嵌入式Linux系统中的快速启动技术研究

　　预链接(Prelink)利用这一点，修改ELF共享库和二进制文件，将链接信息加入到可执行文件中以简化动态链接重定位，从而使程序启动加快。预链接首先搜集要预链接的ELF二进制文件及其所依赖的共享库，为每个库分配唯一的虚拟空间位置，并将共享库重新链接到这个基准位置（动态链接器要加载这个库时，只要虚拟空间地址未被占用，它就会将库映射到指定位置）；然后预链接解析二进制或者库中的所有重定位，并将重定位信息存放到ELF对象，还要将所有依赖库的列表及校验和添加到二进制文件或库中。对于二进制文件，还需列出所有的冲突（在共享库的自然搜索范围内对符号的解析不相同）。在运行时，动态链接器先检查是否所有依赖的库都已经映射到指定的位置，而且库文件没有变化，只考虑冲突而不用处理每个库的重定位，这样大大提高了程序启动的速度。使用时要注意的是，若共享库发生了改变，则使用它的所有程序都要重新链接，否则程序仍要进行耗时的正常重定位。

　　3XIP和文件系统优化

　　3.1 代码执行方式

嵌入式系统中代码的执行方式主要有3种：

　　① 完全映射（fully shadowed）。嵌入式系统程序运行时，将所有的代码从非易失存储器（Flash、ROM等）复制到RAM中运行。

　　② 按需分页（demand paging）。只复制部分代码到RAM中。这种方法对RAM中的页进行导入/导出管理，如果访问位于虚存中但不在物理RAM中会产生页错误，这时才将代码和数据映射到RAM中。

　　③ eXecute In Place (XIP)。在系统启动时，不将代码复制到RAM，而是直接在非易失性存储位置执行。RAM中只存放需要不断变化的数据部分，如图1所示。如果非易失性存储器的读取速度与RAM相近，则XIP可以节省复制和解压的时间。NOR Flash和ROM的读取速度比较快（约100 ns），适合XIP；而NAND Flash的读操作是基于扇区的，速度相对很慢(μs级)，因此不宜实现XIP。

　　图1 完全映射和XIP的比较

　　XIP可以分为以下2种：

　　① 内核XIP。直接在Flash/ROM中运行内核，可以节省复制和映像解压的时间。Linux2.6.10内核已经包含了XIP支持。

　　② 应用程序XIP。直接从应用程序代码的存储位置执行，而不用将它加载到RAM中，这样应用程序的第一次执行速度会比较快。要使用应用程序XIP，应该基于支持它的文件系统。

　　3.2 XIP文件系统

　　目前XIP文件系统的实现主要有2种： Linear XIP CRAMFS和Advanced XIP File System(AXFS)。

　　CRAMFS是一个压缩的只读文件系统，本来用于桌面Linux系统的启动，但CRAMFS经过修改后可以支持嵌入式系统并支持XIP。Linear XIP CRAMFS用一个sticky bit对它管理的文件进行区分，标记为压缩（按需分页）或者未压缩（XIP）。如果文件标记为XIP，则所有页都不压缩，而且要在Flash中连续存储。在加载XIP文件时，直接对所有页地址进行映射；而按需分页的文件则在发生页错误时，将相应页解压到RAM中。

　　要创建Linear XIP CRAMFS文件系统映像，必须确定可执行文件和库文件的使用频率，频繁使用的文件适合于XIP，而其他文件应该进行压缩。现在有一些工具（如RAMUST和CFSST）可以帮助判断哪些文件需要XIP，而哪些不需要。下面就可以给XIP文件加上标记并制作根文件系统，以使用mkfs.cramfs工具为例：

　　chmod +t filenames

　　mkfs.cramfs-x rootfs rootfs.bin

　　另外，还要修改内核配置参数以支持XIP：在启动选项中向默认内核命令字符串中加入
rootfstype=cramfs，选择内核XIP并设置XIP内核物理地址；在驱动程序中加入MTD对XIP的支持；在文件系统中加入对Linear XIP CRAMFS的支持。接下来就可以生成XIP映像了。

　　Linear XIP CRAMFS的一个缺陷在于它是基于文件的，即一个文件中的所有页要么全部采用XIP，要么全部采用压缩/按需分页，但事实上同一文件中不同页的使用频率区别也很大。AXFS是Intel公司开发的一个新的只读文件系统，它从Linear XIP CRAMFS中继承了许多方法，同时也进行了一些改进。AXFS的XIP粒度是基于页的，并且自带工具来判断哪些页需要XIP，哪些页需要压缩，从而更好地在速度和RAM/Flash的使用上取得平衡。

　　3.3 非XIP文件系统

　　XIP一般基于NOR Flash，成本相对较高。对于用户数据量大的应用，往往还要使用基于NAND Flash的，非XIP的文件系统常用的有JFFS2/YAFFS。

　　JFFS2是一种基于压缩的文件系统。在多媒体应用中，如果图片、音视频已经经过压缩，则使用JFFS2无疑会给CPU带来双重的压缩/解压负担，访问速度也会受到影响。因此，在这类应用比较密集的应用中，采用不压缩的文件系统（如YAFFS/YAFFS2）可以加快系统速度。

　　YAFFS/YAFFS2是专为嵌入式系统使用NAND Flash设计的日志文件系统。与JFFS2相比，减少了一些功能(例如不支持数据压缩)，所以速度更快，挂载时间很短，对内存的占用较小。YAFFS/YAFFS2自带NAND芯片的驱动，用户可以不使用MTD和VFS,直接对文件系统操作。YAFFS与YAFFS2的主要区别在于：前者仅支持小页(512字节) NAND Flash；后者则可支持大页(2 KB) NAND Flash，同时在内存使用、垃圾回收、访问速度等方面有所改进。

　　结语

快速启动对于嵌入式Linux系统是比较迫切的要求之一。本文通过分析嵌入式系统的引导过程和关键时延因素，提出了相应的解决办法，并对XIP文件系统进行了介绍。由于启动速度非常依赖于硬件平台，而且有的方法互相排斥，因此在具体应用时需要综合考虑和选择。

　　参考文献

　　[1] Tim Bird R. Methods to Improve Bootup Time in Linux [R]. Proceedings of the Linux Symposium, Ottawa,2004.

　　[2] Karim Yaghmour. 构建嵌入式Linux系统[M]. 北京:中电力出版社, 2004: 49-66.

　　[3] 陈莉君. 深入分析Linux内核源代码[M]. 北京:民邮电出版社, 2001: 477-499.

　　[4] 左大全,吴刚. 嵌入式Linux快速启动与XIP应用[J]. 计算机工程与科学,2006(12).

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