Contents 1. 自己紹介 2. ブート時間短縮のアプローチ 3. Snapshotブートの実装 4. Snapshot 取得位置と起動時間 5. より高速なSnapshotブートへのアプローチ 2 1. 自己紹介 3 2

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1 WEC2013 の高速起動 スナップショットブートの全貌 2014/04/25 株式会社日立超 LSI システムズ組込プラットフォーム設計部 伊藤優 はじめに 組み込みデバイス起動時間もその一つです 電源を入れたのち 24 時間 365 日の間 電源を落とさない場合もあれば 頻繁に電源 OFF/ON を繰り返す製品もあります たとえば自動車向け製品のように 常にコールドブートを ただし短い起動時間を要求されるようなシステムも存在します CE Core では Windows Automotive 5.0 / 5.5 で提供されてきた Snapshot Boot が Windows Embedded Compact 2013 で採用されました 本セッションでは Snapshot Boot の概要と 実装のためのポイントについて説明をします 1 1

2 Contents 1. 自己紹介 2. ブート時間短縮のアプローチ 3. Snapshotブートの実装 4. Snapshot 取得位置と起動時間 5. より高速なSnapshotブートへのアプローチ 2 1. 自己紹介 3 2

3 自己紹介 スピーカー : 伊藤優 所属 : 株式会社日立超 LSI システムズ Microsoft MVP(Windows Embedded) あれ? アキタ電子システムズでは? 2014 年 4 月 1 日に日立超 LSI システムズとアキタ電子システムズは合併しました Windows Embedded サポートチームはそのまま日立超 LSI システムズの所属となり 従来通りの対応をしています 新しいコンタクト先 :yu.ito.gv@hitachi.com 4 2. ブート時間短縮のアプローチ 5 3

4 ブート方式と起動時間 ブート方式 コールドブート 起動時間 OS イメージの配置 NOR Flash NAND Flash 外部ストレージ CPU の遷移 停止 Power On 停止 Power On 停止 Power On SDRAM の状態 クリア クリア クリア デバイス初期化 要 要 メモ NOR Flash 上でプログラムを実行することで起動時間を短縮できる 実行イメージを RAM にコピーする必要がある ウォームブート NOR Flash 動作 Reset 保持 一部要 一般に実行イメージはRAM 上 RAM 動作 Reset 保持一部要に展開された状態でリブートする サスペンド / リジューム RAM Sleep Resume 保持 要 一部要 起動は非常に速いが スタンバイ時には電流を消費する 6 WEC2013 起動シーケンス Power ON CPU, SDRAM 初期化 OS イメージコピー OS 起動 デバイスドライバ初期化 アプリケーション起動 起動ステップ 所要時間 短縮の可否 CPU, SDRAM 初期化 <0.1s No 前提条件等 OSイメージコピー 2.0s Yes OSイメージサイズ :64MB 転送速度 :32MB/s OS 起動 デバイスドライバ初期化 3.0s Yes デバイス初期化 スレッド起動 ワークエリア初期化 等 アプリケーション起動 5.0s Yes プロセスロード 起動 合計 10.0s Yes 7 4

5 起動時間短縮に向けた様々なアプローチ Multiple XIP によるロード時間の短縮 NOR フラッシュ Nk.bin Copy RAM Nk.bin Multiple XIP 化 NOR フラッシュ Nk1.bin Nk2.bin Copy RAM Nk2.bin Nk.bin を分割し 最初に動作する Nk1.bin を XIP (Execute In Plase) 実行で NOR フラッシュ上で動作させる デバイスドライバ初期化処理のバイパス XXX_Init デバイス初期化 初期化をバイパス XXX_Init + XXX_Open デバイス初期化 ドライバロード時のデバイス初期化をバイパスし Open 呼び出しで初期化を行う デバイスドライバ初期化処理の並列化 XXX_Init デバイス初期化 初期化を並列化 XXX_Init CreateThread Thread デバイス初期化 デバイス初期化処理を Thread 化し XXX_Init をごく短時間で終わらせる 8 3. Snapshot ブートの実装 9 5

6 Windows Automotive:Fast Cold Boot ガイド 引用元 URL 対応 OS:Windows Automotive 5.0 / 5.5 処理内容高速化メソッド高速化の内容 HDD/NAND Flash から DRAM へのプログラムコピー OS ワークエリアの初期化 ユーザーデータ ( レジストリ ) 初期化 イメージ多段ロード DRAM クリアスレッド Hive-based Registry プログラムコピー時間を分割し 最初にかかるロード時間を短縮 メモリ初期化処理を分割し 最初の初期化時間を短縮 レジストリ初期時間を短縮したレジストリ管理方式 OS/ アプリの起動 Snapshot Boot OS/ アプリの初期化後の状態を復元 することで 定型初期化シーケンス をスキップ デバイスドライバのロード Application Launcher ドライバロード処理の並列化 / 分割化により CPU のアイドル時間を排除 10 WEC2013:Snapshot Boot Development どうでもいい話ですが WEC2013 の情報は英語サイトにしか記載がありません 注意 引用元 URL Snapshot ブートを利用するために 標準のインターフェイスを使用し サスペンド / リジュームを実装する 予約された RAM エリアを除き Snapshot を取得する Snapshot のサイズは最大 500MB まで Snapshot もメモリページロードをサポートすることで 大きな Snapshot でも起動時間を短縮することが期待できる 要求項目 電源管理機能を実装する :BSP には SYSGEN_PM を含む Snapshot を保存するために必要な記憶領域を Bootloader が使用できること ドライバは PowerUp() PowerDown() または IOCTLPowerSet による電源管理機能をサポートすること 11 6

7 Snapshot Boot の概念 Power On Storage Device PowerUp H/W 初期化 ( 最低限 ) Snapshot Image デバイスの再初期化 Snapshot イメージ展開 Expand & Copy システムリジューム Resume 処理ジャンプ Snapshot Image Resume システム起動 SDRAM 1. 電源投入 コールドブート 2. H/Wを初期化する ( 最低限 ) 3. Snapshotイメージ展開 (Storage Device RAM) 4. PowerUpシーケンスに移行し システムをリジュームする 5. Snapshotを取得した位置からシステムが動作する 12 Snapshot の取得 IOCTL_KLIB_MAKESNAP Snapshot の取得 システムのサスペンド / リジューム機能を利用し Snapshot を取得 不揮発性メモリへ保存する一連の処理開始をシステムに要求する OEMGetSnapshotRegions() メモリ仕様の通知 (Opt.) CPU コンテキスト OS RAM 以外に Snapshot に含めるべき領域 ( ドライバグローバル領域など ) の存在を問い合わせるためのコールバック関数 OEMTakeCPUSnapshot() CPU 状態の保存 OEM 固有の情報 (CPU コンテキスト等 ) を Snapshot として取得するためのコールバック関数 OEMCompressSnapshot() Snapshot の圧縮 (Opt.) Snapshot 取得後にイメージを圧縮するために呼び出されるコールバック関数 OEMPrepareSnapshot() Snapshot 用ストレージの準備 Snapshot を不揮発性メモリに書き込む直前に呼び出されるコールバック関数 不揮発性メモリの初期化などの準備を実装する OEMWriteSnapshot() Snapshot をストレージに保存 不揮発性メモリに Snapshot を書き込むコールバック関数 引数で指定されたオフセット サイズに従い不揮発性メモリにデータを書き込む処理を実装する 13 7

8 Snapshot からの起動 OEM Bootloader code Snapshot からのブートを判定 最小の Bootloader で Snapshot ブートかを判定し Snapshot からの起動を選択する SnapRestore() Snapshot の読込みと展開 Snapshot を RAM にロードし そのイメージを復元する OEMReadSnapshot() Snapshot の読込み 本コールバック関数は Bootloader OS 双方で同じ機能を必要とする Bootloader では不揮発性メモリから Snapshot を読み込む OS では Pageable で読み込む場合に使用する OEM CPU Snapshot restore code CPUコンテキストのリストア OEMSnapshotResume() ハードウェアの再初期化 OEM 固有の情報 (CPU コンテキスト等 ) をリストアする Bootloader から OS に実行制御が切り替わった直後に呼び出されるコールバック関数 コールドブートと同等のハードウェア初期化を行う OEMInit() を再利用することも可 14 メモリレイアウト Snapshot ブートに対応したメモリレイアウト SNAP_BUF Bootloader で Snapshot をロード展開するためのバッファ 与えられたサイズに合わせてロードするため サイズに制限は特にない NK Snapshot から展開された NK 領域 OS のコードはすべてここに含まれる RAM 15 8

9 不揮発性メモリへの Snapshot の配置 使用する不揮発性メモリの仕様に合わせ Snapshot を配置する ファイルシステムを使用する場合は そのファイルシステムをアクセスする機能を実装することが求められる NOR フラッシュ NAND フラッシュ emmc SD Card Snapshot ブートは Bootloader で不揮発性メモリをアクセスするため ファイルシステムを必要とするデバイスの場合 Bootloader にファイルシステムを実装することが必要 - WEC2013:CE Boot Framework Filesystem サポート (FAT, BinFS) ブロックデバイスサポート (IDE Flash Memories) BinFS サポート 16 修正 確認のポイント 目的対象ファイル等修正 確認ポイント メモリレイアウト Config.bib Snapshot Boot に合わせた MEMORY セクションの変更 Snapshotブート関数 GetSnapshotState Snapshotの状態を示す TSnapState GetSnapshotState (void); SnapChkSum メモリのチェックサムを求める SnapRestore コールバック関数 関数 OEMPrepareSnapshot() OEMWriteSnapshot() OEMTakeCPUSnapshot() OEMSnapsotResume() OEMCompressSnapshot() GetOEMRamTable() OEMReadSnapshot() オブジェクトストアの最適化 OEMCalcFSPages OEM が準備した読込み関数を使用して Snapshot をリストアする OEMCompressSnapshot() のランレングス圧縮方式を採用した場合 オブジェクトストアの領域は圧縮率が極めてよくない OEMCalcFSPages() で オブジェクトストアを必要最小限にすることが望ましい 17 9

10 Snapshot ブートの起動時間 標準ブート Power ON Snapshot ブート Power ON CPU, SDRAM 初期化 OS イメージコピー CPU, SDRAM 初期化 OS イメージコピー OS 起動 デバイスドライバ初期化 Snapshot コピー アプリケーション起動 リジューム処理 起動ステップ所要時間前提条件等 CPU, SDRAM 初期化 <0.1s OSイメージコピー 2.0s OSイメージサイズ :64MB 転送速度 :32MB/s Snapshotコピー 2.0s Snapshotサイズ :64MB 転送速度 :32MB/s リジューム処理 1.5s PowerUp シーケンス 合計 5.5s 標準ブートに対し 4.5s の短縮 18 Snapshot の取得位置の決定 Snapshot の取得位置により起動時間は変わる 取得位置 Snapshot イメージサイズ OS 起動時間 OS 起動後のアプリケーション動作開始時間 OS 起動直後小速い遅い 一部のアプリケーション起動後 全てのアプリケーション起動後 中普通普通 大遅い速い Snapshot ブートは そのサイズと動作開始位置により 起動時間が変化する 最初に必要なアプリケーション :Snapshot に含める 必要に応じて起動するアプリケーション :Snapshot に含めない Snapshot 取得位置を適切に決定することが ブート時間短縮のポイント 19 10

11 4. より高速な Snapshot ブートへのアプローチ 20 OS イメージの分割 BinFS 対応システムの構成が大きくなり OS イメージを不揮発性メモリから RAM へコピーする時間が大きい場合 BinFS を導入 1 st NK(Tiny) と 2 nd NK(Pageable) に分割する手法 1 st NK の読込みが速く 2 nd NK の読込みではページ単位で読み込んでいくため 起動時間の短縮が期待できる 21 11

12 BinFS 対応メモリマップ SNAP_BUF CHAIN Bootloader で Snapshot をロード展開するためのバッファ 与えられたサイズに合わせてロードするため サイズに制限は特にない CHAIN/1 st NK/2 nd NK はすべて隣接させる 1 st NK(Tiny) 2 nd NK(Pageabe) RAM エリアと 2 nd NK がオーバーラップしても動作には影響しない RAM 22 Snapshot 読込みの高速化 Pageable Snapshot Snapshot のサイズが大きく 不揮発性メモリから RAM から読出し 展開 コピーする時間がかかる場合 動作に必要となったメモリページからロードしていく事で Snapshot 全体を読み込むことなくシステムの起動時間短縮を図る 1 st Nk:BinFS 立ち上げに最低限必要なモジュール / データで構成された OS イメージ Pageable Nk:1 st Nk 以外のモジュール / データにより構成される OS イメージ SNAP_BUF CHAIN 不揮発性メモリ 1 st NK(Tiny) 2 nd Nk 必要なメモリページから読み込んでいく 2 nd NK(Pageabe) RAM 23 12

13 最後に ブート時間の短縮はシステムごとに要求時間 実装の手法 方法が異なります WEC2013 では WA5.0/5.5 で自動車向けに提供された Snapshot ブートを汎用組み込みシステム向けに活用することが可能になりました 日立超 LSI システムズでは 自動車向け Snapshot ブートの実装経験を通じ 様々なシステムの起動時間短縮の対応が可能です ブート時間の短縮でお困りのお客様は お気軽にご相談ください 24 END WEC2013の高速起動スナップショットブートの全貌 2014/04/25 株式会社日立超 LSI システムズ組込プラットフォーム設計部 伊藤優 13

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