DE10200902A1

DE10200902A1 - Schneller Systemstart für eingebettete Systeme

Info

Publication number: DE10200902A1
Application number: DE10200902A
Authority: DE
Inventors: Luis-Alfredo Alonso-Nogueiro; Holger Kuefner; Klaus Juergen Schmitt
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2001-02-22
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2002-09-26

Abstract

Die Erfindung beruht darauf, dass der Inhalt des Datenspeichers und die Prozessorregister nach dem Starten einer Applikation eingefroren und nichtflüchtig abgespeichert wird. Die Verkürzung des Startvorgangs bzw. der Bootup-Zeit wird dadurch erreicht, dass bei dem beschleunigten Bootup die Applikation nicht auf herkömmlichem Wege gestartet werden muss, sondern dass lediglich der Datenspeicher und die Registerinhalte des Prozessors aus dem nichtflüchtigen Speicher rekonstruiert, also im einfachsten Falle kopiert werden müssen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschleunigung eines Startvorganges einer Applikation mit großem Softwareanteil auf einem Rechnersystem, wobei der Rechner über einen Daten speicher und einen Prozessor mit Prozessorregistern verfügt, sowie ein korrespondierendes Rechnersystem mit schneller Startfunktion zur Ausführung einer Applikation.

Bei Entwicklungen heutiger eingebetteter Systeme bzw. Embed ded Systeme wächst der Software-Anteil in drastischer Weise. Durch Initialisierung und Laden dieser großen Software-Pakete wächst proportional zur Größe der Zeitbedarf, um diese Syste me zu starten.

Dies wird vom Kunden aber nur sehr schwer toleriert. Wün schenswert ist ein System, dass trotz einer großen Komplexi tät in sehr kurzer Zeit aus dem völlig ausgeschalteten Zu stand in einen für den Benutzer bedienbaren Zustand überführt werden kann. Beispielsweise soll ein Autoradio nahezu sofort bedienbar sein, wenn es eingeschaltet wird. Heutige in Ent wicklung stehende komplexe Systeme der Automatisierung oder der Automobiltechnik benötigen Startzeiten zwischen 20 bis 60 Sekunden, die nicht akzeptabel sind.

Da oben beschriebene komplexe Systeme gerade in der Entwick lung sind, trat das Problem eines nicht ausreichend schnellen Startverhaltens bis jetzt so nicht auf und wurde daher bis jetzt auch nicht gelöst. Von einem großen Softwareanteil wird in dieser Erfindung ausgegangen, wenn ein herkömmlicher Lade vorgang eine Bootzeit von 20 Sekunden bis 60 Sekunden oder mehr zur Folge hat.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Mög lichkeit zu schaffen, solche Startvorgänge entscheidend zu verkürzen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Beschleunigung eines Startvorganges einer Applikation mit großem Softwareanteil auf einem Rechnersystem gelöst, wobei der Rechner über einen Datenspeicher und einen Prozessor mit Prozessorregistern verfügt, indem

a) alle erforderlichen Ladevorgänge und Konfigurationsvorgän ge der Applikation so vorgenommen werden, dass der Zustand von Datenspeicher und von Prozessorregistern einen lauffähi gen Zustand der Applikation beschreiben, worauf
b) das so vorgeladene System angehalten wird und der Inhalt des Datenspeichers und die Prozessorregister nichtflüchtig gespeichert werden und
c) für zukünftige Startvorgänge lediglich die nichtflüchtig gespeicherten Inhalte des Datenspeichers und der Prozessorre gister im Rechnersystem rekonstruiert werden.

Dabei reicht es im Extremfall aus, wenn die Schritte a) und b) nur einmal bei der Herstellung des Rechnersystems vorge nommen werden.

Die Durchführung von Schritt b) erfolgt durch:

- Benachrichtigung von Treibern für an das Rechnersystem an geschlossene Geräte,
- Anhalten des Systems durch Inaktivierung von Interrupts und/oder durch vorgesehene Systemaufrufe,
- Auslesen und Abspeichern der aktuellen Prozessorregister,
- Zurückschreiben von eventuellen modifizierten Daten eines zusätzlichen Vorhaltespeichers in den Datenspeicher und
- Abspeichern des Inhalts des Datenspeichers und der Regis terinhalte in einem nichtflüchtigen Speicher.

Entsprechend dazu erfolgt die Durchführung von Schritt c) durch:

- Aktivierung eines Anhaltezustands durch Inaktivierung von Interrupts und/oder durch vorgesehene Systemaufrufe,
- Rekonstruktion des Inhalts des Datenspeichers aus dem nichtflüchtigem Speicher,
- Laden der Prozessorregister mit den im nichtflüchtigen Speicher abgelegten Werten und
- Benachrichtigung von Treibern für an das Rechnersystem an geschlossene Geräte.

Eine weitere Verbesserung im Hinblick auf die Dauer und den verbrauchten nichtflüchtigen Speicher eines erfindungsgemäßen Startvorganges lässt sich erreichen, indem

- bei der Durchführung von Schritt b) eine Komprimierung der nichtflüchtig zu speichernden Daten erfolgt und
- bei der Durchführung von Schritt c) eine Dekomprimierung der nichtflüchtig gespeicherten Daten erfolgt.

Vorzugsweise umfasst das Vorladen der Applikation auf dem Rechnersystem wenigstens eine Auswahl aus den folgenden Ope rationen:

- Vorbereiten von Tabellen,
- Anlegen von Prozessor-Stacks und Speicher-Heaps,
- Initialisieren von globalen Variablen.

Ferner wird die Aufgabe der Erfindung auch durch ein Rechner system mit schneller Startfunktion zur Ausführung einer Ap plikation gelöst mit

- einem Prozessor mit Prozessorregistern,
- einem flüchtigen Speicher, der einen Datenspeicher umfasst, und mit
- einem nichtflüchtigen Speicher, der zumindest solche Inhal te von Datenspeicher und von Prozessorregistern umfasst, die einen lauffähigen Zustand der Applikation beschreiben, und mit
- einem Mittel zum Anhalten des Systems, insbesondere durch Inaktivierung von Interrupts und/oder durch vorgesehene Sys temaufrufe und mit
- einem Mittel zur Rekonstruktion von Inhalten von Datenspei cher und Prozessorregistern aus den einen lauffähigen Zustand der Applikation beschreibenden Inhalten des nichtflüchtigen Speichers.

Auch hierbei ist es vorteilhaft, wenn die einen lauffähigen Zustand der Applikation beschreibenden Inhalte des nicht flüchtigen Speichers in komprimierter Form vorliegen und ein Mittel zur Dekomprimierung dieser Inhalte vorgesehen ist.

Ein solches erfindungsgemäßes Rechnersystem lässt sich beson ders zur Herstellung einer vollständigen Funktionsfähigkeit aus einem völlig ausgeschalteten Zustand verwenden, wobei ei ne Rekonstruktion von Inhalten von Datenspeicher und Prozes sorregistern aus den einen lauffähigen Zustand der Applikati on beschreibenden Inhalten des nichtflüchtigen Speichers im Zuge eines Einschaltvorgangs des Rechnersystems erfolgt.

Auf dieser Grundlage lassen sich besonders gut mobile Termi nals konstruieren, insbesondere Telekommunikationsendgeräte.

Weitere Vorteile und Details der vorliegenden Erfindung erge ben sich anhand der folgenden Erläuterungen und in Verbindung mit den Figuren. Es zeigt jeweils in Prinzipdarstellung:

Fig. 1 ein Zeitdiagramm zur Vorbereitung eines vorgeladenen Systems gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm eines schnellen Startvorgangs durch Wiederherstellung eines vorgeladenen Systems gemäß der Erfindung und

Fig. 3 ein Zeitdiagramm eines gewöhnlichen Systemstarts nach dem Stand der Technik.

Zur näheren Beschreibung der Erfindung soll zuerst geklärt werden, was es bedeutet eine Applikation zu starten, d. h. welche Schritte ausgeführt werden müssen. Dazu ist ein her kömmlicher Startvorgang einer Applikation in der Darstellung gemäß der Fig. 3 skizziert. Dazu ist auf der linken Seite die Zeit T in Sekunden aufgetragen. In der Mitte sind die ver schiedenen Zeitpunkten zugeordneten Ereignisse E und rechts davon die daraufhin vorgenommenen Aktionen A aufgeführt.

Zum Zeitpunkt T = 0 wird das Rechnersystem eingeschaltet (Er eignis E1). In einem embedded System liegt der Programmcode einer Applikation in der Regel im ROM (Read only memory oder nichtflüchtiger Speicher) oder RAM (Random access memory oder flüchtiger Speicher) der Hardware-Plattform vor. Es folgt auf E1 eine Initialisierung A1 und das Kopieren A2 einer Imageda tei in den RAM-Speicher.

Daraufhin, etwa bei T = 2, wird dem Betriebssystem des Rechners die Kontrolle übergeben (Ereignis E2). Dazu werden in A3 die Strukturen des Betriebssystem-Kernel initialisiert. Darauf werden in A4 Gerätetreiber initialisiert. Bei etwa T = 5 er folgt dann der eigentliche Start E3 der Applikation.

Damit dieser Code jedoch lauffähig wird, müssen die Adressbe reiche für Code-Daten und Stack alloziert und zugreifbar ge macht werden. Für Systeme mit virtuellem Speicher bedeutet dies, dass Systemtabellen für die MMU (Memory Management U nit) initialisiert werden müssen. Größere Applikationen be stehen oft aus einer Vielzahl von DLLs (Dynamic Link Libra ries), die nacheinander geladen (A5) und in irgend einer Form registriert und konfiguriert werden müssen. Dazu müssen Kon figurationsdaten (Registry-Daten) gelesen und durchsucht wer den. Dieser Vorgang ist vergleichsweise zeitintensiv.

DLL steht dabei als Bezeichnung für Laufzeitbibliotheken oder als Bezeichnung für Dateien mit Unterroutinen in Form von bereits kompiliertem Code. Solche Routinen werden aber erst zur Laufzeit und wenn benötigt von dem zugehörigen Hauptpro gramm aufgerufen und ausgeführt. Ferner können die Unterpro gramme gleichzeitig von mehreren verschiedenen Programmen bzw. von mehreren Instanzen des gleichen Programms gleichzei tig genutzt werden, so dass dieses Unterprogramm nicht von jedem Hauptprogramm zusätzlich aufgerufen und in den Haupt speicher des Rechnersystems geholt wird. Dies verringert die Größe des Hauptprogramms und damit den Platz, den dieses im Hauptspeicher benötigt.

Im weiteren Verlauf des Starts der Applikation werden dann Softwaretreiber initialisiert (A6) und Konfigurationsdaten gelesen (A7). Etwa nach 30 Sekunden, T = 30, ist das System dann bereit zur Verarbeitung erster Bedienereingaben (Ereig nis E4).

Aus Sicht des Prozessors werden während dieser Lade- und Kon figurationsvorgänge Daten im Bereich des RAM modifiziert. Es werden Tabellen vorbereitet, Stacks und Heaps angelegt und globale Variablen initialisiert.

Dieser Bereich wird in der folgenden Beschreibung als Daten speicher bezeichnet.

Alle diese Aktionen, die während des Startens einer Applika tion ablaufen, modifizieren den Inhalt des Datenspeichers, nicht jedoch Codebereiche, die mitunter auch im RAM liegen. Der Zustand des Datenspeichers beschreibt zusammen mit den Registerinhalten des Prozessors den Zustand der Applikation bzw. des ganzen Systems.

Die Erfindung beruht nun darauf, dass der Inhalt des Daten speichers und die Prozessorregister nach dem Starten der Ap plikation eingefroren und nichtflüchtig abgespeichert wird (vgl. Fig. 1). Die Verkürzung des Startvorgangs bzw. der Boo tup-Zeit wird dadurch erreicht, dass bei dem beschleunigten Bootup die Applikation nicht auf herkömmlichem Wege gestartet werden muss, sondern dass lediglich der Datenspeicher und die Registerinhalte des Prozessors aus dem nichtflüchtigen Spei cher rekonstruiert, also im einfachsten Falle kopiert werden müssen (vgl. Fig. 2).

Zunächst soll der Vorgang zur Vorbereitung eines vorgeladenen Systems gemäß der Erfindung anhand von Fig. 1 erläutert wer den. Die Fig. 1 entspricht im wesentlichen der voranstehend erläuterten Fig. 3 bis zur Aktion A5, dem Laden der DLLs und dadurch bedingten Folgeaktivitäten. Bei etwa T = 25 wird das System dann, wie weiter unten näher erläutert, eingefroren (Ereignis Y). Erst anschließend werden die weiteren Aktionen A6 und A7 durchgeführt.

Zum Zeitpunkt der Abspeicherung muss sichergestellt sein, dass der Inhalt des Datenspeichers konsistent ist, also genau den momentanen Zustand des Systems beschreibt. Es wird darauf geachtet, dass zwischengespeicherte (Fachjargon "gecachte") Daten, die nicht dem Inhalt des Datenspeichers entsprechen, im Datenspeicher aktualisiert werden. Der Begriff "Cache" wird manchmal auch als Vorhaltespeicher bezeichnet. Darunter versteht man einen Zwischenspeicher, der zwischen zwei ver schiedenen Speichersystemen angesiedelt ist und die Transfers zwischen ihnen beschleunigt bzw. vermindert.

Das erfindungsgemäße Fast-Bootup-Konzept beruht nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel im wesentlichen auf den folgenden zwei Schritten.

A) Einfrieren und Abspeichern des Systemzustandes nach dem Starten aller relevanten Applikationen:
- - Benachrichtigung der Geräte-Treiber
- - Anhalten des Systems durch Inaktivierung der Interrupts bzw. durch spezielle Systemaufrufe. Dieser Mode wird in der folgenden Beschreibung als "Freeze-Mode" bezeichnet.
- - Auslesen und Abspeichern der Prozessorregister
- - Zurückschreiben (Flush) der modifizierten Daten-Cache Ein trage
- - Abspeichern des Datenspeichers und der Registerinhalte in nichtflüchtigem Speicher
B) Rekonstruktion des Systemzustandes aus den nichtflüchtig gespeicherten Daten:
- - Aktivierung des Freeze-Modes
- - Rekonstruktion des Datenspeichers aus dem nichtflüchtigem Speicher
- - Zurückschreiben (Flush) der modifizierten Daten-Cache Ein träge und invalidieren der TLB (Translation Lookaside Bufter) Einträge
- - Laden der Prozessorregister mit den im nichtflüchtigen Speicher abgelegten Werten
- - Benachrichtigung der Geräte-Treiber

Die Darstellung gemäß der Fig. 2 zeigt einen solchen schnellen Startvorgang durch Wiederherstellung eines vorgeladenen Sys tems gemäß der Erfindung. Die Ereignisse E1, E2 und die Akti onen A1 bis A4 verlaufen wie bei einem herkömmlichen Start vorgang. Etwa bei T = 5 erfolgt dann jedoch ein Rekonstrukti onsvorgang Y wie oben beschrieben. Dieser hat zur Folge, dass der z. B. in einen nichtflüchtigen Flash-Speicher gerettete Inhalt in das RAM des Rechnersystems kopiert wird (A8) und Treiber informiert werden (A9). Es folgen bei etwa T = 8 das Ereignis E3 (Konfiguration der Applikation) mit den Aktionen A6 und A7, so dass bereits nach etwa 10 Sekunden, T = 10, erste Benutzereingaben verarbeitet werden können (E4).

Für den Austausch des Datenspeichers zwischen nichtflüchtigem Speicher (z. B. Flash-Speicher) und RAM wird zur weiteren Be schleunigung und Einsparung von nichtflüchtigem Speicher vor teilhafterweise optional ein Komprimierungs-/Dekomprimie rungsalgorithmus eingesetzt.

An einen "Freeze-Mode" werden bei der vorliegenden Erfindung die folgenden Anforderungen gestellt:

1. Der Rechner führt keine konkurrierende Prozesse aus. Es wird eine monothread Ausführung einer bestimmten Routine vor genommen, die Freeze-Routine.
2. Die Freeze-Routine wird aufgerufen, nachdem sämtliche Treiber informiert wurden, dass der Rechner heruntergefahren wird.
3. Innerhalb der Freeze-Routine ist es möglich, auf die ge samten Ressourcen des Rechners zuzugreifen. Zum Beispiel le sen von physikalischen Speicheradressen, Umsetzen von wichti gen Hardwareeinheiten wie TLB oder Cache usw.
4. Das Betriebssystem befindet sich während der Ausführung der Freeze-Routine in einem stabilen Zustand.
5. Nachdem die Freeze-Routine zu Ende ausgeführt wurde, wer den sämtliche Treiber darüber informiert, das die Geräte zu überprüfen bzw. neu zu initialisieren sind.
6. Als letztes wird in den normalen multithreaded Zustand ü bergangen.

Unter Multithreading versteht man die Fähigkeit einer Soft ware, bestimmte Funktionen einer Applikation simultan auszu führen. Es werden also, anders als beim sogenannten Multitas king, bei dem mehrere verschiedene Programme parallel laufen innerhalb eines Programms verschiedene Funktionen aus Sicht des Anwenders gleichzeitig ausgeführt. Ein Thread stellt da bei die kleinste Einheit von ausführbarem Programmcode dar, dem entsprechend einer bestimmten Priorität Rechenzeit zuge teilt wird.

Einen solchen Freeze-Mode kann man je nach Betriebssystem mit mehr oder weniger Aufwand implementieren. Für die Erfindung wesentlich ist dabei, den Freeze-Mode so einzusetzen,

- dass man in diesem Mode ein Abzug eines vorgeladenen (lauf fertigen) Systems "einfrieren" kann und
- dass man in diesem Mode sehr kurzer Zeit genau dieses vor geladene System wiederherstellen kann.

Der Freeze-Mode wird einerseits dazu genutzt, ein System "einzufrieren", das sehr aufwendig zu laden ist (20 Sekunden bis eine Minute). Diese erste Aufgabe der Freeze-Routine wird im Extremfall nur einmal bei der Herstellung des Rechners vorgenommen. Dabei wird das vorgeladene System auf einem nichtflüchtigen Speicher gerettet (vgl. Fig. 1).

Die zweite Aufgabe der Freeze-Routine ist es, gleich nach je dem boot-Vorgang des Rechners den eingefrorenen Zustand vom nicht flüchtigem Speicher wiederherzustellen (vgl. Fig. 2). Dadurch wird das lauffertige System innerhalb kurzer Zeit wiederhergestellt (im Sekundenbereich).

Die Erfindung wurde bereits im Rahmen einer Entwicklung für Fahrerinformationssysteme erprobt. Es ergeben sich hierdurch Zeiteinsparungen im Bereich von 20 Sekunden, so dass das Sys tem eine Startzeit von unter 10 Sekunden aufweist (ca. 30 Sek. ohne Eingriff). Weitere Anwendungsbeispiele liegen im mobilen Telekommunikations- und Automatisierungsbereich, bei denen aus einem völlig ausgeschalteten Zustand (zum Zwecke des sparen von Strom) in kurzer Zeit eine vollständige Funk tionsfähigkeit erreicht werden soll.

Claims

1. Verfahren zur Beschleunigung eines Startvorganges einer Applikation mit großem Softwareanteil auf einem Rechnersys tem, wobei der Rechner über einen Datenspeicher und einen Prozessor mit Prozessorregistern verfügt, wobei

2. Verfahren zur Beschleunigung eines Startvorganges einer Applikation mit großem Softwareanteil auf einem Rechnersystem nach Anspruch 1, wobei die Schritte a) und b) nur einmal bei der Herstellung des Rechnersystems vorgenommen werden.

3. Verfahren zur Beschleunigung eines Startvorganges einer Applikation mit großem Softwareanteil auf einem Rechnersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Durchführung von Schritt b) erfolgt durch:

1. Benachrichtigung von Treibern für an das Rechnersystem an geschlossene Geräte,
2. Anhalten des Systems durch Inaktivierung von Interrupts und/oder durch vorgesehene Systemaufrufe,
3. Auslesen und Abspeichern der aktuellen Prozessorregister,
4. Zurückschreiben von eventuellen modifizierten Daten eines zusätzlichen Vorhaltespeichers in den Datenspeicher und
5. Abspeichern des Inhalts des Datenspeichers und der Regis terinhalte in einem nichtflüchtigem Speicher.

4. Verfahren zur Beschleunigung eines Startvorganges einer Applikation mit großem Softwareanteil auf einem Rechnersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Durchfüh rung von Schritt c) erfolgt durch:

1. Aktivierung eines Anhaltezustands durch Inaktivierung von Interrupts und/oder durch vorgesehene Systemaufrufe,
2. Rekonstruktion des Inhalts des Datenspeichers aus dem nichtflüchtigem Speicher,
3. Laden der Prozessorregister mit den im nichtflüchtigen Speicher abgelegten Werten und
4. Benachrichtigung von Treibern für an das Rechnersystem an geschlossene Geräte.

5. Verfahren zur Beschleunigung eines Startvorganges einer Applikation mit großem Softwareanteil auf einem Rechnersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
bei der Durchführung von Schritt b) eine Komprimierung der nichtflüchtig zu speichernden Daten erfolgt und
bei der Durchführung von Schritt c) eine Dekomprimierung der nichtflüchtig gespeicherten Daten erfolgt.

6. Verfahren zur Beschleunigung eines Startvorganges einer Applikation mit großem Softwareanteil auf einem Rechnersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vorladen der Applikation auf dem Rechnersystem wenigstens eine Auswahl aus den folgenden Operationen umfasst:

7. Rechnersystem mit schneller Startfunktion zur Ausführung einer Applikation mit
einem Prozessor mit Prozessorregistern,
einem flüchtigen Speicher, der einen Datenspeicher umfasst, und mit
einem nichtflüchtigen Speicher, der zumindest solche Inhal te von Datenspeicher und von Prozessorregistern umfasst, die einen lauffähigen Zustand der Applikation beschreiben, und mit
einem Mittel zum Anhalten des Systems, insbesondere durch Inaktivierung von Interrupts und/oder durch vorgesehene Sys temaufrufe und mit
einem Mittel zur Rekonstruktion von Inhalten von Datenspei cher und Prozessorregistern aus den einen lauffähigen Zustand der Applikation beschreibenden Inhalten des nichtflüchtigen Speichers.

8. Rechnersystem mit schneller Startfunktion zur Ausführung einer Applikation nach Anspruch 7, wobei die einen lauffähi gen Zustand der Applikation beschreibenden Inhalte des nicht flüchtigen Speichers in komprimierter Form vorliegen und ein Mittel zur Dekomprimierung dieser Inhalte vorgesehen ist.

9. Verwendung eines Rechnersystems nach Anspruch 7 oder 8 zur Herstellung einer vollständigen Funktionsfähigkeit aus einem völlig ausgeschalteten Zustand, wobei eine Rekonstruktion von Inhalten von Datenspeicher und Prozessorregistern aus den ei nen lauffähigen Zustand der Applikation beschreibenden Inhal ten des nichtflüchtigen Speichers im Zuge eines Einschaltvor gangs des Rechnersystems erfolgt.

10. Mobiles Terminal, insbesondere Telekommunikationsendge rät, mit einem Rechnersystem nach Anspruch 7 oder 8.