嵌入式Linux系統中的快速啟動(dòng)技術(shù)研究

　　預鏈接(Prelink)利用這一點(diǎn)，修改ELF共享庫和二進(jìn)制文件，將鏈接信息加入到可執行文件中以簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)鏈接重定位，從而使程序啟動(dòng)加快。預鏈接首先搜集要預鏈接的ELF二進(jìn)制文件及其所依賴(lài)的共享庫，為每個(gè)庫分配唯一的虛擬空間位置，并將共享庫重新鏈接到這個(gè)基準位置（動(dòng)態(tài)鏈接器要加載這個(gè)庫時(shí)，只要虛擬空間地址未被占用，它就會(huì )將庫映射到指定位置）；然后預鏈接解析二進(jìn)制或者庫中的所有重定位，并將重定位信息存放到ELF對象，還要將所有依賴(lài)庫的列表及校驗和添加到二進(jìn)制文件或庫中。對于二進(jìn)制文件，還需列出所有的沖突（在共享庫的自然搜索范圍內對符號的解析不相同）。在運行時(shí)，動(dòng)態(tài)鏈接器先檢查是否所有依賴(lài)的庫都已經(jīng)映射到指定的位置，而且庫文件沒(méi)有變化，只考慮沖突而不用處理每個(gè)庫的重定位，這樣大大提高了程序啟動(dòng)的速度。使用時(shí)要注意的是，若共享庫發(fā)生了改變，則使用它的所有程序都要重新鏈接，否則程序仍要進(jìn)行耗時(shí)的正常重定位。

　　3 XIP和文件系統優(yōu)化

　　3.1 代碼執行方式

　　嵌入式系統中代碼的執行方式主要有3種：

　?、?完全映射（fully shadowed）。嵌入式系統程序運行時(shí)，將所有的代碼從非易失存儲器（Flash、ROM等）復制到RAM中運行。

　?、?按需分頁(yè)（demand paging）。只復制部分代碼到RAM中。這種方法對RAM中的頁(yè)進(jìn)行導入/導出管理，如果訪(fǎng)問(wèn)位于虛存中但不在物理RAM中會(huì )產(chǎn)生頁(yè)錯誤，這時(shí)才將代碼和數據映射到RAM中。

　?、?eXecute In Place (XIP)。在系統啟動(dòng)時(shí)，不將代碼復制到RAM，而是直接在非易失性存儲位置執行。RAM中只存放需要不斷變化的數據部分，如圖1所示。如果非易失性存儲器的讀取速度與RAM相近，則XIP可以節省復制和解壓的時(shí)間。NOR Flash和ROM的讀取速度比較快（約100 ns），適合XIP；而NAND Flash的讀操作是基于扇區的，速度相對很慢(μs級)，因此不宜實(shí)現XIP。

　　圖1 完全映射和XIP的比較

　　XIP可以分為以下2種：

　?、?內核XIP。直接在Flash/ROM中運行內核，可以節省復制和映像解壓的時(shí)間。Linux 2.6.10內核已經(jīng)包含了XIP支持。

　?、?應用程序XIP。直接從應用程序代碼的存儲位置執行，而不用將它加載到RAM中，這樣應用程序的第一次執行速度會(huì )比較快。要使用應用程序XIP，應該基于支持它的文件系統。

　　3.2 XIP文件系統

　　目前XIP文件系統的實(shí)現主要有2種： Linear XIP CRAMFS和Advanced XIP File System(AXFS)。

　　CRAMFS是一個(gè)壓縮的只讀文件系統，本來(lái)用于桌面Linux系統的啟動(dòng)，但CRAMFS經(jīng)過(guò)修改后可以支持嵌入式系統并支持XIP。Linear XIP CRAMFS用一個(gè)sticky bit對它管理的文件進(jìn)行區分，標記為壓縮（按需分頁(yè)）或者未壓縮（XIP）。如果文件標記為XIP，則所有頁(yè)都不壓縮，而且要在Flash中連續存儲。在加載XIP文件時(shí)，直接對所有頁(yè)地址進(jìn)行映射；而按需分頁(yè)的文件則在發(fā)生頁(yè)錯誤時(shí)，將相應頁(yè)解壓到RAM中。

　　要創(chuàng )建Linear XIP CRAMFS文件系統映像，必須確定可執行文件和庫文件的使用頻率，頻繁使用的文件適合于XIP，而其他文件應該進(jìn)行壓縮?，F在有一些工具（如RAMUST和CFSST）可以幫助判斷哪些文件需要XIP，而哪些不需要。下面就可以給XIP文件加上標記并制作根文件系統，以使用mkfs.cramfs工具為例：

　　chmod +t filenames

　　mkfs.cramfs-x rootfs rootfs.bin

　　另外，還要修改內核配置參數以支持XIP：在啟動(dòng)選項中向默認內核命令字符串中加入
rootfstype=cramfs，選擇內核XIP并設置XIP內核物理地址；在驅動(dòng)程序中加入MTD對XIP的支持；在文件系統中加入對Linear XIP CRAMFS的支持。接下來(lái)就可以生成XIP映像了。

　　Linear XIP CRAMFS的一個(gè)缺陷在于它是基于文件的，即一個(gè)文件中的所有頁(yè)要么全部采用XIP，要么全部采用壓縮/按需分頁(yè)，但事實(shí)上同一文件中不同頁(yè)的使用頻率區別也很大。AXFS是Intel公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)新的只讀文件系統，它從Linear XIP CRAMFS中繼承了許多方法，同時(shí)也進(jìn)行了一些改進(jìn)。AXFS的XIP粒度是基于頁(yè)的，并且自帶工具來(lái)判斷哪些頁(yè)需要XIP，哪些頁(yè)需要壓縮，從而更好地在速度和RAM/Flash的使用上取得平衡。

　　3.3 非XIP文件系統

　　XIP一般基于NOR Flash，成本相對較高。對于用戶(hù)數據量大的應用，往往還要使用基于NAND Flash的，非XIP的文件系統常用的有JFFS2/YAFFS。

　　JFFS2是一種基于壓縮的文件系統。在多媒體應用中，如果圖片、音視頻已經(jīng)經(jīng)過(guò)壓縮，則使用JFFS2無(wú)疑會(huì )給CPU帶來(lái)雙重的壓縮/解壓負擔，訪(fǎng)問(wèn)速度也會(huì )受到影響。因此，在這類(lèi)應用比較密集的應用中，采用不壓縮的文件系統（如YAFFS/YAFFS2）可以加快系統速度。

　　YAFFS/YAFFS2是專(zhuān)為嵌入式系統使用NAND Flash設計的日志文件系統。與JFFS2相比，減少了一些功能(例如不支持數據壓縮)，所以速度更快，掛載時(shí)間很短，對內存的占用較小。YAFFS/YAFFS2自帶NAND芯片的驅動(dòng)，用戶(hù)可以不使用MTD和VFS,直接對文件系統操作。YAFFS與YAFFS2的主要區別在于：前者僅支持小頁(yè)(512字節) NAND Flash；后者則可支持大頁(yè)(2 KB) NAND Flash，同時(shí)在內存使用、垃圾回收、訪(fǎng)問(wèn)速度等方面有所改進(jìn)。

　　結語(yǔ)

　　快速啟動(dòng)對于嵌入式Linux系統是比較迫切的要求之一。本文通過(guò)分析嵌入式系統的引導過(guò)程和關(guān)鍵時(shí)延因素，提出了相應的解決辦法，并對XIP文件系統進(jìn)行了介紹。由于啟動(dòng)速度非常依賴(lài)于硬件平臺，而且有的方法互相排斥，因此在具體應用時(shí)需要綜合考慮和選擇。

　　參考文獻

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