RT-Thread自动初始化详解

嵌入式大杂烩 2022-06-25 10721

嵌入式大杂烩

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描述

我们知道，在写裸机程序时，当我们完成硬件初始化后，就需要在主函数中进行调用。当我们使用RT-Thread后，完全不需要这样做了，我们可以将硬件等自动初始化。RT-Thread 自动初始化机制是指初始化函数不需要被显式调用，只需要在函数定义处通过宏定义的方式进行申明，就会在系统启动过程中被执行，非常的方便。

1 普通初始化

前面也讲了，我们在写单片机的程序时，需要对硬件进行初始化操作，我们这里还是以LED为例。需要对LED的GPIO 进行初始化后才能进一步操作。

int main(void)
{
       rt_err_t rst;  
       /* LED 初始化 */
       LED_GPIO_Config();    
       
       rst = rt_thread_init(&led_thread,
                                          "ledshine",
                                          led_thread_entry,
                                          RT_NULL,
                                          &led_thread_stack[0],
                                          sizeof(led_thread_stack),
                                          RT_THREAD_PRIORITY_MAX-2,
                                          20);
       if(rst == RT_EOK)
       {
              rt_thread_startup(&led_thread);
       }
}

 

上述代码很简单，就是在main()函数中对LED的GPIO进行初始化，也就是调用了LED_GPIO_Config() 函数，而针对RT-Thread系统，我们在需要初始化的地方进行初始化即可，无需在main()函数或者board.c中初始化了。

 

2 RT-Thread初始化流程

要想搞清楚RT-Thread的自动初始化流程，那么必须的了解RT-Thread初始化流程，这一部分前文也就有讲，官方也有，我们还是再来复习下。

RT-Thread 支持多种平台和多种编译器。RT-Thread 启动代码统一入口为 rtthread_startup() ，芯片启动文件在完成必要工作（如初始化时钟、配置中断向量表、初始化堆栈等）后，跳转至 RT-Thread 的启动入口中，最后进入用户入口 main()。RT-Thread 的启动流程如下：

1.全局关中断，初始化与系统相关的硬件。

2.打印系统版本信息，初始化系统内核对象（如定时器、调度器）。

3.初始化用户 main 线程（同时会初始化线程栈），在 main 线程中对各类模块依次进行初始化。

4.初始化软件定时器线程、初始化空闲线程。

5.启动调度器，系统切换到第一个线程开始运行（如 main 线程），并打开全局中断。

RT-Thread

在图中标出颜色的部分需要用户特别注意（黄色表示 libcpu 移植相关的内容，绿色部分表示板级移植相关的内容）。

3 RT-Thread自动初始化原理

既然是初始化，我们这里中的重点关注初始化过程，重新整理RT-Thread初始化如下图所示：

RT-Thread

在系统启动流程图中，有两个函数：rt_components_board_init() 与 rt_components_init()，其后的带底色方框内部的函数表示被自动初始化的函数，其中：

“board init functions” 为所有通过 INIT_BOARD_EXPORT(fn) 申明的初始化函数。

“pre-initialization functions” 为所有通过 INIT_PREV_EXPORT(fn)申明的初始化函数。

“device init functions” 为所有通过 INIT_DEVICE_EXPORT(fn) 申明的初始化函数。

“components init functions” 为所有通过 INIT_COMPONENT_EXPORT(fn)申明的初始化函数。

“enviroment init functions” 为所有通过 INIT_ENV_EXPORT(fn) 申明的初始化函数。

“application init functions” 为所有通过 INIT_APP_EXPORT(fn)申明的初始化函数。

rt_components_board_init() 函数执行的比较早，主要初始化相关硬件环境，执行这个函数时将会遍历通过 INIT_BOARD_EXPORT(fn) 申明的初始化函数表，并调用各个函数。

rt_components_init() 函数会在操作系统运行起来之后创建的 main 线程里被调用执行，这个时候硬件环境和操作系统已经初始化完成，可以执行应用相关代码。rt_components_init() 函数会遍历通过剩下的其他几个宏申明的初始化函数表。

RT-Thread 的自动初始化机制使用了自定义 RTI 符号段，将需要在启动时进行初始化的函数指针放到了该段中，形成一张初始化函数表，在系统启动过程中会遍历该表，并调用表中的函数，达到自动初始化的目的。

 

自动初始化功能的宏接口定义详细描述如下表所示：

初始化顺序 宏接口 描述
1 INIT_BOARD_EXPORT(fn) 非常早期的初始化，此时调度器还未启动
2 INIT_PREV_EXPORT(fn) 主要是用于纯软件的初始化、没有太多依赖的函数
3 INIT_DEVICE_EXPORT(fn) 外设驱动初始化相关，比如网卡设备
4 INIT_COMPONENT_EXPORT(fn) 组件初始化，比如文件系统或者 LWIP
5 INIT_ENV_EXPORT(fn) 系统环境初始化，比如挂载文件系统
6 INIT_APP_EXPORT(fn) 应用初始化，比如 GUI 应用

 

初始化函数主动通过这些宏接口进行申明，如 INIT_BOARD_EXPORT(rt_hw_usart_init)，链接器会自动收集所有被申明的初始化函数，放到 RTI 符号段中，该符号段位于内存分布的 RO 段中，该 RTI 符号段中的所有函数在系统初始化时会被自动调用。

好了，介绍性文字我就不贴了，下面直接看源代码进一步分析。前文说过，在RT-Thread的启动流程中，调用了两个函数 rt_components_board_init() 与 rt_components_init() 就完成了上述6个部分的初始化工作。从初始化启动流程图中我们可以看出： rt_components_board_init() 完成了第 1 部分工作， rt_components_init() 完成了第2-6部分的工作。那么接下来我们先看这两个函数源代码。


/**
 * RT-Thread Components Initialization for board
 */
void rt_components_board_init(void)
{
#if RT_DEBUG_INIT
    int result;
    const struct rt_init_desc *desc;
    for (desc = &__rt_init_desc_rti_board_start; desc < &__rt_init_desc_rti_board_end; desc ++)
    {
        rt_kprintf("initialize %s", desc->fn_name);
        result = desc->fn();
        rt_kprintf(":%d done\n", result);
    }
#else
    const init_fn_t *fn_ptr;

    for (fn_ptr = &__rt_init_rti_board_start; fn_ptr < &__rt_init_rti_board_end; fn_ptr++)
    {
        (*fn_ptr)();
    }
#endif
}

/**
 * RT-Thread Components Initialization
 */
void rt_components_init(void)
{
#if RT_DEBUG_INIT
    int result;
    const struct rt_init_desc *desc;

    rt_kprintf("do components initialization.\n");
    for (desc = &__rt_init_desc_rti_board_end; desc < &__rt_init_desc_rti_end; desc ++)
    {
        rt_kprintf("initialize %s", desc->fn_name);
        result = desc->fn();
        rt_kprintf(":%d done\n", result);
    }
#else
    const init_fn_t *fn_ptr;

    for (fn_ptr = &__rt_init_rti_board_end; fn_ptr < &__rt_init_rti_end; fn_ptr ++)
    {
        (*fn_ptr)();
    }
#endif
}

 

【注】rt_components_board_init() 与 rt_components_init()函数在components.c文件中实现。

可以看到两个函数在非调试模式下都是通过for循环会遍历位于__rt_init_rti_board_start 到 __rt_init_rti_board_end 以及__rt_init_rti_board_end 到 __rt_init_rti_end之间保存的函数指针，然后依次执行这些函数。那么接下来我们看看上述函数指针。我们先编译下，找到.map文件，我们在在文件中搜索上述的函数指针。

RT-Thread

又问会问，找到又能怎样呢？怎么和上述的6个宏定义对应起来呢？不急哈，慢慢来，我们先找到上述6个宏定义又是如何实现的，找到啦，在rtdef.h中。

RT-Thread

宏定义又是通过INIT_EXPORT宏函数定义的，那么INIT_EXPORT又是如何实现的呢？

#ifdef _MSC_VER /* we do not support MS VC++ compiler */
    #define INIT_EXPORT(fn, level)
#else
    #if RT_DEBUG_INIT
        struct rt_init_desc
        {
            const char* fn_name;
            const init_fn_t fn;
        };
        #define INIT_EXPORT(fn, level)                                                      \
            const char __rti_##fn##_name[] = #fn;                                            \
            RT_USED const struct rt_init_desc __rt_init_desc_##fn SECTION(".rti_fn."level) = \
            { __rti_##fn##_name, fn};
    #else
        #define INIT_EXPORT(fn, level)                                                       \
            RT_USED const init_fn_t __rt_init_##fn SECTION(".rti_fn."level) = fn
    #endif
#endif

 

【注】上述代码在rtdef.h中实现。

上述代码最关键的代码是：

RT_USED const init_fn_t __rt_init_##fn SECTION(".rti_fn."level) = fn

这又是啥，看不懂啊，不急哈，我们先看看init_fn_t是啥？其定义如下：

#ifdef RT_USING_COMPONENTS_INIT
typedef int (*init_fn_t)(void);

 

这就是一个函数指针类型，其实就是个指针。那么SECTION又是啥呢？其定义如下：

RT-Thread

__attribute__((used))表示这个标记这个东西是使用过的，避免出现如： warning: #177-D: variable "a" was declared but never referenced的警告。

在GCC的宏中，##后面跟变量名。__attribute__((section(x)))则表示fn被放置于指定段中。是不是还是一头雾水，不急，我们再看看一些代码或许你就明白了。

/*
 * Components Initialization will initialize some driver and components as following
 * order:
 * rti_start         --> 0
 * BOARD_EXPORT      --> 1
 * rti_board_end     --> 1.end
 *
 * DEVICE_EXPORT     --> 2
 * COMPONENT_EXPORT  --> 3
 * FS_EXPORT         --> 4
 * ENV_EXPORT        --> 5
 * APP_EXPORT        --> 6
 *
 * rti_end           --> 6.end
 *
 * These automatically initialization, the driver or component initial function must
 * be defined with:
 * INIT_BOARD_EXPORT(fn);
 * INIT_DEVICE_EXPORT(fn);
 * ...
 * INIT_APP_EXPORT(fn);
 * etc.
 */
static int rti_start(void)
{
    return 0;
}
INIT_EXPORT(rti_start, "0");

static int rti_board_start(void)
{
    return 0;
}
INIT_EXPORT(rti_board_start, "0.end");

static int rti_board_end(void)
{
    return 0;
}
INIT_EXPORT(rti_board_end, "1.end");

static int rti_end(void)
{
    return 0;
}
INIT_EXPORT(rti_end, "6.end");

 

【注】以上代码再在components.c文件中实现。

好了，我们结合上述代码和6个宏定义，以及.map文件。

RT-Thread

上图中框选的第一行是一个Section，叫做.rti_fn.0，这个内容实际是我们通过INIT_EXPORT(rti_start, "0");完成的，我们把函数rti_start改名为__rt_init_rti_start，存入.rti_fn.0这个地方。同样的，INIT_EXPORT(rti_board_start, "0.end");、INIT_EXPORT(rti_board_end, "1.end");、INIT_EXPORT(rti_end, "6.end");也是这里插入的。下图就是我们插入的位置。

RT-Thread

这下是不是很明白，当然啦，多看几遍，还是很好理解的。

 

4 RT-Thread自动初始化实例

前文理论讲了很多，源代码也分析，估计初学者还很蒙，没关系，慢慢理解，我们先看个例子，先用起来，后面再慢慢理解。还会是LED的例子，前文已近给出了普通初始化方式，下面我们看看如何使用自动化初始化。

/**
 * @brief  初始化LED的GPIO
 * @param  None
 * @retval None
 */
int LED_GPIO_Config(void)
{             
              /*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/
              GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

              /*开启LED的外设时钟*/
             RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOG, ENABLE); 

              /*设置IO口*/                                                                     
              GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //设置引脚模式为通用推挽输出
              GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //设置引脚速率为50MHz 

              /*调用库函数，初始化GPIOB0*/
              GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;      //选择要控制的GPIOB引脚        
              GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);     
                                                                                
              GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;/*选择要控制的引脚*/          
              GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);    
               
              /* 开启所有led灯  */
              GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
              GPIO_SetBits(GPIOG, GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7);       
       
         return 0;
}

/* LED 初始化 */
INIT_BOARD_EXPORT(LED_GPIO_Config);  

 

我们注意最后一行代码，这里使用INIT_BOARD_EXPORT宏定义进行初始化，其初始化时间最早，值得注意的是，上述6个宏定义修饰的函数返回值都是int，最好将返回值改为int。

如果LED配置正确，其实验现象和普通初始化方式没有任何区别，接下来我们再来看看.map文件有何变化，当然我说的是自动初始化部分。

 

RT-ThreadRT-Thread

我们可以看到多了LED初始化的信息，也说明我们前文分析的是合理的。

 

5 总结

好了，关于自动出初始化就讲完了，我估计初学者很蒙，没关系，我们再来总结下，还是先看看RT-Thread初始化过程，如下图所示：

RT-Thread

rt_components_board_init() 与 rt_components_init()负责初始化，其中带底色方框内部的函数表示被自动初始化的函数。这部分应该没是啥问题。关键是如何将初始化函数和6个自动初始化宏定义联系起来这就有点烧脑子，我整理了一张关系图，如下图所示：

RT-Thread

结合前文的讲解，再结合上述两张图，我不想在赘述了，自行理解去吧。

 

参考地址：

https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/basic/basic

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