如何提高UBOOT的启动速度

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了如何提高UBOOT的启动速度相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1. 去掉不必要的硬件初始化，例如网络，usb等。
2. 缩写kernel image的大小。
3. 提高ARM cpu cache
4. ECC 校验去掉一些。
5，使用硬件解码。 参考技术A serve-u之类的对于单个用户来讲速度是没有什么影响的速度完全取决于你的线路质量和出口带宽以及用户数量和对方的情况至于繁体简体的问题可能是需要相应的语言包网上应该有简体的版本

全志 Linux 系统启动优化 启动优化速度方式 优化启动流程 优化uboot 优化kernel等

文章目录

1 概述

编写目的： 介绍TinaLinux下启动速度优化使用方法。

2 启动速度优化简介

启动速度是嵌入式产品一个重要的性能指标，更快的启动速度会让客户有更好的使用体验，在某

些方面还会节省能耗，因为可以直接关机而不需要休眠。

启动速度优化可提升产品的竞争力。对于某些系统来说，启动速度是硬性要求。

2.1 启动流程

TinaLinux系统当前的启动流程如下：

brom --> boot0 --> (monitor/secure os) --> uboot --> rootfs --> app

brom固化在IC内部，芯片出厂后就无法更改。

后续将从boot0开始分阶段介绍启动优化的方法。

对于某些方案，会存在monitor或secure os，这两者耗时很短，本文略过。

下文涉及到一些配置文件，提前在此说明。

env配置文件路径：

tina/device/config/chips/<chip>/configs/<board>/env.cfg #优先级高
tina/device/config/chips/<chip>/configs/<board>/linux/env-<kernel-version>.cfg #优先级中
tina/device/config/chips/<chip>/configs/default/env.cfg #优先级低

sys_config.fex路径：

tina/device/config/chips/<chip>/configs/<board>/sys_config.fex

uboot-board.dts路径：

tina/device/config/chips/<chip>/configs/<board>/uboot-board.dts

! 警告：如 果 存 在 uboot-board.dts ， uboot 会 使 用 uboot-board.dts 中 配 置； 如 果 不 存 在uboot-board.dts ， uboot 会使用 sys_config.fex 中的配置。(AW1886/V853 使用了 uboot-board.dts ）

2.2 测量方法

2.2.1 printk time

打开kernel配置，使能如下选项：

kernel hacking --->
    [*] Show timing information on printks

linux4.9

kernel hacking --->
    printk and dmesg options --->
        [*] Show timing information on printks

将会在内核的log前加入时间戳。

注：此方法主要用来测量内核启动过程中各个阶段的耗时。

2.2.2 initcall_debug

修改env文件，在kernel的cmdline中加入参数，

# 增加initcall_debug变量
initcall_debug=1

#将initcall_debug=$initcall_debug加入setargs_xxx中，如setargs_nand，setargs_mmc，setargs_nor，setatgs_nand_ubi等，
setargs_nand=setenv bootargs console=$console earlyprintk=$earlyprintk root=$nand_root initcall_debug=$initcall_debug init=$init

开启之后，启动中会打印每个initcall函数调用及其耗时。

注：此方法主要用来测量内核initcall的耗时。

一般需同时配置上内核符号表，即kallsyms选项，以打印函数名。

2.2.3 bootgraph.

在内核源码中自带了一个工具(scripts/bootgraph.pl)可用于分析启动时间,需要把log_buff加
大，要不然会丢失最早的启动信息：

make kernel_menuconfig

General setup --->
    (17) Kernel log buffer size (16 => 64KB, 17 => 128KB)
Kernel hacking --->
    printk and dmesg options --->
        [*] Show timing information on printks
  • kernel编译时需要包含CONFIG_PRINTK_TIME选项。
  • 在kernel cmdline加上"initcall_debug=1"。
  • 在系统启动完毕后执行"dmesg | perl $(Kernel_DIR)/scripts/bootgraph.pl > output.svg"。
  • 使用SVG浏览器（比如Inkscape，Gimp，Firefox等）来查看输出文件output.svg。

注：此方法主要用来测量内核启动过程中各个阶段的耗时。

2.2.4 bootchart

bootchart是一个用于linux启动过程性能分析的开源软件工具，在系统启动过程自动收集CPU
占用率、进程等信息，并以图形方式显示分析结果，可用作指导优化系统启动过程。

  • 修改kernel cmdline。修改env配置文件(路径见上文说明)，将其中的init修改为"init=/
    sbin/bootchartd"。
  • 收集信息。bootchartd会从/proc/stat，/proc/diskstat，/proc/[pid]/stat中采集信息，经
    过处理后保存为bootchart.tgz文件。
  • 转换图片。在PC上通过pybootchartgui.py工具将bootchart.tgz转换为bootchart.png，
    方便分析。

注：此方法主要用来测量挂载文件系统到主应用程序启动过程中的耗时。

2.2.5 gpio +示波器.

在适当的地方加入操作gpio的代码，通过示波器抓取波形得到各阶段耗时。

注：此方法可用来测量整个启动中各阶段的耗时。

2.2.6 grabserial.

Grabserial是Tim Bird用python写的一个抓取串口的工具，这个工具能够为收到的每一行信
息添加上时间戳。可从如下路径下载使用：https://github.com/tbird20d/grabserial

介绍文档：http://elinux.org/Grabserial

常见的用法：

sudo grabserial -v -S -d /dev/ttyUSB0 -e 30 -t

如果要在某个字符串重置时间戳，可以使用-m参数：

sudo grabserial -v -S -d /dev/ttyUSB0 -e 30 -t -m "Starting kernel"
  • -v显示参数等信息。
  • -s跳过对串口的检查。
  • -d指定串口，如上述为指定/dev/ttyUSB0为操作的串口。
  • -e参数指定时间，如上述命令表示抓取30s的串口记录。
  • -t表示加上时间戳。
  • -m匹配到指定字符串就重置时间戳的时间，也就是从 0 开始。

更多配置可以使用-h参数查看帮助。

注：此方法可用来测量整个启动中各阶段的耗时。

2.3 优化方法

注：本节提供一些优化方法以供参考，并非所有都在Tina上集成，主要原因有：

  • 优化没有止境。需要根据目标来选择优化方法，综合考虑优化效果与优化难度。
  • 优化需要具有针对性。由于各方案CPU个数及频率、flash类型及大小、kernel/rootfs压缩
    类型与尺寸、所需功能、主应用等的不同，需要针对性的进行优化。

2.3.1 boot0启动优化

boot0运行在SRAM，主要功能是对DRAM进行初始化，并将uboot、monitor、secure-os
等加载至DRAM。

2.3.1.1 非安全启动.

boot0可优化的地方不多，可以做的是：

  • 关闭串口输出。
  • 减少检测按键和检测串口的等待时间。
  • 加载uboot的时候，不要先加载后搬运，直接加载到uboot的运行地址。

对于spinor的方案，还可以直接从boot0启动，只需要在boot0中加载好kernel和dtb，
不需要经过uboot ，然后直接跳转到kernel运行，可节省一定的时间。如果采用boot0启
动OS，则boot0读取数据量较大，其flash驱动也需要进行优化，如提高时钟，开启双线/四
线/DMA/Cache等。

2.3.1.2 安全启动

对于安全方案来说，boot0还会对uboot、monitor、secure-os等进行签名校验，因为在启动
时需要引导SecoreOS,需要做一次环境切换，CPU由安全状态切换到非安全状态运行，所以对
于安全方案来说，不支持直接从boot0启动，然后加载dtb和kernel到内存，然后直接启动内
核，主要的优化手段较少，可以做的是：

  • 关闭串口打印。
  • 减少检测按键和检测串口的等待时间。
  • 加载uboot的时候，不要先加载后搬运，直接加载到uboot的运行地址。

2.3.2 uboot启动优化

uboot主要功能是引导内核、量产升级、电源管理、开机音乐/logo、fastboot刷机等。

2.3.2.1 完全去掉uboot

uboot的包含很多重要功能，通常会保留。某些情况可以去掉，直接从boot0加载内核并启动，
可节省一些时间。

2.3.2.2 避免burnkey的影响

对于启用了burnkey支持，且还没使用DragonSN工具将key烧录进去的板子，每次启动到
uboot都会尝试跟PC端工具交互产生如下log，带来延时。

[1.334]usb burn from boot
...
[1.400]usb prepare ok
usb sof ok
[1.662]usb probe ok
[1.664]usb setup ok
...
[4.698]do_burn_from_boot usb : have no handshake

如果产品不需要 burnkey，可将 uboot-board.dts 或 sys_config.fex 中的 [target] 下
burn_key设置为 0 。

或者使用DragonSN工具，烧录一次key，并设置烧录标志，以使后续启动可跳过检测。

2.3.2.3 提高CPU以及flash读取频率

可设置uboot-board.dts或sys_config.fex中的[target]下boot_clock来修改uboot运行
时CPU频率( 注：不能超过SPEC最大频率 )。

对于spinor/spinand，使用较高的时钟频率（一般是100M），使用四线模式或者双线模式（看
硬件是否支持），提高加载速度。

2.3.2.4 关闭串口输出.

可将uboot-board.dts或sys_config.fex中的[platform]下debug_mode设置为 0 来关闭
uboot的串口输出。

可将sys_config.fex中的[platform]下debug_mode设置为 0 来关闭boot0串口输出。

配置此项后，如果还有少量输出，有两个可能的原因：

第一是这些输出是在获取debug_mode流程之前产生。

第二是因为源码中直接使用了puts而没有使用printf。

对于这两者情况，需要修改源码来完全关闭串口输出。

2.3.2.5 修改kernel加载位置

如果uboot将内核加载到DRAM的地址与内核中load address不匹配，就需要将内核移动到
正确位置，这样会浪费一定的时间。因此，可以直接修改uboot加载内核为正确的地址。

具体是修改env文件(路径见上文)的boot_normal与boot_recovery变量。

需要根据不同的内核镜像格式来设置不同的值 。

假设kernel的load address为0x40008000。

  • 如果使用的是uImage，也就是在kernel的镜像前加了 64 字节，所以uboot应该将kernel 加载到0x40008000 - 0x40 = 0x40007fc0。
#uImage/raw
boot_normal=sunxi_flash read 40007fc0 $boot_partition;bootm 40007fc
boot_recovery=sunxi_flash read 40007fc0 recovery;bootm 40007fc
  • 如果使用的是boot.img，即android的kernel格式，其头部大小为0x800，所以uboot应该将kernel加载到0x40008000 - 0x800 = 40007800。
#boot.img/raw
boot_normal=sunxi_flash read 40007800 $boot_partition;bootm 40007800
boot_recovery=sunxi_flash read 40007800 recovery;bootm 40007800

如果uboot加载kernel地址与load address不匹配，uboot过程中串口输出可能会有：

Loading Kernel Image ... OK

如果是匹配的，uboot过程中串口输出可能会有：

XIP Kernel Image ... OK
2.3.2.6 修改kernel加载大小

最新代码会根据uImage/boot.img的头部信息，只读取必要的大小，可忽略此优化项。

对于旧代码，uboot在加载内核的时候，有些情况会直接将整个分区读取出来,uboot-2018会自
读取kernel镜像的大小。

就是说假如内核只有2M，而分区分了4M的话，uboot就会读取4M。这种情况下，可以将分
区大小设置得刚好容纳下内核，这样可避免uboot在加载内核的时候浪费时间。

nor方案修改sys_partiton_nor.fex的boot分区大小

nand/emmc可修改sys_partition.fex中boot分区的大小。

uboot具体读出多少，通常会有log信息，可同真正内核镜像的size进行比较。

2.3.2.7 关闭kernel校验

uboot加载了内核以后，默认会对内核进行校验，可以在串口输出中看到：

Verifying Checksum ... OK

如果不想校验可以去掉，目前的情况是可以减少几十毫秒(不同平台，不同内核大小，时间不同)
的启动时间。

具体修改env配置文件（路径见上文），新增一行"verify=no"。

2.3.2.8 uboot重定位

目前的启动过程中，uboot在执行过程中会进行一次重定位，可以在串口中打印出这个值，然后
修改uboot的加载地址使得boot0将uboot加载进DRAM的时候就直接加载到这个地址。

  • 对于uboot-2014版本的位置为tina/lichee/brandy/u-boot*/include/configs/suniwp*.h
    中的
c #define CONFIG_SYS_TEXT_BASE=0x
  • 对于uboot-2018在对应的configs/suniwp*_defconfig文件中
c CONFIG_SYS_TEXT_BASE=0x

但这个方法有个弊端，如果后续修改了uboot的代码，则可能需要重新设置。

目前这个操作耗时很少（某平台测得十几毫秒），不必要的话不建议做这个修改。

2.3.2.9 裁剪uboot.

即使流程没有简化，uboot体积的减小也可减少加载uboot的时间。

依据具体情况，可对uboot不需要的功能的模块进行裁剪，避免了启动中执行不必要的流程，可
减少uboot加载时间。

2.3.2.10开启logo及音乐.

可尝试在uboot中开启开机logo/音乐，尽快播出第一帧/声，提升用户体验。

此操作会延缓到达OS/APP的时间，但如果产品定义/用户体验是以第一帧/声为准的话，则有较
大价值。

2.3.3 kernel启动优化.

通常来说，内核启动耗时较多，需要更深入的优化。

2.3.3.1 kernel压缩方式.

比较不同压缩方式的启动时间和flash占用情况，选择一种符合实际情况的。

此处给出某次测试结果供参考。实际优化的时候，需要重新测试，根据实际情况选择。

压缩方式内核大小/M加载时间/s解压时间/s总时间/s
LZO2.40.380.230.61
GZIP1.90.350.440.79
XZ1.50.252.172.42
2.3.3.2 加载位置

内核镜像可以由kernel自解压，也有uboot进行解压的情况。

对于kernel自解压的情况，如果压缩过的kernel与解压后的kernel地址冲突，则会先把自己
复制到安全的地方，然后再解压，防止自我覆盖。这就需要耗费复制的时间。

比如对于运行地址为0x40008000的内核来说，bootloader可以将其加载到0x41008000，
当然其他位置也可以。

2.3.3.3 内核裁剪

裁剪内核，带来的加速是两个方面的。一是体积变小，加载解压耗时减少；二是内核启动时初始

化内容变少。

裁剪要根据产品的实际情况来，将不需要的功能及模块都去掉。

具体是执行"make kernel_menuconfig"，关闭不需要的选项。可参考《TinaLinux_系统裁剪开发指
南.pdf》。

2.3.3.4 预设置lpj数值

LPJ也就是loops_per_jiffy，每次启动都会计算一次，但如果没有做修改的话，这个值每次启动
算出来都是一样的，可以直接提供数值跳过计算。

如下log所示，有skipped，lpj由timer计算得来，不需要再校准calibrate了。

[ 0.019918] Calibrating delay loop (skipped), value calculated using timer frequency..
48.00 BogoMIPS (lpj=240000)

如果没有skipped，则可以在cmdline中添加lpj=XXX进行预设。

2.3.3.5 initcall优化

在cmdline中设置initcall_debug=1，即可打印跟踪所有内核初始化过程中调用initcall的顺
序以及耗时。

具体修改env配置文件（路径见上文），新增一行"initcall_debug=1"，并在"setargs_*“后加入”
initcall_debug=$initcall_debug"，如下所示。

setargs_nand=setenv bootargs console=$console console=tty0 root=$nand_root init=$init
loglevel=$loglevel partitions=$partitions initcall_debug=$initcall_debug

加入后，内核启动时就会有类似如下的打印，对于耗时较多的initcall，可进行深入优化。

[ 0.021772] initcall sunxi_pinctrl_init+0x0/0x44 returned 0 after 9765 usecs
[ 0.067694] initcall param_sysfs_init+0x0/0x198 returned 0 after 29296 usecs
[ 0.070240] initcall genhd_device_init+0x0/0x88 returned 0 after 9765 usecs
[ 0.080405] initcall init_scsi+0x0/0x90 returned 0 after 9765 usecs
[ 0.090384] initcall mmc_init+0x0/0x84 returned 0 after 9765 usecs
2.3.3.6 内核initcall module并行

内核initcall有很多级别，其中启动中最耗时的就是各module的initcall，针对多核方案，可
以考虑将module initcall并行执行来节省时间。

目前内核do_initcalls是一个一个按照顺序来执行，可以修改成新建内核线程来执行。

注：当前Tina还未加入该优化。

2.3.3.7 减少pty/tty个数

加入initcall打印之后，部分平台发现pty/tty init耗时很多，可减少个数来缩短init时间。

initcall pty_init+0x0/0x3c4 returned 0 after 239627 usecs
initcall chr_dev_init+0x0/0xdc returned 0 after 36581 usecs
2.3.3.8 内核module.

需要考虑启动速度的界定，对于内核module的优化主要有两点：

  • 对于必须要加载的模块，直接编译进内核
  • 对于不急需的功能，可以编译成模块。

比如某个应用，会开启主界面联网，启动速度以出现主界面为准，那么可以考虑将disp编入内
核，wifi编译成模块，后续需要时再动态加载。

2.3.3.9 Deferred Initcalls

介绍页面及patch：http://elinux.org/Deferred_Initcalls

打上这个patch之后，可以标记一些initcall为Deferred_Initcall。这些被标记的初始化函
数，在系统启动的时候不会被调用

进入文件系统后，在合适的时间，比如启动主应用之后，再通过文件系统接口，启动这些推迟了
的调用，彻底完成初始化。

2.3.4 rootfs启动优化

rootfs启动优化主要是优化rootfs的挂载到init进程执行。

2.3.4.1 initramfs

initramfs是一个内存文件系统，会占用较多DRAM。

部分产品可能会用到initramfs来过渡到rootfs，其优化思路大体与rootfs类似。可参考本节后
续的优化方案。

2.3.4.2 rootfs类型以及压缩.

存储介质、文件系统类型，压缩方式对rootfs挂载有很大影响。

此处给出某次测试结果供参考。实际优化的时候，需要重新测试，根据实际情况选择。

类型压缩介质总时间/s
squashfsgzipemmc0.12
squashfsxzemmc0.27
squashfsxznand0.26
ext4-emmc0.12
2.3.4.3 rootfs裁剪

文件系统越小，加载速度越快。裁剪的主要思路是：删换压，即删除没有用到的，用小的换大

的，选择合适的压缩方式。

2.3.4.4 指定文件系统类型

内核在挂载rootfs时，会有一个try文件系统类型的过程。可以在cmdline直接指定，节省时
间。

具体是在cmdline中添加"rootfstype="，其中type为文件系统类型，如ext4、squashfs
等。

2.3.4.5 静态创建dev节点.

对于dev下面的节点，事先根据实际情况创建好，而不是在系统启动后动态生成，理论上也可以
节省一定的时间。

2.3.4.6 rootfs拆分

可以将rootfs拆分成两个部分，一个小的文件系统先挂载执行，大的文件系统根据需要动态挂
载。

2.3.5 主应用程序启动优化.

主应用程序主要是由客户开发，因此主导优化的还是客户，这里提一些优化措施：

  • 提升运行顺序。将应用程序放在init很前面执行。
  • 动态/静态链接。
  • 编译选项。
  • 暂时不使用的库采用dlopen方式。
  • 应用程序拆分。

3 Tina启动速度优化

Tina中启动优化主要依靠宏CONFIG_BOOT_TIME_OPTIMIZATION来完成，该宏会进行如
下工作：

  • 调整Linux内核镜像的压缩方式，调整rootfs的压缩方式。具体如何调整需要依据具体方案进
    行预先设定。
  • 使boot0、uboot、kernel的打印不会输出到控制台。具体是在scripts/pack_img.sh脚本
    中完成。
  • uboot加载内核时不进行校验。具体是在scripts/pack_img.sh脚本中完成。
  • 设置内核命令行参数rootfstype，某些情况下会加快根文件系统的加载。具体是在scripts/-
    pack_img.sh脚本中完成。
  • 部分方案会调整kernel镜像的加载地址。具体是在scripts/pack_img.sh脚本中完成。

注：通过该宏预计可达到70%左右的优化效果，如还需优化，可参考第二章的内容。

3.1 开启Tina启动速度优化.

在tina根目录下执行make menuconfig使能CONFIG_BOOT_TIME_OPTIMIZATION，
具体如下所示

Tina Configuration
    └─> Target Images
        └─>[*] kernel compression mode setting ----
            └─>Compression (Gzip) --->
                └─> ( ) Gzip
                ( ) LZMA
                ( ) XZ
                (X) LZO
        └─>[*] Boot Time Optimization

注：如果看不到该选项，使用？键搜索，会发现此项有一些依赖选项，使能依赖选项即可看到

Boot Time Optimization

3.2 实验结果

在某norflash方案上开启CONFIG_BOOT_TIME_OPTIMIZATION后，启动速度提升效果
如下：

  • Linux内核镜像压缩方式从GZIP换成LZO，优化> 0.2s。
  • rootfs从squashfs XZ压缩换成squashfs GZIP压缩，优化> 0.15s。
  • 屏蔽boot0、uboot、kernel启动阶段控制台打印，优化> 2s。
  • 取消内核加载时的校验，优化0.3～0.4s。

注：对于不同的方案，由于CPU运算速度、存储器类型、内核压缩及尺寸、根文件系统类型及尺

寸、主应用等的不同，优化结果会有一定差异，请以实际优化结果为准。

4 参考资料

  • [1] https://elinux.org/Boot_Time
  • [2] https://docs.blackfin.uclinux.org/doku.php?id=fast_boot_example
  • [3] https://github.com/tbird20d/grabserial
  • [4] http://www.bootchart.org
  • [5] A Framework for Optimization of the Boot Time on Embedded Linux Environment
    with Raspberry Pi Platform

以上是关于如何提高UBOOT的启动速度的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

全志 Linux 系统启动优化 启动优化速度方式 优化启动流程 优化uboot 优化kernel等

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