导读：嵌入式Linux在应用中往往希望系统能在尽量短的时间内启动，以提高用户体验。而且在有的应用场合，对启动时间具有严格的时间要求，尤其在工业或者医疗器械应用领域。此时如何加快Linux的启动，将成为一个挑战，对于大多数应用开发人员而言，由于Linux系统的复杂性，对于如何提高启动速度，往往无从下手。那么读完优化嵌入式Linux的启动时间系列文章，将获得清晰完整的解决思路。本文将从优化文件系统的角度探讨如何缩短启动时间。
1. 文件系统
不同的存储介质会采用不同的文件系统：
1）块存储介质 (包括存储卡, eMMC)：
- ext2, ext3,ext4
- xfs, jfs,reiserfs
- btrfs
- f2fs
- SquashFS
2）Raw 闪存：
- JFFS2
- YAFFS2
- UBIFS
- ubiblock +SquashFS
对于块文件系统，特性各异：
- ext4：最适合较大的分区，良好的读写性能。
- xfs，jfs，reiserfs：在某些读或写场景中也可能很好。
- btrfs，f2fs：利用闪存块设备的特性，可以实现最佳的读写性能。
- SquashFS：对于只读分区，最佳挂载时间和读取性能。非常适合需要只读的根文件系统。
下面分别介绍各文件系统的详细特性。
1.1. JFFS2
用于RAW Flash:
- 挂载时间取决于文件系统的大小：内核必须在挂载时扫描整个文件系统，以读取属于每个文件的块。
- 需要使用CONFIG_JFFS2_SUMMARY内核选项将此类信息存储在Flash中。这大大减少了安装时间。
- ARM基准：对于128 MB分区，从16 s到0.8 s。
- 与YAFFS2和UBIFS相比，读写性能相当差。
1.3 YAFFS2
用于RAW Flash:
- 良好的安装时间
- 良好的读写性能
- 缺点：不压缩，不在主线Linux内核中
1.4. UBIFS
用于RAW Flash:
优势：
- 良好的读写性能（类似于YAFFS2）
- 其他优点：更好的磨损均衡（不仅可以在单个分区内，而且可以在整个UBI空间中使用）。
缺点：
- 不适用于小型分区（元数据开销过多）。请改用JFFS2或JAFFS2。
- 挂载时间不是很好，因为初始化UBI需要时间（UBI Attach：在引导时或在用户空间中运行ubi_attach）。
- 由Linux 3.7中引入的UBI Fastmap解决。
1.5. UBI Fastmap如何工作
- UBI 加载：需要通过扫描所有擦除块来读取UBI元数据。时间与存储空间成正比。
- UBI Fastmap将此类信息存储在几个闪存块中（通常在系统关闭期间在UBI分离时），并在引导时找到该信息。
- 这样可使UBI附加时间恒定。
- 如果Fastmap信息无效（例如，不正常的系统关闭），它将退回到扫描状态（速度较慢，但能保证正确，Fastmap在下次启动时将恢复）。
- 详细信息：Thomas Gleixner的ELCE 2012演讲：
http://elinux.org/images/a/ab/UBI_Fastmap.pdf
使用步骤：
- 使用CONFIG_UBI_FASTMAP配置编译内核
- 使用ubi.fm_autoconvert = 1内核参数至少引导一次系统。
- 以干净的方式重启系统
- 保证如上启动一次后可以删除ubi.fm_autoconvert = 1
UBI Fastmap性能测试举例：
- 在Linux 3.10的Microchip SAMA5D3 Xplained板（ARM）上测得
- UBI空间：216 MB
- 根文件系统：已使用80 MB（Yocto）
- 平均加载时间：
- 无UBI Fastmap，加载时间：968ms
- 有UBI Fastmap，加载时间：238 ms
可见UBI Fastmap 改善非常显著！
1.6. ubiblock + SquashFS
对RAW Flash ：
- ubiblock：位于UBI顶部的只读块设备
利用CONFIG_MTD_UBI_BLOCK配置编译。 - 允许将SquashFS放在UBI卷上。
- 引导时间和读取性能不错。非常适合于只读根文件系统。
2. 选取合适的文件系统
- RAW Flash :带有CONFIG_UBI_FASTMAP的UBIFS可能是最佳解决方案。
- 块存储：SquashFS是根文件系统的最佳解决方案，它可以是只读的。Btrfs和f2fs可能是读/写文件系统的最佳解决方案。
- 更改文件系统类型非常容易，并且对应用程序完全透明。只需尝试几个文件系统选项，看看哪个最适合！
- 不要只关注启动时间。
对于读写性能至关重要的系统，我们建议使用单独的根文件系统（以加快启动时间）和数据分区（以实现良好的运行时性能）。
2.1 Initramfs一个很好的方案是使用非常小的initramfs，以启动关键应用程序，然后切换到最终的根文件系统。
initramfs机制：将根文件系统集成到内核映像中，因此它与内核一起被加载到内存中：
- 它将文件系统的压缩存档集成到内核映像中
- 变种：压缩的initramfs固件也可以由bootloader单独加载。
initramfs在下面两种情况下非常有用：
- 快速启动且非常小的根文件系统。由于文件系统在启动时已完全加载，因此应用程序启动也非常快。
- 作为切换到实际根文件系统之前的中间步骤，该文件位于需要其驱动程序不属于内核映像的设备（存储驱动程序，文件系统驱动程序，网络驱动程序）上。始终在桌面/服务器发行版的内核上使用此选项，以保持内核映像大小合理。
2.2 内存中的initramfs
- 使用CONFIG_INITRAMFS_SOURCE选项在内核配置级别定义initramfs的内容
- 可以是包含根文件系统内容的目录的路径
- 可以是cpio归档文件的路径
- 可以是描述initramfs内容的文本文件
- 内核构建过程将自动获取CONFIG_INITRAMFS_SOURCE选项配置的内容，并将根文件系统集成到内核映像中
- 详细信息（在内核源文件中）：
Documentation/filesystems/ramfs-rootfs-initramfs.txt
Documentation/early-userspace/README
2.3 用initramfs启动过程
2.4 initramfs 降低启动时间
创建尽可能小的最小初始化文件，足以启动关键应用程序，然后使用switch_root切换到最终根文件系统：
- 使用轻量级的C库以减小固件大小，建议使用uClibc。
- 将BusyBox裁剪到最小。甚至可以不用BusyBox直接在C中实现/init。
- 使用静态链接的应用程序（较少的CPU开销，较少的库加载，较小的initramfs（如果根本没有库））。Buildroot中用BR2_STATIC_LIBS配置。
2.5 静态链接可执行文件
- 静态链接的可执行文件对于减小大小（特别是在小型initramfs中）非常有用，并且启动工作量较少。
- 如果您将initramfs放在压缩的内核映像中，请不要对其进行压缩（启用CONFIG_INITRAMFS_COMPRESSION_NONE）。
- 否则默认情况下，您的initramfs数据将被压缩两次，内核将更大，并且将花费更多的时间来加载和解压缩。
- 在Linux 5.1上的示例在Beagle Bone Black上具有1.60 MB的initramfs（tar存档大小）：这可以将内核大小从4.94 MB减少到4.74 MB（-200 KB），并节省大约170毫秒的启动时间。
后续会发布：
- 优化嵌入式Linux的启动时间之内核
- 优化嵌入式Linux的启动时间之bootloader
敬请关注！
首发：嵌入式客栈
作者：逸珺
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