BSP 부트 시간 최적화 — Bootchart·initcall_debug·Parallel Init

#한 줄 요약

부트 시간 최적화는 추측이 아니라 측정으로 시작합니다. 각 단계의 시간을 ms 단위로 쪼개 본 다음, 가장 비싼 단계부터 깎아내려 갑니다.

자동차 인포테인먼트는 후방 카메라를 2초 안에 표시해야 합니다. 산업용 컨트롤러는 정전 복구 후 1초 안에 안전 상태로 돌아와야 합니다. 가전 제품은 사용자가 버튼을 누른 직후 LED가 켜져야 합니다. 부팅이 5초 걸리는 BSP는 이런 요구를 통과하지 못합니다.

이번 글은 ROM에서 application 첫 줄까지의 전 구간을 측정 가능한 단계로 나눕니다. 그리고 각 단계에서 시간을 깎는 실전 기법을 정리합니다.

#단계별 시간 모델

부트는 다음 단계로 나뉩니다. 다음 그림은 각 단계의 시간 비중을 시각화합니다.

각 단계를 측정하지 않고는 어디를 깎을지 알 수 없습니다. 측정 도구를 먼저 갖추는 것이 출발점입니다.

#측정 — printk timestamps와 bootchart

커널은 빌드 옵션 하나로 부팅 로그에 시간을 박아 줍니다.

1
CONFIG_PRINTK_TIME=y

또는 부팅 명령줄에 printk.time=1을 넣으면 dmesg 출력의 모든 줄에 [초.마이크로초] prefix가 붙습니다.

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[    0.000000] Booting Linux on physical CPU 0x0
2
[    0.234521] random: get_random_bytes called from start_kernel
3
[    0.512344] PCI: bus0: Fast back to back transfers enabled
4
[    1.234567] systemd[1]: Detected architecture arm.

여기서 0초는 kernel 시작 시점입니다. 그 앞 단계는 별도로 봐야 합니다. U-Boot에서는 bootstage report가 단계별 시간을 보여 줍니다.

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=> bootstage report
2
Timer summary in microseconds (12 records):
3
       Mark    Elapsed  Stage
4
          0          0  reset
5
    218,453    218,453  board_init_f
6
    345,221    126,768  board_init_r
7
    421,003     75,782  eth_common_init
8
    498,221     77,218  bootm_start
9
    523,144     24,923  start_kernel

systemd가 init이면 systemd-analyze가 userspace 단계를 분해합니다.

1
$ systemd-analyze
2
Startup finished in 1.234s (kernel) + 2.567s (userspace) = 3.801s
3
multi-user.target reached after 2.234s in userspace.
4

5
$ systemd-analyze blame
6
   1.234s NetworkManager.service
7
    876ms ModemManager.service
8
    543ms udev-trigger.service
9
    321ms my-app.service

bootchart는 동일 정보를 간트 차트로 그려 줍니다. 의존성과 병렬 실행 여부가 한눈에 보입니다.

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# Buildroot
2
BR2_PACKAGE_BOOTCHART=y
3
# 또는 systemd-bootchart 사용
4
systemd-bootchart --no-syslog --output=/tmp/bootchart.svg

ftrace의 boot_tracer는 커널 내부의 do_initcall을 추적합니다.

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CONFIG_BOOT_TRACER=y
2
# kernel cmdline: initcall_debug

dmesg에 모든 initcall이 시간과 함께 찍힙니다.

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[    0.512] calling  pci_subsys_init+0x0/0x60 @ 1
2
[    0.745] initcall pci_subsys_init+0x0/0x60 returned 0 after 232 msecs

232ms 걸린 pci_subsys_init이 PCIe를 쓰지 않는 보드라면 제거 후보입니다.

#부트 시간 측정 스크립트 예시

자동화된 측정을 위해 시리얼 로그를 파싱하는 스크립트입니다.

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#!/bin/bash
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# boot-time-analyze.sh - dmesg에서 부트 단계별 시간 추출
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# 커널 부트 완료 시점
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KERNEL_DONE=$(dmesg | grep "Freeing unused kernel" | awk '{print $1}' | tr -d '[]')
6

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# systemd 도달 시점
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SYSTEMD_START=$(dmesg | grep "systemd\[1\]: Detected" | awk '{print $1}' | tr -d '[]')
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# 가장 느린 initcall 상위 10개
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echo "=== Slowest initcalls ==="
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dmesg | grep "initcall.*returned 0 after" | \
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    sed 's/.*initcall \(.*\) returned 0 after \([0-9]*\) msecs/\2 \1/' | \
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    sort -rn | head -10
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echo ""
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echo "Kernel boot: ${KERNEL_DONE}s"
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echo "systemd reached: ${SYSTEMD_START}s"

U-Boot의 bootstage 정보를 환경 변수로 내보내 커널에서 전체 부트 시간을 추적할 수도 있습니다.

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=> bootstage stash 0x83000000 0x1000
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=> setenv bootargs "${bootargs} bootstage.stash=0x83000000,0x1000"

#SPL과 U-Boot 단계 — Falcon mode

U-Boot가 대화형 셸을 제공하는 비용은 작지 않습니다. 환경 변수 로드, console 초기화, USB 스캔 같은 단계가 다 부팅 시간을 잡아먹습니다. Falcon mode는 SPL이 바로 커널을 로드하도록 합니다. 평소에는 SPL → kernel, 특수 키를 누르거나 부팅 실패 시에만 full U-Boot로 떨어집니다.

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CONFIG_SPL_OS_BOOT=y
2
CONFIG_SPL_FALCON_BOOT_MMC=y

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# Falcon mode 준비 - kernel과 dtb를 SPL이 기대하는 위치에 둠
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=> spl export fdt $kernel_addr_r - $fdt_addr_r
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=> mmc write $fdt_addr_r 0x500 0x80

Falcon mode는 U-Boot의 유연성과 부팅 속도를 맞바꿉니다. 양산 펌웨어에 권장됩니다.

DRAM 초기화 조기 종료, console 끄기, 불필요한 드라이버 제외도 누적되면 큽니다.

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# defconfig에서 제거할 후보
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CONFIG_CMD_NET=n          # 네트워크 부팅 안 함
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CONFIG_USB_STORAGE=n       # USB 부팅 안 함
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CONFIG_CMD_USB=n
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CONFIG_CONSOLE_MUX=n
6
CONFIG_HUSH_PARSER=n      # 양산이면 셸 자체를 빼도 됨

이더넷 PHY autoneg은 1~3초가 걸리므로 부팅 경로에 절대 두지 말아야 합니다.

#Kernel 단계 — 슬림화

커널 decompression 자체가 무거운 단계입니다. zImage는 gzip, Image.gz는 동일 압축이고 Image는 비압축입니다. 비압축은 디스크 공간을 더 쓰지만 decompress 시간이 0입니다.

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# arch/arm/boot/Makefile
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make Image    # 비압축 - 빠른 부팅
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make zImage   # gzip - 균형
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make lzImage  # lz4 - decompress 빠름, 크기 중간

initcall_debug로 시간 잡아먹는 드라이버를 찾아 모듈로 빼거나 제거합니다.

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$ dmesg | grep "returned 0 after" | sort -k 11 -n -r | head
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[    1.234] initcall ip_auto_config returned 0 after 700 msecs
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[    0.987] initcall mmc_blk_init returned 0 after 234 msecs
4
[    0.745] initcall pci_subsys_init returned 0 after 232 msecs

ip_auto_config가 700ms 걸리는 보드는 IP DHCP를 부트 cmdline에서 받고 있을 가능성이 큽니다. rootfs를 NFS가 아니라 eMMC로 바꾸면 사라집니다.

kernel cmdline의 quiet와 loglevel=0은 console 출력 자체를 줄입니다. 직렬 출력은 의외로 느립니다. 115200bps면 한 줄 80자가 6.9ms입니다. dmesg가 100줄이면 700ms가 console로 빠집니다.

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# 디버깅용
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console=ttyS0,115200 earlycon loglevel=7
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# 양산용
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console=null loglevel=0 quiet

root는 PARTUUID=로 지정하면 rootfs 검색 단계의 random poll이 짧아집니다.

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root=PARTUUID=12345678-02 rootwait

rootwait은 MMC가 준비될 때까지 대기합니다. 없으면 panic으로 빠질 수 있습니다.

#Initramfs — 최소화 또는 제거

표준 distribution은 initramfs를 거쳐 real rootfs로 switch_root 합니다. 임베디드는 rootfs가 항상 같은 자리에 있으므로 initramfs 자체가 불필요한 경우가 많습니다.

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# kernel config
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CONFIG_INITRAMFS_SOURCE=""   # 비움

initramfs를 꼭 써야 한다면(예: dm-verity 검증) busybox 정적 빌드 + 최소 init 스크립트로 100KB 이내로 만듭니다.

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#!/bin/sh
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# /init - initramfs의 진입점
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mount -t proc none /proc
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mount -t sysfs none /sys
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mount /dev/mmcblk0p2 /newroot
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umount /proc /sys
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exec switch_root /newroot /sbin/init

#Userspace — systemd 의존성 정리

systemd의 multi-user.target은 기본적으로 많은 서비스에 의존합니다. 임베디드에서는 대부분 불필요합니다.

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$ systemctl disable systemd-resolved.service
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$ systemctl disable ModemManager.service
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$ systemctl disable NetworkManager-wait-online.service
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$ systemctl mask wpa_supplicant.service

NetworkManager-wait-online.service는 자주 5~30초 timeout으로 박힙니다. 네트워크가 application 시작 후 올라와도 되는 시스템에서는 mask가 안전합니다.

systemd 자체가 무거우면 BusyBox init이나 finit, OpenRC를 대안으로 검토합니다. systemd → BusyBox init만 바꿔도 userspace 부팅이 1~2초 빨라집니다.

application을 직접 init으로 등록하는 극단도 가능합니다.

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init=/usr/bin/my-app

이 경우 my-app이 mount, network, log 같은 모든 setup을 책임집니다. 부팅 0.5초 안에 application LED가 켜져야 하는 케이스에서 검토할 만합니다.

#실전 사례 — STM32MP1에서 1초 이내

ST가 공개한 STM32MP157 0-to-login 최적화는 단계별 숫자를 보여 줍니다.

깎은 항목은 다음과 같습니다.

• TF-A BL2에서 사용하지 않는 STORAGE/USB 드라이버 제외
• U-Boot Falcon mode 적용
• Kernel Image.gz → Image (비압축)
• Initramfs 제거, rootfs PARTUUID 직접 root
• systemd → BusyBox init
• application의 의존 라이브러리를 LTO + strip

#자주 하는 실수

측정 없이 깎기. quiet 하나 넣고 만족하는 경우가 많습니다. dmesg 안 보고 PHY autoneg 1초를 그대로 두는 BSP가 흔합니다.

release에서 console 끄기 잊기. loglevel=7이면 매 줄마다 직렬 송신에 시간이 듭니다. 양산에서는 0으로.

Falcon mode 실패 경로 미준비. Falcon이 실패하면 보드가 벽돌이 됩니다. SPL이 fallback으로 U-Boot 전체를 로드할 수 있도록 환경을 짜둡니다.

Userspace에서 sleep 박기. 어떤 service가 race condition을 피하려고 sleep 2를 박아두는 경우가 있습니다. 부팅 2초가 사라집니다. systemd After=/Wants=로 해결합니다.

autoneg을 부팅 경로에. 이더넷 PHY autoneg은 1.5~3초입니다. application이 네트워크를 필요로 한다면 application 시작 후 비동기로 처리합니다.

#정리

• 부트 시간 최적화는 측정으로 시작합니다. printk.time=1, bootstage report, systemd-analyze blame이 기본 도구입니다.
• 가장 큰 한 덩어리부터 깎습니다. 1초짜리 PHY autoneg 한 개가 0.1초짜리 10개보다 우선입니다.
• U-Boot Falcon mode는 부트로더 단계 시간을 한 자릿수 ms로 끌어내립니다.
• Kernel은 Image 비압축 + initcall_debug로 무거운 driver 제거 + quiet loglevel=0이 기본 조합입니다.
• Initramfs는 보안 검증이 필요하지 않다면 제거하고 PARTUUID로 직접 root mount 합니다.
• systemd는 무겁습니다. BusyBox init이나 application init으로 대체하는 극단을 검토하세요.
• STM32MP1, i.MX8M, RK3568 같은 메인스트림 SoC에서 1초 이내 부팅이 실현 가능합니다.

#다음 편 예고

Ch 16: Buildroot/Yocto와 BSP에서는 BSP를 빌드 시스템(Buildroot/Yocto)에 통합하는 방법을 다룹니다. 외부 트리, 메타레이어, 보드별 오버레이를 설계합니다.

#관련 항목

• Ch 14: 디버깅 도구 — 측정 도구가 같이 묶입니다
• Ch 17: 이미지 패키징 — 파티션 layout이 부트 경로와 맞물립니다
• Bootloader 시리즈 — Falcon Mode — U-Boot 측 깊이 있는 다룸
• Modern Embedded Recipes — Boot 최적화 — recipe 묶음