Erzielen schneller Start-up-Zeiten für Embedded Systeme

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1 Erzielen schneller Start-up-Zeiten für Embedded Systeme Einfluss von Speichermedien auf Startzeit und Sicherheit von Embedded Systemen ECC Mai 2016 Kei Thomsen MicroSys Electronics GmbH

2 Agenda Ziele: Bootzeit verkürzen bei Embedded Systemen Sicherheit bei Speichermedien Was bedeutet Fast-Boot? Embedded Systeme, deren Bootmedien und -verhalten Was kostet wirklich Zeit? Wie finde ich heraus, was wie lange dauert? Zusammenfassung 2

3 Was bedeutet Fast-Boot? Zeitgefühl ist abhängig von der Anwendung Ist ein Windows Start unter 30 Sekunden schon schnell? (Standardbetriebssystem Windows / Linux) Wann ist mein Navigationssystem mit der aktuellen Position und Karte gestartet? (komplexes RTOS) Will ich über 1 Sekunden auf den Start meines Fotoapparats warten? (einfaches RTOS) Ein Endoskop muss nach einem Stromausfall nach 0.8 Sekunden wieder gestartet sein, inklusive Grafik auf 2 Bildschirmen: geht nicht? DOCH! (Spezialisiertes RTOS) Fast-Boot = Systemstart von Null an (nicht ein Low-Power State wieder anfahren) 3

4 Warnhinweis Die folgende Folie enthält beunruhigende Informationen und ist deswegen für Zuschauer unter 16 Jahren nicht geeignet. ESE-Kongress, Dezember

5 Bootmedien im Vergleich SD/µSD emmc CF-Card NOR Flash SPI NOR Flash NAND Flash Anschluss SD Controller SD Controller IDE CPU Bus SPI NAND Controller Bus Bits 4 4 / / 16 / 32 / Speed (MB/Sek.) >20 > (>20 DMA) Mbit/sec 5-8 Typ. Größe 1-32 GB 8-32 GB 32 MB - 32 GB 2-64 MB MB ¼ 4 GB Cent/MB MLC: 0,12 Cent SLC: 0,63 Cent MLC: 0,10 Cent MLC: 0,15 Cent SLC: 0,63 Cent 19 Cent 16 Cent MLC: 0,2 Cent SLC: 0,6 Cent Startzeit (Sek.) * 1,5 1,5 2,4 0,3 1,8 2,4 Pro einfaches austauschen direkt verbaut mit hoher Kapazität Contra Steckkontakte theoretisch SD / MMC kompatibel. Praktisch immer wieder Probleme. Sicherheit MLC: niedrig SLC: mittel MLC: niedrig einfaches austauschen Steckkontakte MLC: niedrig SLC: mittel extrem schnell, direktes Ausführen wenig Kapazität, Filesystem nicht Sinnvoll Direkt verbaut, sehr sicherer Speicher wenig Kapazität, Filesystem nicht Sinnvoll direkt verbaut mit hoher Kapazität defekt durch schreiben, Ersatz schwierig Hoch Hoch MLC: niedrig SLC: mittel Treiber Aufwand Mittel Hoch Mittel bis Hoch Zum Schreiben Mittel Hoch Empfehlung Regelmäßig tauschen / ersetzen Scrubbing durch alles lesen aktivieren Regelmäßig tauschen / ersetzen Kein Filesystem Kein Filesystem Nur Read-Only nutzen. Scrubbing notwendig! Frust Faktor Mittel Hoch Mittel Niedrig Niedrig Sehr Hoch * Werte eines OS-9 Systems mit grafischer Applikation SLC = Single Level Cell MLC = Multi Level Cell (Schwarze Magie) TLC = Triple Level Cell (Alien Technologie) 5

6 Embedded Systeme Bootzeit Optimierung Komprimiertes oder unkomprimiertes OS-Image Ist die Lade-Zeit länger als die Dekomprimier-Zeit? Kleines OS-Image Schnelle Ladezeit des OS Treiber im OS sind eventuell schneller als U-Boot (z.b. DMA) Nachladen der Komponenten damit schneller Großes OS-Image Wenn wir schon am laden sind, dann gleich alles auf mal Kein Nachladen von Komponenten nötig Da die Bootmedien, Boards, Betriebssysteme und Komponenten zu unterschiedlich sind, gibt es keine pauschale Aussage und die Bootzeit muss individuell ermittelt und optimiert werden. 6

7 Embedded Systeme Bootzeit Optimierung Beispielsystem: FreeScale P1022 Linux (ELDK 5.2 von Denx) Applikation QT Grafik Normaler Start (vorher) 24 Sekunden Unkomprimiertes Image -3 Sekunden SD statt NAND -6 Sekunden Jetzt 17 Sekunden Vergleich dazu mit RTOS (OS-9): 2.8 Sekunden 7

8 Embedded Systeme Zeitfresser beim Start Bootmedium Ethernet Link Autonegotiation 1-3 Sekunden für Link Erkennung 5+ Sekunden Timeout (wenn kein Kabel angeschlossen) Wartet der Kernel auf die Beendigung, dann sind das 1-5+ Sek. USB - Bus Explore Pro Hub 2-3 Sekunden Pro Device 1 Sekunde Abhilfe: Ethernet & USB erst Starten, wenn Scheduling zur Verfügung steht und dieses im Hintergrund laufen kann In unserem Beispiel hat das weitere 6 Sekunden gebracht 8

9 Zeitfresser erkennen Fast jede Embedded Hardware hat eine serielle Schnittstelle für Systemstart (U-Boot, Kernel Meldungen, Konsole). Viele Terminal Programme wie z.b. TeraTerm (Frei) haben Logging Funktion mit Zeitstempel. Tipp: Wenn möglich ein echte serielle Schnittstelle im PC benutzen. Die USB-Seriell Adapter haben einen sehr großen Puffer, so dass mehrere Zeilen mit dem gleichen Zeitstempel versehen werden. Empfohlene Baudrate >= Baud. 9

10 Zeitstempel Auswertung [Wed Sep 05 13:53: ] NAND read: device 0 offset 0x1fb00000, size 0x [Wed Sep 05 13:53: ] bytes read: OK [Wed Sep 05 13:53: ] NAND read: device 0 offset 0x200000, size 0x [Wed Sep 05 13:53: ] bytes read: OK [Wed Sep 05 13:53: ] ## Booting kernel from Legacy Image at [Wed Sep 05 13:53: ] Image Name: Linux [Wed Sep 05 13:53: ] Created: :21:20 UTC [Wed Sep 05 13:53: ] Image Type: PowerPC Linux Kernel Image (gzip compressed) [Wed Sep 05 13:53: ] Data Size: Bytes = 3.3 MiB [Wed Sep 05 13:53: ] ## Flattened Device Tree blob at 00c00000 [Wed Sep 05 13:53: ] [Wed Sep 05 13:53: ] [Wed Sep 05 13:53: ] Booting using the fdt blob at 0xc00000 Uncompressing Kernel Image... OK Loading Device Tree to 00ffa000, end 00ffffff... OK [Wed Sep 05 13:53: ] ADDRCONF(NETDEV_UP): eth0: link is not ready [Wed Sep 05 13:53: ] PHY: mdio@ffe24000:01 - Link is Up /Half [Wed Sep 05 13:53: ] ADDRCONF(NETDEV_CHANGE): eth0: link becomes ready Δt 0.5s Δt 0.7s Δt 3.1s Δt 1.0s 10

11 Zusammenfassung Mal eben schnell is nich, um schnelle Bootzeiten zu erzielen. Viel Hardwarewissen und Betriebssystem-Verständnis nötig Geeignetes Betriebssystem auswählen Auswahl des Bootmediums nach Preis, Geschwindigkeit und Sicherheitsanforderungen Logging: Zeitstempel Auswertung des Systemstart 11

12 Fragen? Weitere Informationen im Ausstellerbereich bei Trenew Electronic AG und MicroSys GmbH Kei Thomsen OS-9 Entwicklung, embedded System Design & Engineering Internet: MicroSys Electronics GmbH Mühlweg 1 D Sauerlach 12