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基于RT-Thread+RA6M4的虚拟仪器开发:第三章程序启动过程分析

发布于 2022-07-06 22:06:50 浏览：1008 订阅该版

[TOC]
# 第三章程序启动过程分析
## 前言
了解程序从上电开始如何运行第一条代码,运行应用程序之前的代码做了什么等等,
对于今后的开发会大有帮助,我们一定要理解底层的细节,知其然知其所以然,才能在遇到问题时能快速解决问题。
代码见
https://gitee.com/qinyunti/ra6m4
## 分析流程
对于任何一款芯片,都可以按照如下流程方法分析,举一反三，一通百通。
从以下两个方面进行分析:

1. 芯片手册-> 上电-> 启动过程
以上信息要从对应的芯片架构手册我们这里是CORTEX-M33去查找。

2. 工程配置->连接脚本->中断向量->启动代码->底层初始化代码->系统初始化代码->main
以上过程从工程中,借助仿真器分析。

## 启动过程了解
从手册RA6M4 Group User’s Manual: Hardware第三章可以看到观其boot的描述
首先有一个引脚MD用于配置启动模式,当复位后检测到MD引脚电平为:
MD=1 则为Single-chip mode即,直接从on-chip flash开始运行用户代码。
而MD=0时则为SCI / USB boot mode,即,先运行芯片内部的boot代码,可以通过SCI/USB下载用户代码。

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/66810e2b7d014bf3f0d95ea3a3dcb41e.png.webp)

如下所示
![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/40fcf08a996d9b8373394e268dd7477d.png.webp)
正常我们使用前者运行用户程序,只有在没有仿真器的情况下需要更新程序时才使用后者。
所以这里只介绍前者,后者有时间可以单独介绍。

我们也可以从原理图可以看到,有跳线J8进行MD的电平配置的。

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/4cead8e5d9749bdbbbfd60e5819b0504.png.webp)

另外可以通过第4章看下存储的地址空间

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/32e9162812791291247b4fca71d8ba81.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/ed7467f209a9132c9e6f1c7bb7dcaff6.png.webp)
本开发板使用的是R7FA6M4AF3CFB,1MB FLASH,256kB RAM。
按照前者配置启动后,即是CORTEX-M33的启动流程了,所以我们需要参考CORTEX-M33的手册。
从https://developer.arm.com/documentation/100235/latest的手册Arm® Cortex®-M33 Devices Generic User Guide的第Chapter 2 The Cortex-M33 Processor的Exception model的Vector table这一节可以看到

复位时根据INITNSVTOR设定默认的中断向量地址,INITNSVTOR是IP核提供的可配参数,芯片实现时定义,一般是0x0000000,对应on chip flash地址。
根据LOCKNSVTOR引脚可决定,中断向量是否可配置到0x00000000 to 0xFFFFFF80,这也是IP提供的可配参数,具体芯片根据实际实现。中断向量的大小必须是2的指数倍字对齐。

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/77530786a8bf49e13c7d548122de6c01.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/88be9ad1d8f44f25be1729572939b113.png.webp)

我们看到中断向量的最开始4字节就是SP的初始化值,接下来4字节就是Reset后执行的第一条代码的地址,也就是将该4字节内容的值赋值给PC寄存器,相当于跳转到该处执行。
也就是芯片从on chip flash执行时,先将最开始4字节内容加载到SP寄存器(由于栈位于SRAM中所以内容肯定是0x20xxxxxx),然后从接下来4字节读取指令地址加载到PC寄存器进行执行。后面我们会通过仿真器进行验证。
## 启动过程代码分析
要查找启动代码一般从连接脚本入手
按照如下可以找到使用的链接脚本

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/017c7bc3dcdd465c569dd44e33173589.png.webp)

打开对应的ld文件

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/c7309501c21027e13aff4408405466d2.png.webp)
可以看到先包含了`INCLUDE memory_regions.ld`
该文件定义了存储区域和芯片手册对应

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/53c46e4fc4f834c92f4d9c8ea35e919d.png.webp)
从以下可以看出将.fixed_vectors代码段放在了FLASH_START处即0x00000000处。根据前面描述正是从这个地方开始加载SP和第一条指令。

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/2e11949c6e71ef2f8e0b54911545460d.png.webp)

我们搜索`fixed_vectors`

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/7c2c6dcf78cd7627317c5fd663325360.png.webp)
找到如下定义

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/943dde5948ac25d9ef78b9ca758d4879.png.webp)
继续搜索BSP_SECTION_FIXED_VECTORS

找到如下位置

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/c5a9143ee86134cede3cff7390f5d4f7.png.webp)
可以看到
最开始4字节为
(exc_ptr_t) (&g_main_stack[0] + BSP_CFG_STACK_MAIN_BYTES), 
即SP初始化为该值其中 #define BSP_CFG_STACK_MAIN_BYTES (0x400)
然后接下来在4字节为Reset_Handler,即加载Reset_Handler的地址到PC执行。

相当于跳转到Reset_Handler执行。

接下就可以继续查看执行过程

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/0c3ac2b72886ddcf0bb7c0ed2da159ba.png.webp)

为了方便跟踪,我们使用仿真器跟踪执行过程
在Reset_Handler处打断点,再进入仿真
![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/5e76d0c5886eeda23e31ba224eb1e98e.png.webp)
此时我们可以查看
0x00000000内存处的值
由于是小端模式,所以最开始4字节为0x20001400,接下来4字节为0x00009729

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/94bd37e36e3b983e18825ae1bf5ffcc8.png.webp)

0x00009729处正是Reset_Handler

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/b12a34fa925a905288fb8ca4c72bcd1a.png.webp)

这时看SP寄存器的值,为0x200013f8 <g_main_stack+1016>

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/77ab7c971b0218048ffe8986fb90c72e.png.webp)
与之前代码中的g_main_stack+1024少了8字节,这是因为
是从c代码中打的断点，实际是打开函数Reset_Handler里面,由于进入函数编译器会自动添加代码保存LR和使用的寄存器,多了指令 push    {r7, lr}压栈了两个字，所以SP减少了8字节(满递减栈)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220706/2eb35899b5097e2d5f915b5463e650cf.png.webp)

至此我们已经了解芯片复位到执行第一条代码的过程,我们继续

首先调用了SystemInit进行底层初始化
开始先进性FPU使能配置,栈设置
中断向量基地址寄存器VTOR设置

然后是时钟初始化
`bsp_clock_init`

设置栈检测`__set_MSPLIM(BSP_PRV_STACK_LIMIT);`
初始化bss区域(清0)
`
memset(&__bss_start__, 0U, ((uint32_t) &__bss_end__ - (uint32_t) &__bss_start__));
`
初始化data区域,从flash中复制初始化值到ram中
`
memcpy(&__data_start__, &__etext, ((uint32_t) &__data_end__ - (uint32_t) &__data_start__));
`

调用初始化函数
```
    int32_t count = __init_array_end - __init_array_start;
    for (int32_t i = 0; i < count; i++)
    {
        __init_array_start[i]();
}
```
更新获取时钟
`SystemCoreClockUpdate();`

其他
PMSAR初始化
    `bsp_irq_cfg()`;
`bsp_init(NULL)`;  弱定义用户代码可以覆盖

然后进入(如果是gcc编译器)
`entry()`;
否则直接进入`main`。

继续看`entry()`调用了`rtthread_startup()`;

继续看就是系统初始化了
```
int rtthread_startup(void)
{
    rt_hw_interrupt_disable();

/* board level initialization
     * NOTE: please initialize heap inside board initialization.
     */
    rt_hw_board_init();

/* show RT-Thread version */
    rt_show_version();

/* timer system initialization */
    rt_system_timer_init();

/* scheduler system initialization */
    rt_system_scheduler_init();

#ifdef RT_USING_SIGNALS
    /* signal system initialization */
    rt_system_signal_init();
#endif /* RT_USING_SIGNALS */

/* create init_thread */
    rt_application_init();

/* timer thread initialization */
    rt_system_timer_thread_init();

/* idle thread initialization */
    rt_thread_idle_init();

#ifdef RT_USING_SMP
    rt_hw_spin_lock(&_cpus_lock);
#endif /* RT_USING_SMP */

/* start scheduler */
    rt_system_scheduler_start();

/* never reach here */
    return 0;
}
```
到开始进行调度执行第一个任务,至此函数不再回来。

`rt_application_init`创建了`main_thread_entry`任务
启动调度之后会执行该任务,
调用`rt_components_init`初始化组件
最终花式进入`main`函数
```
void main_thread_entry(void *parameter)
{
    extern int main(void);

#ifdef RT_USING_COMPONENTS_INIT
    /* RT-Thread components initialization */
    rt_components_init();
#endif /* RT_USING_COMPONENTS_INIT */

#ifdef RT_USING_SMP
    rt_hw_secondary_cpu_up();
#endif /* RT_USING_SMP */
    /* invoke system main function */
#ifdef __ARMCC_VERSION
    {
        extern int $Super$$main(void);
        $Super$$main(); /* for ARMCC. */
    }
#elif defined(__ICCARM__) || defined(__GNUC__) || defined(__TASKING__)
    main();
#endif
}
```
```
#include "hal_data.h"
            int main(void) {
              hal_entry();
              return 0;
            }
```
我们看到`main_thread_entry`并不是一个死循环
`main`会`return 0`
`rt_thread_create`调用`rt_hw_stack_init`时
`stack_frame->exception_stack_frame.lr  = (unsigned long)texit;     /* lr */`
所以最后任务`return` 时会返回`texit`执行
默认传入的是`_thread_exit`
会将该任务状态修改为不再调度,(是否释放动态内存后续再看代码确认)。
```
static void _thread_exit(void)
{
    struct rt_thread *thread;
    register rt_base_t level;

/* get current thread */
    thread = rt_thread_self();

/* disable interrupt */
    level = rt_hw_interrupt_disable();

/* remove from schedule */
    rt_schedule_remove_thread(thread);

/* remove it from timer list */
    rt_timer_detach(&thread->thread_timer);

/* change stat */
    thread->stat = RT_THREAD_CLOSE;

/* insert to defunct thread list */
    rt_thread_defunct_enqueue(thread);

/* enable interrupt */
    rt_hw_interrupt_enable(level);

/* switch to next task */
    rt_schedule();
}
```
## 总结
通过以上分析,我们了解了芯片从上电到运行到用户代码的整个流程,相信对于任何一个全新的芯片平台也能很快就进行分析了解。