77s Kernel - Applikation 4,33s Gesamt 8,1s Jan Altenberg Linutronix GmbH 47
48 Analyse der Startskripte: Bootchartd Jan Altenberg Linutronix GmbH 48
49 Optimieren der Startskripte Messpunkt Zeit Bootstrap - Uboot Uboot - Kernel 3,77s Kernel - Applikation 3,61 Gesamt 7,38s Jan Altenberg Linutronix GmbH 49
50 Booten über eine RAMdisk / InitRAMFS Jan Altenberg Linutronix GmbH 50
51 LZO komprimiertes InitRAMFS Die Applikation wird direkt mit init= angestartet. Messpunkt Zeit Bootstrap - Uboot Uboot - Kernel 3,79s Kernel - Applikation 0,372s Gesamt 4,162s Jan Altenberg Linutronix GmbH 51
52 Modifizierter AT91 Bootstrap Jan Altenberg Linutronix GmbH 52
53 Modifizierter AT91 Bootstrap AT91 Bootstrap startet direkt Linux an. D.h. es wird ohne U-Boot gebootet. Messpunkt Zeit Bootstrap - Kernel 676ms Kernel - Applikation 584ms Gesamt 1,260s Jan Altenberg Linutronix GmbH 53
54 lpj= Messpunkt Zeit Bootstrap - Kernel 676ms Kernel - Applikation 384ms Gesamt 1,060s Jan Altenberg Linutronix GmbH 54
55 < 1s!! Jan Altenberg Linutronix GmbH 55
56 Keine Ausgaben auf serielle Schnittstelle (quiet) Messpunkt Bootstrap - Kernel Kernel - Applikation Gesamt Zeit 524ms 212ms 736ms Jan Altenberg Linutronix GmbH 56
57 LZO komprimiertes Kernelimage Messpunkt Bootstrap - Kernel Kernel - Applikation Gesamt Zeit 444ms 212ms 656ms Jan Altenberg Linutronix GmbH 57
58 Bootverhalten nach den Optimierungen Jan Altenberg Linutronix GmbH 58
59 Fazit Die Hardware ist wesentlicher Bestandteil eines Fastbootkonzeptes Linux bietet die optimale Plattform für jeden, der ein modernes Betriebssystem verwenden möchte, aber in weniger als 1s booten muß Bereits mit einfachen Optimierungen können mehrere Sekunden gespart werden Jan Altenberg Linutronix GmbH 59
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