基于Linux嵌入式系统启动优化的研究

论文 周报 开题分析

研究背景

随着互联网时代的到来，搭载智能操作系统的无人机、车载电脑、家庭智能设备等嵌入式终端成为了互联网关键入口和创新平台，目前，全球嵌入式终端市场正在以爆炸性的态势增长，嵌入式终端被应用到工业、医疗、交通、军事等各个领域。为了满足用户的需求，嵌入式设备功能越来越强大，同时启动时间越来越长，严重影响了用户的体验。

国内外研究现状

根据国际电气和电子工程师协会（IEEE）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置，机器和设备运行的装置”。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心，计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用操作系统。因此需要在启动速度、实时性、系统尺寸、电源管理等方面进行优化。近年来，Linux凭借其开源和稳定等优良特性广泛应用与嵌入式系统上。但是，作为原本为PC机设计的操作系统，设计者并没有考虑嵌入式应用对启动时间的要求，导致了其典型的启动时间都在几十秒或者以上，这对于用户来说是不能容忍的。因此加快启动速度已经成为嵌入式待解决的关键问题之一。

RTLinux是由美国新墨西哥州的fsmlabs(finite state machine labs, 有限状态机实验室)公司开发的、利用linux开发的面向实时和嵌入式应用的操作系统。RTLinux是Linux在实时性方面的扩展，采用已获得专利的双核技术:一个微型的RTLinux内核把原始的Linux内核作为它在空闲时的一个线程来运行。遵循传统的Linux启动流程，并没有做太大的优化。

QNX是加拿大Blackberry (黑莓)公司开发的一个分布式、嵌入式实时操作系统。目前QNX系统已普遍应用于车载终端。QNX启动过程是：打开设备电源，自动穷加载器（Boot Loader）为加载操作系统和软件做准备，加载器加载（OS kernel），kernel执行完后启动必要的驱动程序和服务，启动第一个应用程序，应用程序显示界面。为了更好的用户体验，生产商提出开机自动续播技术，在启动后自动续播关机前的播放源。这需要在启动第一个应用程序之后，启动额外的服务判断播放源。因此启动速度是十分不尽人意的。

研究的主要内容

基于Linux嵌入式系统传统的启动流程是：

BIOS->Bootloader->kernel->service and application
BIOS控制权交给bootloader，bootloader负责载入内核和rootfs的镜像，解压（如果压缩的情况下）镜像，控制权交给kernel，kernel执行结束，启动上层的应用和服务。嵌入式的kernel是裁剪过的、小巧的kernel。整个启动过程中，最耗时间的是上层的应用和服务。

目前，对加快嵌入式Linux启动速度的研究主要有以下三个方面：

• 减小kernel和rootfs镜像， 由此减少读外存的时间
• 延迟设备初始化操作
• kernel XIP
• 基于Linux电源管理的 Suspend to disk（最为有效的优化方案）

suspend to disk描述

安卓采用这种方式优化自身启动，这个过程简单描述就是在关机之前把内存、寄存器和设备状态全部记录在镜像中，保存在外存上。下次开机的时候bootloader检查如果镜像存在，直接载入镜像恢复系统。这种优化方式十分有效，但是也存在以下问题：
1.外存读写比起计算速度慢了很多，如果镜像比较大的话，启动时间反而变长了。
2.suspend to disk是在关机之前需要执行的，读写外存速度很慢，延长了关机时间
3.如果在镜像没有完整存储在外存之前关机了，会导致恢复失败

• 在嵌入式中使用suspend to disk机制
• 解决上面提到的问题
  解决问题1，镜像需要保存的数据有：内存、寄存器和设备状态。其中内存是很大一部分可以通过减少需要保存的内存页面达到缩小镜像的大小，比如说镜像压缩存储或者镜像只记录脏页，干净页不记录。在后面启动之后，如果要用到并没有保存下来的干净页面会引发缺页异常。或者根据程序运行局部性原理，不记录很久没有使用的页面等等。这样可以减少50%-70%的需要存储的页面，启动时间减少50%。
  问题2和3要求不要在关机之前一次创建快照，可以一次创建快照，每次启动都使用同一个这个快照。这样问题就转换成了解决快照和系统状态的一致性问题和快照损坏（虽然不常见也是会发生的）
  的问题。创建一个守护进程定时用来同步系统状态，如果快照损坏，守护进程也能很快感知到。如果有很重要的软件升级，快照也会随之更新。

创新之处和难点

1.基于镜像的启动优化
2.镜像存储的优化
2.守护进程同步系统状态