RT-Thread自動初始化詳解

我們知道，在寫裸機程序時，當我們完成硬件初始化后，就需要在主函數(shù)中進行調(diào)用。當我們使用RT-Thread后，完全不需要這樣做了，我們可以將硬件等自動初始化。RT-Thread自動初始化機制是指初始化函數(shù)不需要被顯式調(diào)用，只需要在函數(shù)定義處通過宏定義的方式進行申明，就會在系統(tǒng)啟動過程中被執(zhí)行，非常的方便。

1 普通初始化

前面也講了，我們在寫單片機的程序時，需要對硬件進行初始化操作，我們這里還是以LED為例。需要對LED的GPIO進行初始化后才能進一步操作。

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);
  }
}

上述代碼很簡單，就是在main()函數(shù)中對LED的GPIO進行初始化，也就是調(diào)用了LED_GPIO_Config() 函數(shù)，而針對RT-Thread系統(tǒng)，我們在需要初始化的地方進行初始化即可，無需在main()函數(shù)或者board.c中初始化了。

2 RT-Thread初始化流程

要想搞清楚RT-Thread的自動初始化流程，那么必須的了解RT-Thread初始化流程，這一部分前文也就有講，官方也有，我們還是再來復(fù)習下。

RT-Thread支持多種平臺和多種編譯器。RT-Thread啟動代碼統(tǒng)一入口為 rtthread_startup()，芯片啟動文件在完成必要工作（如初始化時鐘、配置中斷向量表、初始化堆棧等）后，跳轉(zhuǎn)至 RT-Thread的啟動入口中，最后進入用戶入口 main()。RT-Thread的啟動流程如下：

1.全局關(guān)中斷，初始化與系統(tǒng)相關(guān)的硬件。

2.打印系統(tǒng)版本信息，初始化系統(tǒng)內(nèi)核對象（如定時器、調(diào)度器）。

3.初始化用戶 main線程（同時會初始化線程棧），在 main線程中對各類模塊依次進行初始化。

4.初始化軟件定時器線程、初始化空閑線程。

5.啟動調(diào)度器，系統(tǒng)切換到第一個線程開始運行（如 main線程），并打開全局中斷。

在圖中標出顏色的部分需要用戶特別注意（黃色表示 libcpu移植相關(guān)的內(nèi)容，綠色部分表示板級移植相關(guān)的內(nèi)容）。

3 RT-Thread自動初始化原理

既然是初始化，我們這里中的重點關(guān)注初始化過程，重新整理RT-Thread初始化如下圖所示：

在系統(tǒng)啟動流程圖中，有兩個函數(shù)：rt_components_board_init() 與 rt_components_init()，其后的帶底色方框內(nèi)部的函數(shù)表示被自動初始化的函數(shù)，其中：

“board init functions”為所有通過 INIT_BOARD_EXPORT(fn)申明的初始化函數(shù)。

“pre-initialization functions”為所有通過 INIT_PREV_EXPORT(fn)申明的初始化函數(shù)。

“device init functions”為所有通過 INIT_DEVICE_EXPORT(fn)申明的初始化函數(shù)。

“components init functions”為所有通過 INIT_COMPONENT_EXPORT(fn)申明的初始化函數(shù)。

“enviroment init functions”為所有通過 INIT_ENV_EXPORT(fn)申明的初始化函數(shù)。

“application init functions”為所有通過 INIT_APP_EXPORT(fn)申明的初始化函數(shù)。

rt_components_board_init() 函數(shù)執(zhí)行的比較早，主要初始化相關(guān)硬件環(huán)境，執(zhí)行這個函數(shù)時將會遍歷通過 INIT_BOARD_EXPORT(fn)申明的初始化函數(shù)表，并調(diào)用各個函數(shù)。

rt_components_init() 函數(shù)會在操作系統(tǒng)運行起來之后創(chuàng)建的 main線程里被調(diào)用執(zhí)行，這個時候硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)已經(jīng)初始化完成，可以執(zhí)行應(yīng)用相關(guān)代碼。rt_components_init() 函數(shù)會遍歷通過剩下的其他幾個宏申明的初始化函數(shù)表。

RT-Thread的自動初始化機制使用了自定義 RTI符號段，將需要在啟動時進行初始化的函數(shù)指針放到了該段中，形成一張初始化函數(shù)表，在系統(tǒng)啟動過程中會遍歷該表，并調(diào)用表中的函數(shù)，達到自動初始化的目的。

自動初始化功能的宏接口定義詳細描述如下表所示：

初始化函數(shù)主動通過這些宏接口進行申明，如 INIT_BOARD_EXPORT(rt_hw_usart_init)，鏈接器會自動收集所有被申明的初始化函數(shù)，放到 RTI符號段中，該符號段位于內(nèi)存分布的 RO段中，該 RTI符號段中的所有函數(shù)在系統(tǒng)初始化時會被自動調(diào)用。

好了，介紹性文字我就不貼了，下面直接看源代碼進一步分析。前文說過，在RT-Thread的啟動流程中，調(diào)用了兩個函數(shù) rt_components_board_init()與 rt_components_init()就完成了上述6個部分的初始化工作。從初始化啟動流程圖中我們可以看出： 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。那么接下來我們先看這兩個函數(shù)源代碼。

/**
 * 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() 與 rt_components_init()函數(shù)在components.c文件中實現(xiàn)。

可以看到兩個函數(shù)在非調(diào)試模式下都是通過for循環(huán)會遍歷位于__rt_init_rti_board_start 到 __rt_init_rti_board_end以及__rt_init_rti_board_end 到 __rt_init_rti_end之間保存的函數(shù)指針，然后依次執(zhí)行這些函數(shù)。那么接下來我們看看上述函數(shù)指針。我們先編譯下，找到.map文件，我們在在文件中搜索上述的函數(shù)指針。

又問會問，找到又能怎樣呢？怎么和上述的6個宏定義對應(yīng)起來呢？不急哈，慢慢來，我們先找到上述6個宏定義又是如何實現(xiàn)的，找到啦，在rtdef.h中。

宏定義又是通過INIT_EXPORT宏函數(shù)定義的，那么INIT_EXPORT又是如何實現(xiàn)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】上述代碼在rtdef.h中實現(xiàn)。

上述代碼最關(guān)鍵的代碼是：

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

這又是啥，看不懂啊，不急哈，我們先看看init_fn_t是啥？其定義如下：

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

這就是一個函數(shù)指針類型，其實就是個指針。那么SECTION又是啥呢？其定義如下：

__attribute__((used))表示這個標記這個東西是使用過的，避免出現(xiàn)如： warning: #177-D: variable "a" was declared but never referenced的警告。

在GCC的宏中，##后面跟變量名。__attribute__((section(x)))則表示fn被放置于指定段中。是不是還是一頭霧水，不急，我們再看看一些代碼或許你就明白了。

/*
 * 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】以上代碼再在components.c文件中實現(xiàn)。

好了，我們結(jié)合上述代碼和6個宏定義，以及.map文件。

上圖中框選的第一行是一個Section，叫做.rti_fn.0，這個內(nèi)容實際是我們通過INIT_EXPORT(rti_start, "0");完成的，我們把函數(shù)rti_start改名為__rt_init_rti_start，存入.rti_fn.0這個地方。同樣的，INIT_EXPORT(rti_board_start, "0.end");、INIT_EXPORT(rti_board_end, "1.end");、INIT_EXPORT(rti_end, "6.end");也是這里插入的。下圖就是我們插入的位置。

這下是不是很明白，當然啦，多看幾遍，還是很好理解的。

4 RT-Thread自動初始化實例

前文理論講了很多，源代碼也分析，估計初學(xué)者還很蒙，沒關(guān)系，慢慢理解，我們先看個例子，先用起來，后面再慢慢理解。還會是LED的例子，前文已近給出了普通初始化方式，下面我們看看如何使用自動化初始化。

/**
 * @brief 初始化LED的GPIO
 * @param None
 * @retval None
 */
int LED_GPIO_Config(void)
{ 
  /*定義一個GPIO_InitTypeDef類型的結(jié)構(gòu)體*/
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

  /*開啟LED的外設(shè)時鐘*/
  RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOG, ENABLE); 

  /*設(shè)置IO口*/   
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //設(shè)置引腳模式為通用推挽輸出
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //設(shè)置引腳速率為50MHz 

  /*調(diào)用庫函數(shù)，初始化GPIOB0*/
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; //選擇要控制的GPIOB引腳 
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); 
    
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;/*選擇要控制的引腳*/ 
  GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure); 
   
  /* 開啟所有l(wèi)ed燈 */
  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); 

我們注意最后一行代碼，這里使用INIT_BOARD_EXPORT宏定義進行初始化，其初始化時間最早，值得注意的是，上述6個宏定義修飾的函數(shù)返回值都是int，最好將返回值改為int。

如果LED配置正確，其實驗現(xiàn)象和普通初始化方式?jīng)]有任何區(qū)別，接下來我們再來看看.map文件有何變化，當然我說的是自動初始化部分。

我們可以看到多了LED初始化的信息，也說明我們前文分析的是合理的。

5 總結(jié)

好了，關(guān)于自動出初始化就講完了，我估計初學(xué)者很蒙，沒關(guān)系，我們再來總結(jié)下，還是先看看RT-Thread初始化過程，如下圖所示：

rt_components_board_init() 與 rt_components_init()負責初始化，其中帶底色方框內(nèi)部的函數(shù)表示被自動初始化的函數(shù)。這部分應(yīng)該沒是啥問題。關(guān)鍵是如何將初始化函數(shù)和6個自動初始化宏定義聯(lián)系起來這就有點燒腦子，我整理了一張關(guān)系圖，如下圖所示：

結(jié)合前文的講解，再結(jié)合上述兩張圖，我不想在贅述了，自行理解去吧。

參考地址：

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