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【经验分享】在STM32上模拟Linux自动初始化过程

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STMCU小助手 发布时间:2022-6-22 21:14
Linux中有很多编程思想可以学习,很多大佬把这些思想、机制运用到单片机的编程上,STM32 模拟Linux kernel自动初始化流程。
通常我们写程序都是按照这个套路,一个函数一个函数按照顺序逻辑一个一个的执行下去。
* u* ?( E- U5 \6 n1 I3 I
17.jpg 9 u) C2 u6 T, c8 i2 n. w6 p

9 X. L0 @1 `2 e9 |

' e. b2 Z4 L, m如果逻辑非常复杂,涉及的模块比较多,那么这种顺序执行的代码就会比较臃肿,各模块耦合非常紧密。Linux kernel 中,有各种外设驱动,想按照一个顺序逻辑执行下去,几乎是不可能的。而kenrel 代码能有这么大的代码量,大而不乱,把各层次,各模块有效的分离,而大量的代码又有逻辑的组织在一起,和这个initcall 有至关重要的作用。通过模仿这种方式,最后把图片中main函数代码清空,分离这种逻辑,又实现同样的功能。如何能实现这样的功能了,需要一些背景知识:1,程序代码的组织2,链接脚本相关的知识。3,函数指针的应用。
$ @, R/ k  }. T/ q
" s+ x! I: K4 @% s, T1 ~# v% O 16.jpg & `. x: B& z: S  N; n; H
5 z! D( F! L# O3 R; }0 G8 |/ T
( Y- @1 G6 O, n  a! B) d7 v
代码的组织,如图片需要知道变量a,b及函数指针 f,f2是存放在程序的哪些段中,可以去看一下这篇stm32 启动代码 实现|C语言,上述的a,f都是存放在bss 段中,b,f2是存放在data段中,因为已经给定了初始值,而实现这个intcall会把需要自动初始化的数据放到一个自定义的段中去,如.initcall。% f, {3 L, n* r1 n& O
如何放到特定的段中了,就需要用到了attribute((section)) 关键字来改变的数据存放段了。目前的程序编译出来用到了这些个段,除了.isr_vector也是添加的,其他都是编译器默认的。0 x. s6 @8 ~$ [/ D8 t( |- V, k  ^/ X, t
) g1 }. `# [4 C8 D: w% Z. v8 s
2 O% Z5 n  W7 p
15.png " _, A0 u  q( Y# F; g- G9 m( X

5 A# w; `% U" m4 ?" U先加段代码:+ p* F9 S$ G$ C0 P  s

- a$ X# |% g/ K1 D, E 14.png , N& K; B& a$ l: Z2 p) P

; a( ~5 b% H. V9 Q4 \! A! c0 W

; g/ W/ p3 x" \% b5 O当然这还不够,还需要告诉连接器(LD) 要把 .initcall 段也链接到程序中,所以也需要这段修改。
8 ~- h0 p  b5 d: I! B4 {, D* Q+ H, I, p* s

9 m" p5 y: I* H  l* X 13.jpg 4 y4 n/ W# ]" J8 z
% a: g; P6 d2 Y6 q
这段按8字节对齐,定义两个全局变量,及按0-5顺序的链接这些数据,这样的两处修改,再来看一下程序各段的情况。如图片:
3 v6 \) s7 D& O" n5 F
1 N# G5 T. }9 c' V8 m- j% z* _ 12.png : v' y/ V: `$ C

4 ~9 f( v  R6 j/ `  @4 N

0 Y, {- N; [5 Q已经多出红色框框为.initcalls段,这段总共是8个字节,从0x80005a8除开始。在来看一下具体的这一段的情况,用readelf 工具。
3 k' i) x0 Z! N4 i  N4 S* D' {! @$ K+ ?' n
11.png
3 @& Y4 R5 n1 S& @和上面的size工具是匹配的,而绿色框框的地址就是SystemInit(0x08000231,小端模式。)
1 g. f: F' Q# z5 t) Y3 c& B( y
' R( H% @  z4 g8 S: G: B 10.png
, ?' J# g3 G. Q$ s0 l$ Y' J, y8 T% Q( [! u
6 q0 k) o( d$ z. x0 X# w; @
所以通过attribute及修改链接脚本,就把函数指针变量放到了.initcall 段中。那么如何来调用这个函数了,和之前的初始化data段数据类似,遍历这个段,然后取出这个函数地址,然后强制把段中的地址,转成函数指针,再直接调用即可。7 `3 F- r$ c  X0 s0 Q

; c2 G1 y0 O/ I! t' E+ ~) O 9.png 5 Y, G  N5 F, L" E* v( a/ }

& Y+ E" d, Q7 B# G( x- t# I! `+ i 8.png
- k# T; s  |. F( ]# l) E+ F5 ?0 `) L; v1 w/ N
7 Y3 y$ J: z6 S9 r1 s
实现的这张图片,就是从.initcall段中取出函数地址,然后直接调用,非常容易把函数的地址及这个函数指针变量的地址搞混。代码这么修改,需要自动初始化函数的确是可以调到了,但是每次都写这么长长的一段static initcall_t __ attribute__(( __ used__,__ section__(".initcall.0.init"))),就是不舒服. linux kernel中通过宏来修改。这个也一样。' t  `# ^9 p8 [' c' m
: |- ^$ t% y" X8 N
7.png
3 I" y3 J% s6 H/ \: x. J& i# T) Z! m. Z

! m  }+ U! K/ Z. p% Q添加 按照程序逻辑顺序执行的一些宏0,low_level_init 比如放始化系统基本时钟
6 ^9 V8 o. a' _  o1,arch_init 比如放CPU架构d如初始化NVIC的一些初始化。
1 Y2 \- R8 h6 b$ _$ X" @* X2,dev_init 外设模块初始化,比 i2c, flash, spi等。$ H6 X. u& v7 \: \) w) x4 v
3,board_init 做具体硬件板及的一些设置。! R' g, e* c( a4 X
4,os_init 操作系统的一些设置如,文件系统,网络协议栈等。* l4 z1 W6 y- b9 W! J& n
5,app_init 最后跑用户程序。把自己的程序也做一下修改,用宏代替。这样子掉调用do_initcalls 就会按照0,1-到5的顺序执行了。0 V: N$ G; O! K
, B' d" S8 s9 ~. \, [9 V- D! A' }
6.png ' e; `  b- C- Y) m! ]5 k
3 [3 \7 i6 Y3 z& p& _
5.png $ j' d# O! [+ W9 d% ^" ~4 o
7 h/ c5 X. V0 f: x
# C/ [) ?& x- K  s  Z0 H7 H1 w
最后在来看一下initcall 段:
7 Z; D- v0 ^2 J' h. s0 Y9 @
4 W% j/ k8 |$ B3 Q2 a 4.png - B1 k) W/ L% L( C
% e6 o9 e; U" {0 W  T& V
3.png
, c6 ?) E) S7 q1 {
# z2 y( }: S) `. U/ ^8 D 2.jpg ( G; W8 k- g* a% c$ g- s

7 |6 ^( v& [# \; f 1.jpg 6 v; J/ B  X7 y: K: o
* c6 E# d2 t+ K# G3 _4 l% k

+ d% t9 F- v8 s3 j6 A- `这样只要在需要自动初始化函数加上类似于dev_init(),app_init() 就可以了,就会自动调用到,而不需要main 函数中一个一个的顺序执行。比如i2c控制的初始化放到dev_init 中,下面挂了很多i2c的从设备,只要分别给个从设备用app_init 初始化就行,即使来了一个新的,也用这app_init初始化就行,也不需要更改原来的,高度的分离模块间的耦合度。这样模拟Linux kenerl 初始化验证成功,最后上库。9 V# C1 M! j! T* w9 F  U; P" W8 y

5 `' c( g$ D: _$ a# C! a6 J
1 L* K* |+ e/ O9 |' G$ r& h- F' w( C& D1 a( A
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