RT-Thread记录（二、RT-Thread内核启动流程）

在上一篇文章中，我们了解了RT-Thread的版本以及开发环境，使用RT-Thread Studio成功创建了一个工程。
但是要了解一个操作系统，内核的了解是必不可少的，
我们今天就在前面我们RT-Thread Studio工程基础之上讲一讲RT-Thread内核启动流程

RT-Thread启动流程

1、基础介绍
2、源码分析

   2.1 汇编部分 — startup_xxxx.s说明
   2.2 C部分 — rtthread_startup 说明
       2.2.1 板级硬件初始化 — rt_hw_board_init
       板级硬件初始化更新说明
       2.2.2 RT-Thread 堆和栈空间说明（与FreeRTOS不同）
       2.2.3 main线程创建 — rt_application_init
       2.2.4 调度器说明
 

1、基础介绍

在裸机程序中，一般在 .s 文件中就跳转到 _main从而跳转到 main()函数启动，而 RT-Thread 启动会先跳转到其启动函数 rtthread_startup()进行一系列的必要的初始化，最后才跳转至 main()函数。

简单来说就是： 程序启动，通过 startup_xxxx.s 文件（汇编语言）跳转到 RT-Thread启动函数rtthread_startup() （C语言），再通过 rtthread_startup() 跳转到 main()（C语言）函数。

官方的图片很详细的表明了这个流程：

 

在 RT-Thread 中，会把 main()函数 当成是一个线程。这个在 rtthread_startup() 就会将 main() 创建成一个线程，除此之外，rtthread_startup() 还会创建timer 线程 和 空闲线程 这两个线程。

结合上图，下面我们通过上篇文章创建的示例代码来说明一下这个流程。

2、源码分析

2.1 汇编部分 — startup_xxxx.s说明

打开RT-Thread Studio工程，在哪里找到 startup_xxxx.s 文件呢，看下面一张图：
 

我们找到了启动文件，可以打开查看，启动文件的说明我在我在另一篇博文有详细的介绍：

STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析（更新GCC环境下的启动文件分析）

已经讲解的比较详细了，这里我只把主要的简单说明一下。在上面推荐的博文中讲到过，GCC环境下面的启动，需要两个文件，一个是 startup_xxxx.s文件,还一个是 .ld链接文件，我们先看一下链接文件：

 

在以前讲过，GCC下的链接文件主要制定了入口函数，堆栈大小和数据段的整体布局。在上图中我们看到值定义了系统栈的大小，并没有定义堆大小。

这里为什么只定义系统栈？
虽然我们在其他博文说过，如果不用 malloc函数，不需要用到堆，这里没有定义是因为在后面初始化的时候会根据是否使用堆，来定义堆的大小。
在本文下面板级硬件初始化部分有介绍说明。

 

然后就简单来看一下 startup_xxxx.s文件，首先我们找到上电执行的第一个指令 Reset_Handler（芯片刚上电，就是上电复位，直接就会触发Reset_Handler）：

 

上图中所进行的操作不理解的可以查看博文：

STM32的内存管理相关（内存架构，内存管理，map文件分析）

完成数据搬运以后，就是系统基本的初始化，如下图：

完成基本初始化，MCU得以运行起来，就跳转到我们上面基础介绍里面说到的入口函数，如下图：

 

 

通过上面的步骤，最终就从 .s 中的汇编跳转到了 C语言部分，通过入口函数跳转到 rtthread_startup函数，我们通过下面的介绍说明一下，进入rtthread_startup函数 后，RT-Thread 确实做了哪些工作。

2.2 C部分 — rtthread_startup 说明

 

在本文第一节基础介绍中通过官方的一张图表示了进入rtthread_startup后，所会进行的操作，我们上面也说明了工程是怎么进入 rtthread_startup 函数的，那么进入 rtthread_startup函数 后执行了哪些操作,如下图：

 

补充说明： 上图中的SMP相关，是与多核处理器有关的设置。

上面的过程很好理解，主要有做了以下工作：

1、基本的硬件初始化；

2、一定会创建main现 线程；

3、根据是否使用软件定时器创建 time r线程；

4、一定会创建 idle 线程；

5、初始化开启调度器；

其中有一些初始化我们可以更加深入的看看具体的操作：
 

2.2.1 板级硬件初始化 — rt_hw_board_init

 

 

在上图找那个，板级硬件初始化最后调用了rt_components_board_init()函数，这个函数如下：

 

 

rt_components_board_init()函数会把所有 INIT_BOARD_EXPORT 的设备都初始化，这里暂时不介绍是如何实现的，但是有必要说明一下。

比如我们什么外设都没使能，但是使用到了串口1作为打印LOG的设备，所以串口1 必定会被使能，那么这个初始化就是在这里完成的，我们可以在工程 drivers 文件夹里的drv_usart.c 文件中查看到串口相关的初始化代码，我们可以看到如下图所示部分（此部分串口1 的说明有待确认，因为后期加了其他串口以后回头来看这个地方，并没有发现下图代码……）：

 

板级硬件初始化更新说明

对于上图提到的串口会使用 INIT_BOARD_EXPORT(rt_hw_usart_init)，后续我反而并没有找到图示代码，也不知道是因为版本问题还是什么原因，这里需要补充说明一下：

硬件设备的初始化是在hw_board_init函数中的：

 

 

2.2.2 RT-Thread 堆和栈空间说明（与FreeRTOS不同）

在上图中，有一点比较特殊，就是对 堆 空间的初始化，我们以前遇到的都是在启动文件中定义好堆栈空间，而我们上面分析 RT-Thread 启动文件的时候，只定义了栈空间，堆空间没有定义，其实是放在了这个地方：

 

 

刚开始看到这里还有个疑问，HEAP 把余下 所有的 RAM 都使用了，按照以前的理解，系统栈应该是在最后面的位置的，这里是怎么回事？

关于 系统栈位置的问题，可以参考博文：RTOS的 任务栈 和 系统栈

上面我们通过源码看到的结论和 这篇博文说到的不一样（当时是用裸机和 FreeRTOS作为例子说明的），然后在 RT-Thread 下，系统栈的位置在什么地方，于是乎回头看了看定义数据段整体布局的链接文件：

通过链接文件我们可以推断 .stack 的位置，那么为了确认一下，我们可以查看程序编译过后的 .map文件：

 

在 RAM 数据段我们可以查看数据存放的位置，找到关于 系统栈的位置部分：

 

确认了在 RT-Thread 中，系统栈的位置是确实存放于 .data 段和 .bss 之间的，所以堆空间即便使用了余下全部的 ram 空间也是没有问题的。

2.2.3 main线程创建 — rt_application_init

在 RT-Thread 中，创建了一个名字为 "main" 的线程来调用 main() 函数，就是在rtthread_startup函数中的rt_application_init()，如下图：

 

 

2.2.4 调度器说明

调度器是操作系统的核心知识，调度器是基于链表进行操作的，具体的原理将来会单独写一篇文章说明，这里我们就简单的过一遍，知道函数的用意。

在rtthread_startup函数中，使用rt_system_scheduler_init();初始化调度器，rt_system_scheduler_start();开启调度器，开启调度器之后，线程之间就会根据一定的规则进行切换（时间片，优先级）：

 

 

开启调度器后，会在就绪列表中找到最高优先级的线程，然后通过设置 线程指针（PSP），来跳转到对应的位置执行：

线程指针什么意思，可以参考博文：FreeRTOS记录（三、FreeRTOS任务调度原理解析_Systick、PendSV、SVC）

 

至此，整个系统就正常跑起来了，然后用户运行自己想要做的事情，可以在 main 中设计自己的应用代码，或者创建线程。