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【摘 要】系统启动时间长是Android车载倒车系统亟待解决的关键问题，文章在比较目前几种常见Android车载倒车系统快速启动技术的基础上，提出了一种针对BootLoader、Linux内核、根文件系统的快速启动方法，通過测量BootLoader、Linux内核、根文件系统的启动时间，获得延时的主要影响因素，并依据Android车载倒车系统的特点，优化设计了耗时的关键点。试验研究表明，该方法可显著降低Android倒车系统的启动时间，有效提高了倒车系统的的实用性。
【关键词】Linux内核；BootLoader；启动优化；根文件系统；Android
【中图分类号】TP311.5 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）10-0081-03
目前，Android车载倒车系统快速启动方法主要有休眠技术与硬件实现[1]。休眠技术是指Android车载系统在第一次启动或者电瓶断电重连后按正常的启动流程启动，即bootloader、linux内核、根文件系统、Android系统进程依次启动[2]。启动完成后，在车辆每次熄火时，Android系统将进入休眠状态，即系统关闭所有外设，内存进入自刷新模式，随后CPU进入休眠状态，整个车载系统处于低耗电状态。车辆重新启动后，CPU被唤醒，内存进入正常工作模式，所有外设恢复到休眠前的状态，实现车载Android的快速启动。该方法实现难度较大，如果出现CPU无法唤醒的情况，用户只能通过拔插车辆电瓶重新启动。
硬件实现是通过在CPU和LCD显示屏之间添加一个TW8816芯片。TW8816是一个视频信号选择器，它有两路视频输入和一路视频输出接口。两路输入分别是CPU的DISP接口传输出的Android系统UI画面信号和倒车摄像头传输出的CVBS视频画面信号。输出接口是将一路输入信号输出到LCD显示屏。在倒车时，TW8816芯片将视频流选择从倒车摄像头输入，从LCD输出；在不倒车时，TW8816芯片将视频流选择从Android系统输入，从LCD输出，实现将倒车系统和Android系统的快速启动。该方案的缺点是硬件成本高，可扩展性差。
鉴于现有技术存在的不足，本文提出一种基于BootLoader、Linux内核和根文件系统启动优化的Android车载倒车系统快速启动技术。通过优化Android系统的启动时间，当车辆打火上电后，快速启动BootLoader、Linux内核、根文件系统，从而实现倒车系统的快速启动。
1 系统设计和启动流程
1.1 车载Android系统
Andorid系统功能强大，内容丰富，具有开源、免费的优势，众多汽车厂商的车载系统正逐步淘汰WINCE系统而采用Andorid系统[3]。一般车载倒车系统在启动后3 s内，倒车影像与轨迹规划功能启动，倒车进程准备就绪，但车载Android系统的启动速度慢，一般需要数十秒才能完成启动，如果用户在Android系统启动过程中需要倒车，倒车系统将无法及时显示倒车影像，影响倒车的安全性和用户体验。目前，常用解决方法是采用休眠技术和提升硬件性能，上述方法在一定程度上提高了系统的启动速度，但在应用中仍存在一定局限性。
1.2 Android系统启动流程
为了更好地优化Android系统的启动时间，需详细分析车载Android系统的启动过程，Android系统的启动大致分为3个部分[4]，Android设备的启动过程如图1所示。
Step1：BootLoader程序，完成相关硬件的初始化配置工作，加载Linux内核，然后跳转到Linux内核起始地址执行[5]。
Step2：Linux内核，内核初始化，加载相关驱动模块，加载文件系统模块，启动用户层的祖父进程Init进程。
Step3：Init进程，用户空间上的第一个程序，是用户层所有进程的祖父进程。Init进程主要任务一是挂载目录，比如/sys、/dev、/proc，二是解析脚本配置文件Init.rc，根据Init.rc文件配置孵化出其他进程，其中就包括倒车进程。
Step4：倒车进程，倒车进程负责监测倒车信号，获取倒车摄像头视频流，刷新视频流到framebuffer显示。
2 系统快速启动优化
2.1 系统启动速度的主要影响因素
分析并确定系统启动的主要延时因素是优化启动速度的关键，本文使用PrintkTimes、CPU定时器、KernelFunctionTrace、示波器和LinuxTraceToolkit等工具测量系统启动时间，在实际测量中发现，BootLoader模式检测、BootLoader拷贝Linux内核和根文件系统镜像、设备驱动初始化、文件系统初始化、根文件系统建立、Linux内核log输出和LPJ值计算耗时较多。上述启动进程的耗时因素主要有以下几个方面。
（1）bootloader模式检测：bootloader每次启动都需检测是否进recovery模式，bootloader首先挂载磁盘上的cache分区，cache分区采用ext4格式存储文件，挂载文件需一定时间，然后读取cache分区中的是否进入恢复出厂设置模式的文件，如果文件存在则进入恢复出厂设置，否则正常启动。
（2）bootloader拷贝镜像：嵌入式Linux系统的内核以压缩形式存储在NAND Flash中，启动前需压缩Linux内核，从根文件系统镜像读取到内存中并解压，然后CPU指针指向内核的入口地址，开始执行内核镜像代码，拷贝内核镜像花费了大量时间。
（3）设备驱动初始化：Linux内核支持大量总线和设备驱动，Linux启动时会对Linux内核的所有设备进行初始化，如果硬件系统中没有某些设备，但驱动仍会初始化，且驱动的初始化过程是串行执行。多数驱动的初始化函数中包含休眠函数，内核执行休眠函数时不会调度到其他驱动继续执行，而是在休眠函数处执行死循环，浪费了大量启动时间。 （4）文件系统初始化：Linux内核支持ext2、ext3、ext4、fat32、fat16、NTFS等多种文件系统，文件系统本身代码量庞大，初始化耗费了大量时间。
（5）根文件系统建立：Linux启動完成后，需要挂载根文件系统，挂载完成后，Linux内核会依次上报设备节点信息给Ueventd进程，Ueventd进程根据上报的主次设备号建立设备节点，全部设备节点建立完成耗费了大量的时间。
（6）Linux内核日志输出：Linux系统启动时一般使用串口打印系统的启动日志信息，打印速度由串口的速度决定。串口速度一般较慢，并且启动信息一般较多，耗时较长。
（7）LPJ值计算：Linux启动时，会运行Calibrate_delay函数计算LPJ值，LPJ值是一个衡量CPU处理速度的基准，通过执行一定次数的周期为1jiffy的循环来确定其数值，在Linux内核中运行Calibrate_delay函数计算LPJ值一般会耗时几百毫秒。
2.2 系统快速启动优化设计
（1）针对BootLoader模式检测：Android系统检测是否进入恢复出厂设置的原始方式是询问挂载文件系统，本方案将是否进人恢复出厂设置模式的标识存放在NAND中某一个固定的地址，BootLoader模式检测时无需访问挂载文件系统，直接读取固定地址是否有标识信息，同时将BootLoader中支持文件系统的代码裁剪掉，加快代码执行速度。
（2）针对BootLoader拷贝镜像：提高存储Linux内核和根文件系统镜像的NAND的总线速度，同时使用直接内存存取（Direct Memory Access，DMA）方式读取镜像。DMA方式完全由硬件控制信息传送[6]，通过使用DMA方式读取镜像可以使CPU预先处理BootLoader的其他任务。通过优化驱动，裁剪Linux内核体积，精简文件系统等减少Linux内核编译后的体积。将根文件系统镜像直接编译到Linux内核，减少根文件系统的拷贝时间。
（3）针对设备驱动初始化：Linux内核在启动过程中耗时最长的是初始化各种总线驱动，设备驱动。根据Android车载系统的工作特点，在内核中删除不必要的驱动程序[7]，如PS2鼠标、键盘、SATA硬盘、有线网卡等。Linux内核在启动过程中是单线程加载驱动，且很多驱动的初始化函数中包含休眠函数，实际这个休眠函数不是休眠，而是在死循环，所以引入多线程初始化驱动技术，将驱动的初始化函数放入工作队列的下半部分，当Linux系统在执行驱动初始化函数过程中遇到休眠函数时，CPU将会调度到工作队列的下半部实现并行初始化。
（4）针对文件系统初始化：根据Android车载系统的特点，裁剪掉不需要的文件系统，如NTFS、EXT3、EXT2、FAT16等文件系统，只保留FAT32和EXT4这两种最常用的文件系统，节省初始化文件系统的时间。
（5）针对根文件系统建立：Linux内核启动完成后，最先执行的是INIT进程，通过在INIT进程中直接调用MKMOD命令手动建立设备节点，然后INIT进程启动倒车进程，使倒车进程可以立即工作，节省设备节点建立的时间。
（6）针对Linux内核日志输出：在Linux内核启动参数中加入“queit”参数，降低Linux内核的启动级别，待系统启动完成后，可以使用dmesg命令查看启动日志，节省了Linux内核日志的输出时间。
（7）针对LPJ值计算：在Linux内核中硬编码LPJ值，通过查看优化前的启动日志，查到“Calibrating delay loop****BogoMPIS”信息中LPJ值，然后在Linux内核代码中硬编码LPJ值，删除计算LPJ值的Calibrate_delay（ ）函数，节省LPJ值的计算时间。
3 实验结果
表1为系统启动各个流程的所需时间。由表1可知，采用本文的优化方案后，Android车载倒车系统的启动速度有明显改善，从15.62 s减少到1.76 s。通过分析表格可以看出，在不改变原有软硬件架构的情况下，通过优化系统启动过程的各个部分，主要延时进行了有效消除，达到了设计目的。
4 结语
本文提出的基于优化bootloader、linux内核、ramdisk的Android车载倒车系统快速启动方案，从bootloader模式检测、内核镜像拷贝、设备驱动初始化、文件系统初始化、根文件系统建立、内核log输出、硬编码LPJ值等方面提出优化方法，实现了Android车载倒车系统的应用。该方案降低了复杂度，提升了可靠度，节省了成本，提高了扩展性，具有较高的应用价值。
参 考 文 献
[1]段红祥，孙棣华，刘卫宁，等. 基于内核启动优化的嵌入式Linux快速启动方案[J]. 计算机工程与设计，2009，30（1）：16-18.
[2]李妍，沈勇，陆贞姣. 面向汽车应用的Linux系统启动性能测试与改进[J]. 电子技术，2013（8）：111-115.
[3]马胜，江冰，谢剑锋. 基于Android的可视倒车系统设计[J]. 微处理机，2013，34（5）：41-45.
[4]金智义，张戟. 嵌入式Android系统的启动研究[J]. 佳木斯大学学报（自然科学版），2011，29（4）：521-523.
[5]周继才. 基于Android平台的Bootloader系统设计与启动性能优化[D]. 重庆：重庆邮电大学，2013.
[6]谭平，王小平. ArmLinux下DMA数据同步传输机制及实现[J]. 无线互联科技，2013（2）：154-155.
[7]张国明. 嵌入式Linux驱动程序分析与改进[D]. 长春：长春理工大学，2007.
[8]史巧硕，范东月，柴欣，等. 嵌入式Linux根文件系统的构建与分析[J]. 计算机测量与控制，2015，23（2）：656-659.
[责任编辑：钟声贤]
【关键词】Linux内核；BootLoader；启动优化；根文件系统；Android
【中图分类号】TP311.5 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）10-0081-03
目前，Android车载倒车系统快速启动方法主要有休眠技术与硬件实现[1]。休眠技术是指Android车载系统在第一次启动或者电瓶断电重连后按正常的启动流程启动，即bootloader、linux内核、根文件系统、Android系统进程依次启动[2]。启动完成后，在车辆每次熄火时，Android系统将进入休眠状态，即系统关闭所有外设，内存进入自刷新模式，随后CPU进入休眠状态，整个车载系统处于低耗电状态。车辆重新启动后，CPU被唤醒，内存进入正常工作模式，所有外设恢复到休眠前的状态，实现车载Android的快速启动。该方法实现难度较大，如果出现CPU无法唤醒的情况，用户只能通过拔插车辆电瓶重新启动。
硬件实现是通过在CPU和LCD显示屏之间添加一个TW8816芯片。TW8816是一个视频信号选择器，它有两路视频输入和一路视频输出接口。两路输入分别是CPU的DISP接口传输出的Android系统UI画面信号和倒车摄像头传输出的CVBS视频画面信号。输出接口是将一路输入信号输出到LCD显示屏。在倒车时，TW8816芯片将视频流选择从倒车摄像头输入，从LCD输出；在不倒车时，TW8816芯片将视频流选择从Android系统输入，从LCD输出，实现将倒车系统和Android系统的快速启动。该方案的缺点是硬件成本高，可扩展性差。
鉴于现有技术存在的不足，本文提出一种基于BootLoader、Linux内核和根文件系统启动优化的Android车载倒车系统快速启动技术。通过优化Android系统的启动时间，当车辆打火上电后，快速启动BootLoader、Linux内核、根文件系统，从而实现倒车系统的快速启动。
1 系统设计和启动流程
1.1 车载Android系统
Andorid系统功能强大，内容丰富，具有开源、免费的优势，众多汽车厂商的车载系统正逐步淘汰WINCE系统而采用Andorid系统[3]。一般车载倒车系统在启动后3 s内，倒车影像与轨迹规划功能启动，倒车进程准备就绪，但车载Android系统的启动速度慢，一般需要数十秒才能完成启动，如果用户在Android系统启动过程中需要倒车，倒车系统将无法及时显示倒车影像，影响倒车的安全性和用户体验。目前，常用解决方法是采用休眠技术和提升硬件性能，上述方法在一定程度上提高了系统的启动速度，但在应用中仍存在一定局限性。
1.2 Android系统启动流程
为了更好地优化Android系统的启动时间，需详细分析车载Android系统的启动过程，Android系统的启动大致分为3个部分[4]，Android设备的启动过程如图1所示。
Step1：BootLoader程序，完成相关硬件的初始化配置工作，加载Linux内核，然后跳转到Linux内核起始地址执行[5]。
Step2：Linux内核，内核初始化，加载相关驱动模块，加载文件系统模块，启动用户层的祖父进程Init进程。
Step3：Init进程，用户空间上的第一个程序，是用户层所有进程的祖父进程。Init进程主要任务一是挂载目录，比如/sys、/dev、/proc，二是解析脚本配置文件Init.rc，根据Init.rc文件配置孵化出其他进程，其中就包括倒车进程。
Step4：倒车进程，倒车进程负责监测倒车信号，获取倒车摄像头视频流，刷新视频流到framebuffer显示。
2 系统快速启动优化
2.1 系统启动速度的主要影响因素
分析并确定系统启动的主要延时因素是优化启动速度的关键，本文使用PrintkTimes、CPU定时器、KernelFunctionTrace、示波器和LinuxTraceToolkit等工具测量系统启动时间，在实际测量中发现，BootLoader模式检测、BootLoader拷贝Linux内核和根文件系统镜像、设备驱动初始化、文件系统初始化、根文件系统建立、Linux内核log输出和LPJ值计算耗时较多。上述启动进程的耗时因素主要有以下几个方面。
（1）bootloader模式检测：bootloader每次启动都需检测是否进recovery模式，bootloader首先挂载磁盘上的cache分区，cache分区采用ext4格式存储文件，挂载文件需一定时间，然后读取cache分区中的是否进入恢复出厂设置模式的文件，如果文件存在则进入恢复出厂设置，否则正常启动。
（2）bootloader拷贝镜像：嵌入式Linux系统的内核以压缩形式存储在NAND Flash中，启动前需压缩Linux内核，从根文件系统镜像读取到内存中并解压，然后CPU指针指向内核的入口地址，开始执行内核镜像代码，拷贝内核镜像花费了大量时间。
（3）设备驱动初始化：Linux内核支持大量总线和设备驱动，Linux启动时会对Linux内核的所有设备进行初始化，如果硬件系统中没有某些设备，但驱动仍会初始化，且驱动的初始化过程是串行执行。多数驱动的初始化函数中包含休眠函数，内核执行休眠函数时不会调度到其他驱动继续执行，而是在休眠函数处执行死循环，浪费了大量启动时间。 （4）文件系统初始化：Linux内核支持ext2、ext3、ext4、fat32、fat16、NTFS等多种文件系统，文件系统本身代码量庞大，初始化耗费了大量时间。
（5）根文件系统建立：Linux启動完成后，需要挂载根文件系统，挂载完成后，Linux内核会依次上报设备节点信息给Ueventd进程，Ueventd进程根据上报的主次设备号建立设备节点，全部设备节点建立完成耗费了大量的时间。
（6）Linux内核日志输出：Linux系统启动时一般使用串口打印系统的启动日志信息，打印速度由串口的速度决定。串口速度一般较慢，并且启动信息一般较多，耗时较长。
（7）LPJ值计算：Linux启动时，会运行Calibrate_delay函数计算LPJ值，LPJ值是一个衡量CPU处理速度的基准，通过执行一定次数的周期为1jiffy的循环来确定其数值，在Linux内核中运行Calibrate_delay函数计算LPJ值一般会耗时几百毫秒。
2.2 系统快速启动优化设计
（1）针对BootLoader模式检测：Android系统检测是否进入恢复出厂设置的原始方式是询问挂载文件系统，本方案将是否进人恢复出厂设置模式的标识存放在NAND中某一个固定的地址，BootLoader模式检测时无需访问挂载文件系统，直接读取固定地址是否有标识信息，同时将BootLoader中支持文件系统的代码裁剪掉，加快代码执行速度。
（2）针对BootLoader拷贝镜像：提高存储Linux内核和根文件系统镜像的NAND的总线速度，同时使用直接内存存取（Direct Memory Access，DMA）方式读取镜像。DMA方式完全由硬件控制信息传送[6]，通过使用DMA方式读取镜像可以使CPU预先处理BootLoader的其他任务。通过优化驱动，裁剪Linux内核体积，精简文件系统等减少Linux内核编译后的体积。将根文件系统镜像直接编译到Linux内核，减少根文件系统的拷贝时间。
（3）针对设备驱动初始化：Linux内核在启动过程中耗时最长的是初始化各种总线驱动，设备驱动。根据Android车载系统的工作特点，在内核中删除不必要的驱动程序[7]，如PS2鼠标、键盘、SATA硬盘、有线网卡等。Linux内核在启动过程中是单线程加载驱动，且很多驱动的初始化函数中包含休眠函数，实际这个休眠函数不是休眠，而是在死循环，所以引入多线程初始化驱动技术，将驱动的初始化函数放入工作队列的下半部分，当Linux系统在执行驱动初始化函数过程中遇到休眠函数时，CPU将会调度到工作队列的下半部实现并行初始化。
（4）针对文件系统初始化：根据Android车载系统的特点，裁剪掉不需要的文件系统，如NTFS、EXT3、EXT2、FAT16等文件系统，只保留FAT32和EXT4这两种最常用的文件系统，节省初始化文件系统的时间。
（5）针对根文件系统建立：Linux内核启动完成后，最先执行的是INIT进程，通过在INIT进程中直接调用MKMOD命令手动建立设备节点，然后INIT进程启动倒车进程，使倒车进程可以立即工作，节省设备节点建立的时间。
（6）针对Linux内核日志输出：在Linux内核启动参数中加入“queit”参数，降低Linux内核的启动级别，待系统启动完成后，可以使用dmesg命令查看启动日志，节省了Linux内核日志的输出时间。
（7）针对LPJ值计算：在Linux内核中硬编码LPJ值，通过查看优化前的启动日志，查到“Calibrating delay loop****BogoMPIS”信息中LPJ值，然后在Linux内核代码中硬编码LPJ值，删除计算LPJ值的Calibrate_delay（ ）函数，节省LPJ值的计算时间。
3 实验结果
表1为系统启动各个流程的所需时间。由表1可知，采用本文的优化方案后，Android车载倒车系统的启动速度有明显改善，从15.62 s减少到1.76 s。通过分析表格可以看出，在不改变原有软硬件架构的情况下，通过优化系统启动过程的各个部分，主要延时进行了有效消除，达到了设计目的。
4 结语
本文提出的基于优化bootloader、linux内核、ramdisk的Android车载倒车系统快速启动方案，从bootloader模式检测、内核镜像拷贝、设备驱动初始化、文件系统初始化、根文件系统建立、内核log输出、硬编码LPJ值等方面提出优化方法，实现了Android车载倒车系统的应用。该方案降低了复杂度，提升了可靠度，节省了成本，提高了扩展性，具有较高的应用价值。
参 考 文 献
[1]段红祥，孙棣华，刘卫宁，等. 基于内核启动优化的嵌入式Linux快速启动方案[J]. 计算机工程与设计，2009，30（1）：16-18.
[2]李妍，沈勇，陆贞姣. 面向汽车应用的Linux系统启动性能测试与改进[J]. 电子技术，2013（8）：111-115.
[3]马胜，江冰，谢剑锋. 基于Android的可视倒车系统设计[J]. 微处理机，2013，34（5）：41-45.
[4]金智义，张戟. 嵌入式Android系统的启动研究[J]. 佳木斯大学学报（自然科学版），2011，29（4）：521-523.
[5]周继才. 基于Android平台的Bootloader系统设计与启动性能优化[D]. 重庆：重庆邮电大学，2013.
[6]谭平，王小平. ArmLinux下DMA数据同步传输机制及实现[J]. 无线互联科技，2013（2）：154-155.
[7]张国明. 嵌入式Linux驱动程序分析与改进[D]. 长春：长春理工大学，2007.
[8]史巧硕，范东月，柴欣，等. 嵌入式Linux根文件系统的构建与分析[J]. 计算机测量与控制，2015，23（2）：656-659.
[责任编辑：钟声贤]