嵌入式Linux启动时间优化的秘密之二文件系统

嵌入式操作系统

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  我们继续上篇没有讲完的嵌入式Linux启动时间优化方法,本文主要会讲文件系统。想看上一篇的请查看本文结尾的链接。

  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。

Linux
 

  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

Linux
 

  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

Linux
 

  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。

      编辑连载推荐:嵌入式Linux启动时间优化的秘密之一工具链/应用程序优化

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