嵌入式Linux系統(tǒng)主要特點在于使用Bootloader替代了桌面系統(tǒng)的BIOS，同時對系統(tǒng)進行了規(guī)模上的裁剪，但硬件上的劣勢往往導致系統(tǒng)啟動速度較慢，而嵌入式產品使用者又對系統(tǒng)的開機速度比較敏感，樣就產生了對于提高嵌入式Linux系統(tǒng)啟動速度的需求。本文對系統(tǒng)啟動時執(zhí)行哪些階段的操作，以及縮短這些操作時間的方法進行了探討。

1 嵌入式Linux系統(tǒng)啟動時序

目前，嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺和應用方向區(qū)別很大，但總體啟動流程一致的。這里的系統(tǒng)啟動是指從用戶執(zhí)行上電/復位操作，到系統(tǒng)開始提供用戶可接收的服務水平所需要的過程。典型的上電/復位時序如表1所列。

表1 嵌入式Linux系統(tǒng)啟動時序

2 Linux快速啟動方法

目前，一些Linux的發(fā)行版本已經對啟動速度進行了優(yōu)化。如果利用標準Linux進行開發(fā)，則啟動速度的提高主要是通過內核配置和各種補丁包來實現(xiàn)的。下面分析快速啟動的一些關鍵技術。

2.1 Firmware和Bootloader階段

目標板一旦確定，F(xiàn)irmware運行的時間就無法改變了，F(xiàn)lash和RAM的讀寫速度也就隨之確定了。但

如果復位時能夠繞過Firmware和Bootloader，即允許運行中的內核加載以及運行另一個內核，可以縮短啟動的時間。典型的實現(xiàn)有Kexec，它有2個組件，即用戶空間組件kexectools和內核補丁。另外一種辦法是在內核命令行中加入reboot=soft數(shù)，同樣可以跳過 Firmware，但是缺點在于無法從用戶空間調用。

對于正常啟動，可以選擇速度比較快的Bootloader，并對內核進行小型化處理；還可以使用高速的映像復制技術（如DMA2RAM），從而縮短復制的時間。為了縮短解壓消耗的時間，可尋求比較高效的壓縮算法。但一般情況下，壓縮比越高，算法越復雜，解壓速度就越慢，從而造成復制時間（與壓縮比成反比）和解壓時間（一般與壓縮比成正比）之間的矛盾。

2.2 內核階段

內核初始化時要對RealTime Clock (RTC)進行同步。此過程要占用1s的時間，可去掉以節(jié)約時間，但這樣CPU會與正確的時間有1s的偏差，如果關機時CPU時鐘又要保存在RTC中，偏差就會不斷累積。但對于使用外部時鐘源進行同步的系統(tǒng)，則可安全地跳過這個階段。

Preset LPJ可以用來縮短每次啟動時調用calibrate_delay()來校準loops_per_jiffy消耗的時間。這個時間開銷與CPU頻率無關，在典型的嵌入式硬件環(huán)境下會消耗300ms左右。LPJ值對于固定硬件平臺應該是一致的，可以只計算一次，在后續(xù)的啟動中就可以在啟動參數(shù)中強制指定LPJ值，而跳過實際的計算過程。具體方法是：在正常啟動后記錄下內核啟動信息中的"Calibrating Delay"數(shù)值，在啟動參數(shù)中以"lpj=xxxxxx"的形式強制指定。

啟動過程默認打開控制臺輸出啟動消息，但是控制臺尤其是基于幀緩沖的控制臺會減慢啟動速度。因此在嵌入式Linux產品中，將啟動過程中的控制臺設為靜默狀態(tài)，方法是在內核啟動參數(shù)中加入"quiet"。

設備搜索和驅動安裝是比較耗時的操作，因此要在編譯內核時確定需要安裝哪些驅動模塊，以免系統(tǒng)搜索那些根本不存在的設備，尤其是多余的IDE設備。對于啟動時暫時不用安裝的設備，盡量將驅動編譯成模塊，在以后空閑時或者使用設備時加載，而不是全部放在啟動階段。

2.3 用戶空間階段

傳統(tǒng)Linux的初始化腳本是由bash執(zhí)行的，在內核引導后啟動init進程(/sbin/init)。它使用一個ASCII文件(/etc/inittab)來改變運行級別，這個文件中又會調用RCSript，由RCSript查找/etc/rc.d/rc5.d/并啟動相應鏈接指向的系統(tǒng)服務。

消費電子類Linux系統(tǒng)需要啟用圖形界面等必要的服務，未經優(yōu)化的系統(tǒng)在這個過程中會默認啟動很多根本用不到或者當前用不到的系統(tǒng)服務，這一部分會花去較大的時間開銷。最簡單的優(yōu)化辦法就是根據(jù)實際需要，通過改寫服務配置文件定制系統(tǒng)服務。另外，init腳本的執(zhí)行是串行的，在腳本量大時會導致引導過程非常，因此可以考慮并行運行各種服務以加快啟動的速度?，F(xiàn)在已經出現(xiàn)了一些初始化程序來替代init進程，下面介紹initng和upstart。

initng（init nextgerneration）能夠并行啟動服務從而快速完成初始化工作。initng認為滿足了依賴關系的服務就可以啟動。在從外存加載一個腳本或等待硬件設備啟動的同時，可以運行另一個腳本來啟動別的服務，使系統(tǒng)在CPU 和 I/O 之間實現(xiàn)較好的平衡。作為一個基于依賴關系的解決方案，initng使用自己的初始化腳本集，它們對服務和守護進程的依賴性進行了編碼。如果某個服務依賴（使用 need關鍵字定義）于其他服務，則要保證啟動時它所依賴的所有服務均可用。無依賴關系的服務立即并行啟動，具有依賴關系的服務則要等待以安全啟動。

upstart與 initng的區(qū)別在于： upstart基于事件，任務/服務的啟動/停止都取決于它所等待的事件是否發(fā)生。upstart對事件的定義非常靈活，分為3類：edge (simple) events, level (value) events和temporal events。使用start/stop、事件名以及它所期待的值（可選）組成條目對觸發(fā)事件進行描述。事件依賴有兩種辦法：一種是任務自身導致事件發(fā)生，不管任務何時啟動/結束都會有事件發(fā)生，對于啟動時要執(zhí)行的基本任務，這種辦法比較有效；而對于較復雜的依賴關系，則可使用任務的Shell腳本工具。

2.4 預讀取和預鏈接

預讀取(Readahead)可以將文件（程序和庫文件）在使用之前預先加載到RAM緩存中，這樣就不用在使用時為讀取這個文件而訪問I/O。如果知道下一步操作要訪問哪些文件，就可以提前將它們全部

/部分讀取到緩沖區(qū)，從而加快執(zhí)行速度。嵌入式系統(tǒng)很多場合下對于下一步操作都是可預測的，比如系統(tǒng)啟動時總是以同樣的順序訪問同樣的可執(zhí)行/數(shù)據(jù)文件，文件塊的訪問往往是順序的，應用程序啟動時總是訪問同樣的程序文件段、共享庫、資源或者輸入文件。這樣使用預讀取有很強的針對性，從而提高程序執(zhí)行速度。[!--empirenews.page--]

ELF(Excutable and Linkable File)是目前Linux中的標準二進制格式，其啟動需要以下步驟：將共享庫映射到虛擬地址空間；解析符號引用；初始化每個ELF文件。由于共享庫是位置無關的，要在運行時完成部分重定位處理和符號查找的工作，才能跳到程序的入口點，因此在帶來靈活性的同時，也造成ELF文件的啟動速度緩慢，尤其是解析符號引用要消耗大量的時間，對于使用多個共享庫的大型程序更是如此。但在很多嵌入式系統(tǒng)中，可執(zhí)行文件和共享庫極少變化，而且每次程序運行時鏈接工作完全相同。

預鏈接(Prelink)利用這一點，修改ELF共享庫和二進制文件，將鏈接信息加入到可執(zhí)行文件中以簡化動態(tài)鏈接重定位，從而使程序啟動加快。預鏈接首先搜集要預鏈接的ELF二進制文件及其所依賴的共享庫，為每個庫分配唯一的虛擬空間位置，并將共享庫重新鏈接到這個基準位置（動態(tài)鏈接器要加載這個庫時，只要虛擬空間地址未被占用，它就會將庫映射到指定位置）；然后預鏈接解析二進制或者庫中的所有重定位，并將重定位信息存放到ELF對象，還要將所有依賴庫的列表及校驗和添加到二進制文件或庫中。對于二進制文件，還需列出所有的沖突（在共享庫的自然搜索范圍內對符號的解析不相同）。在運行時，動態(tài)鏈接器先檢查是否所有依賴的庫都已經映射到指定的位置，而且?guī)煳募]有變化，只考慮沖突而不用處理每個庫的重定位，這樣大大提高了程序啟動的速度。使用時要注意的是，若共享庫發(fā)生了改變，則使用它的所有程序都要重新鏈接，否則程序仍要進行耗時的正常重定位。