嵌入式Linux启动时间优化的秘密之二文件系统

　　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。

 

　　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。

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