RT-Thread启动过程-编程知识

RT-Thread启动流程

一般了解一份代码大多从启动部分开始，同样这里也采用这种方式，先寻找启动的源头。
RT-Thread支持多种平台和多种编译器，而rtthread_startup()函数是RT-Thread规定的统一启动入口。

一般执行顺序是：系统先从启动文件开始运行，然后进入RT-Thread的启动函数rtthread_startup()，最后进入用户入口函数main()，如下图所示：
在这里插入图片描述
以MDK-ARM为例，用户程序入口为main函数，位于main.c文件中。系统启动后先从汇编代码startup_stm32f103xe.s开始运行，然后跳转到C代码，进行RT-Thread系统启动，最后进入用户程序入口函数main()。

为了在进入main()之前完成RT-Thread系统功能初始化，我们使用了MDK的扩展功能。
可以给main添加 $S u b$ $的前缀符号作为一个新功能函数$ Sub $KaTeX parse error: Can't use function '$' in math mode at position 8: main，这个$̲Sub$ main，这个 $S u b$ $main 可以先调用一些补充在 main 之前的功能函数，再调用$ Super$$main转到main()函数执行，这样可以让用户不去管main()之前的系统初始化操作。

在components.c中定义的这段代码：

int $Sub$$main(void)
{rtthread_startup();return 0;
}

int rtthread_startup(void)
{rt_hw_interrupt_disable();/* 板级初始化：需要在该函数内部进行系统堆的初始化 */rt_hw_board_init();/* 打印RT-Thread版本信息 */rt_show_version();/* 定时器初始化 */rt_system_timer_init();/* 调度器初始化 */rt_system_scheduler_init();#ifdef RT_USING_SIGNALS/* 信号初始化 */rt_system_signal_init();
#endif/* 由此创建一个用户 main 线程 */rt_application_init();/* 定时器线程初始化 */rt_system_timer_thread_init();/* 空闲线程初始化 */rt_thread_idle_init();/* 启动调度器 */rt_system_scheduler_start();/* 不会执行至此 */return 0;
}

这部分启动代码，大致可以分为四个部分：

初始化与系统相关的硬件。
初始化系统内核对象，例如定时器、调度器、信号；
创建main线程，在main线程中对各类模型依次进行初始化；
初始化定时器线程、空闲线程，并启动调度器。

启动调度器之前，系统所创建的线程并不会立马运行，它们会处于就绪状态等待系统调度；待启动调度器之后，系统才转入第一个线程开始运行，根据调度规则，选择的是就绪队列中优先级最高的线程。

rt_hw_board_init()中完成系统时钟设置，为系统提供心跳、串口初始化，将系统输入输出端绑定到这个串口，后续系统运行信息就会从串口打印出来。

main()函数是RT-Thread的用户代码入口，用户可以在main()函数里添加自己的应用。

RT-Thread程序内存分布

一般MCU包含的存储空间有：片内Flash与片内RAM。
RAM相当于内存，Flash相当于硬盘。
编译器会将一个程序分类为好几个部分，分别存储在MCU不同的存储区。

Keil工程在编译完之后，会有相应的程序所占用的空间提示信息。

linking...
Program Size: Code=48008 RO-data=5660 RW-data=604 ZI-data=2124
After Build - User command \#1: fromelf --bin.\\build\\rtthread-stm32.axf--output rtthread.bin
".\\build\\rtthread-stm32.axf" - 0 Error(s), 0 Warning(s).
Build Time Elapsed: 00:00:07

上面提到的 Program Size 包含以下几个部分：

1）Code：代码段，存放程序的代码部分；

2）RO-data：只读数据段，存放程序中定义的常量；

3）RW-data：读写数据段，存放初始化为非 0 值的全局变量；

4）ZI-data：0 数据段，存放未初始化的全局变量及初始化为 0 的变量；

编译完工程会生成一个.map的文件，该文件说明了各个函数占用的尺寸和地址，在文件最后几行也说明了上面几个字段的关系：

Total RO Size (Code + RO Data) 53668 ( 52.41kB)
Total RW Size (RW Data + ZI Data) 2728 ( 2.66kB)
Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data) 53780 ( 52.52kB)

RO Size：表示程序占用Flash空间的大小。
RW Size：表示运行时占用的RAM的大小。
ROM Size：表示烧写程序所占用的Flash空间的大小。

程序运行之前，需要有文件实体被烧录到STM32的Flash中，一般是bin或者hex文件，该被烧录文件称为可执行映像文件。
在这里插入图片描述
RO段中保存了Code、RO-data的数据，RW段保存了RW-data的数据，由于ZI-data都是0，所以未包含在映像文件中。

STM32在上电启动之后默认从Flash启动，启动之后会将RW段中的RW-data搬运到RAM中，但不会搬运RO段，即CPU的执行代码从Flash中读取，另外根据编译器给出的ZI地址和大小分配出ZI段，并将这块RAM区域清零。

其中动态内存堆为未使用的RAM空间，应用程序申请和释放的内存块都来自该空间。

如下面的例子：

rt_uint8_t *msg_ptr;
msg_ptr = (rt_uint8_t *)rt_malloc(128);
rt_memset(msg_ptr, 0, 128);

代码中的msg_ptr指针指向128字节内存空间位于动态内存堆空间中。

而一些全局变量则是存放于 RW 段和 ZI 段中，RW 段存放的是具有初始值的全局变量（而常量形式的全局变量则放置在 RO 段中，是只读属性的），ZI 段存放的系统未初始化的全局变量。

RT-Thread自动初始化机制

自动初始化机制是指初始化函数不需要被显示调用，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。

例如在串口驱动中调用一个宏定义告知系统初始化需要调用的函数，代码如下：

int rt_hw_usart_init(void) /* 串口初始化函数 */
{rt_hw_serial_register(&serial1, "uart1",RT_DEVICE_FLAG_RDWR | RT_DEVICE_FLAG_INT_RX,uart);return 0;
}
INIT_BOARD_EXPORT(rt_hw_usart_init); /* 使用组件自动初始化机制 */

示例代码最后的INIT_BOARD_EXPORT(rt_hw_usart_init)表示使用自动初始化功能，按照这种方式，rt_hw_usart_init()函数就会被系统自动调用，那么它是在哪里被调用的呢？

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_conponents_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_conponents_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。

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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。

静态对象和动态对象

RT-Thread内核采用面向对象的设计思想进行设计，系统级的基础设施都是一种内核对象，例如线程，信号量，互斥量，定时器等。
内核对象分为两类：静态内核对象和动态内核对象。
静态内核对象通常放在RW段和ZI段，在系统启动后在程序中初始化；
动态内核对象则是从内存堆中创建的，而后手工做初始化。

thread1 是一个静态线程对象，而 thread2 是一个动态线程对象。
thread1对象的内存空间，包括线程控制块thread1与栈空间thread1_stack都是编译时决定的，因为代码中不存在初始值，都统一放在未初始化数据段中。

静态对象会占用RAM空间，不依赖于内存堆管理器，内存分配时间确定。
动态对象则依赖于内存堆管理器，运行时申请RAM空间，当对象被删除后，占用的RAM空间被释放。