Raspberry Pi 4 take 4-5 seconds to load GPU firmware and start to loading the kernel, is it normal?

Question

I'm in the stage of optimizing Raspberry pi 4 startup time, supplied with a custom system image created by buildroot.

I'm just trying to build a default image like this:

git clone git://git.busybox.net/buildroot buildroot && cd buildroot && git checkout 2019.11.1
make raspberrypi4_defconfig BR2_JLEVEL="$(nproc)"

And here's the output image:

.
├── [ 40K]  bcm2711-rpi-4-b.dtb
├── [ 32M]  boot.vfat
├── [200M]  rootfs.ext2
├── [  11]  rootfs.ext4 -> rootfs.ext2
├── [3.0M]  rpi-firmware
│   ├── [  65]  cmdline.txt
│   ├── [ 745]  config.txt
│   ├── [5.9K]  fixup4.dat
│   ├── [335K]  overlays
│   │   ├── [ 569]  act-led.dtbo
│   │   ├── [1.0K]  adau1977-adc.dtbo
│   │   ├── [1.5K]  adau7002-simple.dtbo
│   │   ├── [2.4K]  ads1015.dtbo
│   │   ├── [2.4K]  ads1115.dtbo
│   │   ├── [2.3K]  ads7846.dtbo
│   │   ├── [1.9K]  adv7282m.dtbo
│   │   ├── [2.4K]  adv728x-m.dtbo
│   │   ├── [1.4K]  akkordion-iqdacplus.dtbo
│   │   ├── [1.4K]  allo-boss-dac-pcm512x-audio.dtbo
│   │   ├── [1.2K]  allo-digione.dtbo
│   │   ├── [1.6K]  allo-katana-dac-audio.dtbo
│   │   ├── [1011]  allo-piano-dac-pcm512x-audio.dtbo
│   │   ├── [1.5K]  allo-piano-dac-plus-pcm512x-audio.dtbo
│   │   ├── [1.4K]  applepi-dac.dtbo
│   │   ├── [1.6K]  at86rf233.dtbo
│   │   ├── [1.8K]  audioinjector-addons.dtbo
│   │   ├── [1.8K]  audioinjector-ultra.dtbo
│   │   ├── [ 787]  audioinjector-wm8731-audio.dtbo
│   │   ├── [2.1K]  audiosense-pi.dtbo
│   │   ├── [ 833]  audremap.dtbo
│   │   ├── [2.9K]  balena-fin.dtbo
│   │   ├── [ 449]  bmp085_i2c-sensor.dtbo
│   │   ├── [ 983]  dht11.dtbo
│   │   ├── [ 663]  dionaudio-loco.dtbo
│   │   ├── [1.0K]  dionaudio-loco-v2.dtbo
│   │   ├── [ 954]  disable-bt.dtbo
│   │   ├── [ 387]  disable-wifi.dtbo
│   │   ├── [ 951]  dpi18.dtbo
│   │   ├── [ 975]  dpi24.dtbo
│   │   ├── [5.7K]  draws.dtbo
│   │   ├── [ 801]  dwc2.dtbo
│   │   ├── [ 293]  dwc-otg.dtbo
│   │   ├── [1.4K]  enc28j60.dtbo
│   │   ├── [1.2K]  enc28j60-spi2.dtbo
│   │   ├── [1.5K]  exc3000.dtbo
│   │   ├── [1.9K]  fe-pi-audio.dtbo
│   │   ├── [1.4K]  goodix.dtbo
│   │   ├── [1.2K]  googlevoicehat-soundcard.dtbo
│   │   ├── [1.2K]  gpio-fan.dtbo
│   │   ├── [1.2K]  gpio-ir.dtbo
│   │   ├── [1.1K]  gpio-ir-tx.dtbo
│   │   ├── [1.3K]  gpio-key.dtbo
│   │   ├── [ 274]  gpio-no-bank0-irq.dtbo
│   │   ├── [ 258]  gpio-no-irq.dtbo
│   │   ├── [ 994]  gpio-poweroff.dtbo
│   │   ├── [1.2K]  gpio-shutdown.dtbo
│   │   ├── [1.6K]  hd44780-lcd.dtbo
│   │   ├── [ 779]  hifiberry-amp.dtbo
│   │   ├── [ 655]  hifiberry-dac.dtbo
│   │   ├── [1.9K]  hifiberry-dacplusadc.dtbo
│   │   ├── [1.8K]  hifiberry-dacplusadcpro.dtbo
│   │   ├── [1.7K]  hifiberry-dacplus.dtbo
│   │   ├── [ 959]  hifiberry-digi.dtbo
│   │   ├── [1.1K]  hifiberry-digi-pro.dtbo
│   │   ├── [2.4K]  hy28a.dtbo
│   │   ├── [2.8K]  hy28b-2017.dtbo
│   │   ├── [2.8K]  hy28b.dtbo
│   │   ├── [1.6K]  i2c0-bcm2708.dtbo
│   │   ├── [1.4K]  i2c0.dtbo
│   │   ├── [1.3K]  i2c1-bcm2708.dtbo
│   │   ├── [1004]  i2c1.dtbo
│   │   ├── [ 907]  i2c3.dtbo
│   │   ├── [ 907]  i2c4.dtbo
│   │   ├── [ 911]  i2c5.dtbo
│   │   ├── [ 909]  i2c6.dtbo
│   │   ├── [ 270]  i2c-bcm2708.dtbo
│   │   ├── [1.0K]  i2c-gpio.dtbo
│   │   ├── [2.1K]  i2c-mux.dtbo
│   │   ├── [ 644]  i2c-pwm-pca9685a.dtbo
│   │   ├── [4.4K]  i2c-rtc.dtbo
│   │   ├── [5.1K]  i2c-rtc-gpio.dtbo
│   │   ├── [4.6K]  i2c-sensor.dtbo
│   │   ├── [ 307]  i2s-gpio28-31.dtbo
│   │   ├── [1.3K]  ilitek251x.dtbo
│   │   ├── [ 895]  iqaudio-codec.dtbo
│   │   ├── [1.2K]  iqaudio-dac.dtbo
│   │   ├── [1.5K]  iqaudio-dacplus.dtbo
│   │   ├── [1.3K]  iqaudio-digi-wm8804-audio.dtbo
│   │   ├── [ 893]  i-sabre-q2m.dtbo
│   │   ├── [5.1K]  jedec-spi-nor.dtbo
│   │   ├── [1.2K]  justboom-dac.dtbo
│   │   ├── [ 955]  justboom-digi.dtbo
│   │   ├── [1.9K]  ltc294x.dtbo
│   │   ├── [1.9K]  max98357a.dtbo
│   │   ├── [1.6K]  mbed-dac.dtbo
│   │   ├── [1.4K]  mcp23017.dtbo
│   │   ├── [ 15K]  mcp23s17.dtbo
│   │   ├── [1.8K]  mcp2515-can0.dtbo
│   │   ├── [1.8K]  mcp2515-can1.dtbo
│   │   ├── [4.1K]  mcp3008.dtbo
│   │   ├── [4.1K]  mcp3202.dtbo
│   │   ├── [1.8K]  mcp342x.dtbo
│   │   ├── [3.3K]  media-center.dtbo
│   │   ├── [ 720]  midi-uart0.dtbo
│   │   ├── [ 857]  midi-uart1.dtbo
│   │   ├── [1.4K]  miniuart-bt.dtbo
│   │   ├── [1.2K]  mmc.dtbo
│   │   ├── [ 796]  mpu6050.dtbo
│   │   ├── [2.8K]  mz61581.dtbo
│   │   ├── [2.5K]  ov5647.dtbo
│   │   ├── [2.3K]  papirus.dtbo
│   │   ├── [ 569]  pi3-act-led.dtbo
│   │   ├── [ 954]  pi3-disable-bt.dtbo
│   │   ├── [ 387]  pi3-disable-wifi.dtbo
│   │   ├── [1.4K]  pi3-miniuart-bt.dtbo
│   │   ├── [2.3K]  pibell.dtbo
│   │   ├── [1.6K]  piglow.dtbo
│   │   ├── [2.5K]  piscreen2r.dtbo
│   │   ├── [2.6K]  piscreen.dtbo
│   │   ├── [2.4K]  pisound.dtbo
│   │   ├── [1.5K]  pitft22.dtbo
│   │   ├── [2.3K]  pitft28-capacitive.dtbo
│   │   ├── [2.7K]  pitft28-resistive.dtbo
│   │   ├── [2.7K]  pitft35-resistive.dtbo
│   │   ├── [1.1K]  pps-gpio.dtbo
│   │   ├── [1.0K]  pwm-2chan.dtbo
│   │   ├── [ 946]  pwm.dtbo
│   │   ├── [1.0K]  pwm-ir-tx.dtbo
│   │   ├── [1.4K]  qca7000.dtbo
│   │   ├── [1.9K]  rotary-encoder.dtbo
│   │   ├── [ 489]  rpi-backlight.dtbo
│   │   ├── [3.5K]  rpi-cirrus-wm5102.dtbo
│   │   ├── [ 643]  rpi-dac.dtbo
│   │   ├── [2.5K]  rpi-display.dtbo
│   │   ├── [1018]  rpi-ft5406.dtbo
│   │   ├── [1.9K]  rpi-poe.dtbo
│   │   ├── [ 771]  rpi-proto.dtbo
│   │   ├── [ 893]  rpi-sense.dtbo
│   │   ├── [ 567]  rpi-tv.dtbo
│   │   ├── [1.3K]  rra-digidac1-wm8741-audio.dtbo
│   │   ├── [1.2K]  sc16is750-i2c.dtbo
│   │   ├── [1.3K]  sc16is752-i2c.dtbo
│   │   ├── [1.8K]  sc16is752-spi1.dtbo
│   │   ├── [ 968]  sdhost.dtbo
│   │   ├── [1.8K]  sdio.dtbo
│   │   ├── [ 804]  sdtweak.dtbo
│   │   ├── [ 376]  smi-dev.dtbo
│   │   ├── [ 981]  smi.dtbo
│   │   ├── [1.4K]  smi-nand.dtbo
│   │   ├── [ 895]  spi0-cs.dtbo
│   │   ├── [ 456]  spi0-hw-cs.dtbo
│   │   ├── [1.5K]  spi1-1cs.dtbo
│   │   ├── [1.9K]  spi1-2cs.dtbo
│   │   ├── [2.2K]  spi1-3cs.dtbo
│   │   ├── [1.5K]  spi2-1cs.dtbo
│   │   ├── [1.9K]  spi2-2cs.dtbo
│   │   ├── [2.2K]  spi2-3cs.dtbo
│   │   ├── [1.3K]  spi3-1cs.dtbo
│   │   ├── [1.6K]  spi3-2cs.dtbo
│   │   ├── [1.3K]  spi4-1cs.dtbo
│   │   ├── [1.6K]  spi4-2cs.dtbo
│   │   ├── [1.3K]  spi5-1cs.dtbo
│   │   ├── [1.6K]  spi5-2cs.dtbo
│   │   ├── [1.3K]  spi6-1cs.dtbo
│   │   ├── [1.6K]  spi6-2cs.dtbo
│   │   ├── [ 630]  spi-gpio35-39.dtbo
│   │   ├── [ 795]  spi-gpio40-45.dtbo
│   │   ├── [ 635]  spi-rtc.dtbo
│   │   ├── [1.1K]  ssd1306.dtbo
│   │   ├── [1.9K]  superaudioboard.dtbo
│   │   ├── [ 35K]  sx150x.dtbo
│   │   ├── [1.5K]  tc358743-audio.dtbo
│   │   ├── [2.4K]  tc358743.dtbo
│   │   ├── [4.7K]  tinylcd35.dtbo
│   │   ├── [ 779]  tpm-slb9670.dtbo
│   │   ├── [ 988]  uart0.dtbo
│   │   ├── [ 980]  uart1.dtbo
│   │   ├── [ 589]  uart2.dtbo
│   │   ├── [ 589]  uart3.dtbo
│   │   ├── [ 589]  uart4.dtbo
│   │   ├── [ 589]  uart5.dtbo
│   │   ├── [3.4K]  udrc.dtbo
│   │   ├── [2.4K]  upstream.dtbo
│   │   ├── [1.2K]  vc4-fkms-v3d.dtbo
│   │   ├── [1.1K]  vc4-kms-kippah-7inch.dtbo
│   │   ├── [2.3K]  vc4-kms-v3d.dtbo
│   │   ├── [ 758]  vga666.dtbo
│   │   ├── [1.0K]  w1-gpio.dtbo
│   │   ├── [1.1K]  w1-gpio-pullup.dtbo
│   │   └── [1.0K]  wittypi.dtbo
│   └── [2.6M]  start4.elf
├── [232M]  sdcard.img
├── [462K]  u-boot.bin
└── [5.3M]  zImage

From this Question, seeing an splash-screen means that we're on stage 3 bootloader and the device's GPU firmware(start.elf) has been loaded.

Up to this point, it took approximately 4-5 seconds! without even entering the kernel load phase!

Is this normal? or something's wrong or should be optimized out?

Answer 1

Not direct an answer to your question but maybe a help to examine what's going on with the bootloader. The Raspberry Pi 4B has an EEPROM now where you can set a debug flag BOOT_UART=1 as described at Pi4 Bootloader Configuration. Then the boot loader will output low level debug information to the serial debug console on pins GPIO 14 and 15 so you need a USB to TTL (RS232) serial adapter. An example of an output you can find at Serial output in case of no OS.