一、概述
在某些應用場景中，要求系統能快速啟動。從使用者視角看，隻有當系統的應用邏輯開始運作的時候，才算啟動完成。是以，啟動時間并不隻是從系統上電到作業系統完成初始化，還包從初始化完成到基本功能開始運作的時間。比如IP Camera要求從上電到第一幀穩定出圖的時間小于250ms，這個啟動時間包含了第一幀圖像的采集與顯示。
本文闡述了AliOS Things上的核心延遲加載技術，可有效降低系統啟動時間。
二、作業系統可執行程式的組成
作業系統的可執行程式主要包含text、rodata、data、bss段。其中text存放代碼；rodata段存放隻讀資料，比如字元串；data段存放初始化為非0的全局變量；bss段存放未初始化和初始化為0的全局變量。
編譯生成的可執行程式bss段上并沒有實質性内容，隻需在OS初始化時将其對應的記憶體區域全部清0即可，是以生成的系統鏡像隻包含text、rodata、data段。
編譯生成系統鏡像後，用燒錄器将鏡像燒寫到Flash上。當系統上電或RESET時，首先運作BootLoader，它從FLASH讀取系統鏡像，并将其寫到指定的RAM區域，然後跳轉到系統入口。
為了盡早暴露問題，提高系統的穩定性，作業系統通常根據段的特點設定其所在記憶體的屬性。text段設定為隻讀可執行，這樣往該區域寫資料将直接觸發異常，避免指令被誤修改引發不可預知的問題。rodata段也類似，作業系統隻會從該段讀取資料不會往該段寫資料，是以設定為隻讀屬性。
三、延遲加載
讀取Flash較為耗時，以讀速度20MB/s的flash為例，BootLoader讀取2MB核心鏡像需要約100ms。對于需在250ms内出圖的IP Camera應用來說，這個時間已經耗去40%，必須降低該時間。
從作業系統初始化到啟動完成并不需要所有的代碼段與資料段。是以可以把核心的加載操作分為兩個階段，第一階段由BootLoader加載，包括作業系統啟動需要的代碼和資料。第二階段在作業系統完成啟動後，由作業系統自己把鏡像剩餘部分加載到記憶體。各個階段的如下：
具體而言，延遲加載技術通過連結腳本将OS鏡像分為啟動加載和延遲加載兩部分。從原始的text、rodata、data段中分離出延遲加載的post_text、post_rodata、post_data段。其中text、rodata、data段由BootLoader加載，post_text、post_rodata、post_data段由作業系統加載。具體劃分如下圖所示：
連結腳本有兩種方式來支援上述核心鏡像布局。
3.1、正向選擇
連結腳本文法如下：
archive:file (.segment)
其中，archive是庫名，通常是.a為字尾的庫。file是庫内檔案，通常為.o字尾的目标檔案，file也可以省略，表示連結archive内的所有檔案。archive:file也可以用通配符*，表示連結所有的檔案。通過該語句可以指定隻連結某個庫的段或連結所有庫的段。是以可在連結腳本中先連結啟動加載部分的代碼與資料，然後再連結剩餘部分。示例如下：
/* 連結啟動加載部分 */
- __text_start = .;
- .text :
- {
- kernel.a:(.text .text*)
- }
- .rodata :
- kernel.a:(.rodata .rodata*)
- .data :
- kernel.a:(.data .data*)
/* 連結剩餘部分 */
- .post_text :
- __post_text_start = .;
- *(.text .text*)
- __post_text_end = .;
- .post_rodata :
- __post_rodata_start = .;
- *(.rodata .rodata*)
- __post_rodata_end = .;
- .post_data ALIGN(0x1000):
- __post_data_start = .;
- *(.data .data*)
- __post_data_end = .;
- .bss :
- *(.bss .bss*)
3.2、反向選擇
如果啟動加載部分的庫比較多，且很難清理出一個完整的清單。那麼可以利用連結腳本提供的EXCLUDE_FILE關鍵字反向選擇。即把可以放到延遲加載部分的庫梳理出來，然後從第一部分剔除。EXCLUDE_FILE文法如下：
EXCLUDE_FILE (archive0 archive1 archive2) *(.segment)
EXCLUDE_FILE語句一次可以指定排除多個庫。示例如下：
- EXCLUDE_FILE(post.a) *(.text .text*)
- EXCLUDE_FILE(post.a) * (.rodata .rodata*)
- EXCLUDE_FILE(post.a) * (.data .data*)
連結腳本中定義了符号text_start，同時為延遲加載的段定義了三組符号：post_text_start/post_text_end，post_rodata_start/post_rodata_end，post_data_start/post_data_end。系統啟動後可以根據這些符号确定加載到記憶體的位置，以及設定相應的讀寫屬性。可以根據post_text_start-__text_start的偏移值計算出指定延遲加載段在flash中的偏移。
在實際項目中，通過上述反向選擇方式，BootLoader隻需加載原鏡像的60%，BootLoader耗時從114ms降為72ms。
在代碼和資料被加載前，存放延遲加載段的記憶體上的值是随機值，是以該記憶體區域的屬性宜在加載前設定，以避免誤通路該區域産生不可預知的問題。作業系統從Flash加載延遲部分的流程如下。它将根據是否使能延遲加載功能來決定是否從flash讀取延遲加載的段。
最後，還有一個問題需要解決：BootLoader如何獲得第一部分的加載長度。第一種方式是靜态配置，即配置BootLoader源碼的加載長度宏。這種方式實作簡單，适合在核心鏡像變化不大的情況下使用。第二種方式是建構體系自動探測。編譯生成核心鏡像後，建構體系讀取連結時生成的map檔案，然後擷取第一部分加載長度，并設定BootLoader的編譯宏。第三種方式是在核心鏡像頭部存放第一部分加載長度的資訊，BootLoader先讀取核心鏡像頭部，獲得第一部分的加載長度後，再繼續加載。
四、總結
本文闡述了AliOS Things上的核心延遲加載技術。提供了兩種調整核心鏡像的方式，可有效降低啟動時間。
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