FSP庫啟動文件詳解
FSP庫啟動文件詳解
13.1. 什么是啟動文件
啟動文件是系統上電復位后執行的第一個程序。 主要做了以下工作：
- 初始化堆棧。
- 使能FPU（float-point unit,即浮點單元）。
- 定位中斷向量表。
- 配置系統時鐘。
- 啟用CORTEX-M33棧監視器。
- 初始化C語言運行環境。
- 初始化變量SystemCoreClock，這個變量存放的是處理器時鐘的頻率。
- 初始化用于觸發NVIC中斷的ELC（Event Link Controller）事件。
- 初始化IO口
13.2. 啟動文件代碼講解
13.2.1. 復位程序
14-0：復位程序
void Reset_Handler (void)
{
/* 使用BSP對系統進行初始化. */
SystemInit();
/* Call user application. */
main();
while (1)
{
/* Infinite Loop. */
}
}
這是系統上電或復位后執行的第一個程序，使用BSP對系統進行初始化，隨后通過main函數進入用戶代碼。 BSP負責使MCU從復位狀態進入到用戶的應用程序。 在到達用戶的應用程序之前，BSP設置棧、堆、時鐘、中斷、C語言運行環境和堆棧監視器。
13.2.2. 棧區初始化
14-1：棧區初始化
/* Main stack */
static uint8_t g_main_stack[BSP_CFG_STACK_MAIN_BYTES + BSP_TZ_STACK_SEAL_SIZE]
BSP_ALIGN_VARIABLE(BSP_STACK_ALIGNMENT) //宏展開后為“__attribute__((aligned(8)))”
BSP_PLACE_IN_SECTION(BSP_SECTION_STACK); //宏展開后為“__attribute__((section( ".stack"))) __attribute__((__used__))”
棧是一種先進后出的內存結構，存放函數的參數值、返回值、局部變量等，在程序運行過程中實時加載和釋放。 如果代碼中使用的局部變量和函數嵌套較多，則需要增加棧區的大小，需要注意的是， 棧區分配大小不能超過RAM的大小。 宏“BSP_CFG_STACK_MAIN_BYTES”可以在FSP Configuration的“BSP”屬性欄中的“RA Common”中通過修改“Main stack size”設置，默認為1KB（0x400 B）。
宏“BSP_TZ_STACK_SEAL_SIZE”用于封裝棧頂，便于檢測并阻止攻擊者對棧的攻擊。 若使用TrustZone，則該宏為8，反之為0。
代碼中的“BSP_ALIGN_VARIABLE(BSP_STACK_ALIGNMENT)” ，宏展開后為“ attribute ((aligned(8)))”，
“BSP_PLACE_IN_SECTION(BSP_SECTION_STACK)”，宏展開后為“ attribute ((section( “.stack”))) attribute ((used ))”
__attribute__可以設置類型，變量或函數的屬性，下面將逐一解釋修飾“g_main_stack”的屬性。
- attribute ((aligned(8)))：參數“aligned”指定被修飾對象的對齊方式（以字節為單位）。 “aligned(8)”則意為棧區在分配時將 采用8字節對齊方式。
- attribute ((section( “.stack”)))：參數“section”可以將變量定義到指定的輸入段中。 “section( “.stack”)”則意為將棧 放到名為“.stack”的輸入段中。
- attribute (( used ))：參數“ used ”告訴編譯器，這個變量會被使用，即使沒被調用也不會被編譯器警告, 之所以要用這個屬性修飾變量，是因為使用C或C++語言的用戶一般不會直接操作棧， 絕大部分時候這個變量是不會被用戶直接調用的。
13.2.3. 堆區初始化
14-2：堆區初始化
/* Heap */
#if (BSP_CFG_HEAP_BYTES > 0) //若分配堆區大小為0則不進行初始化
BSP_DONT_REMOVE static uint8_t g_heap[BSP_CFG_HEAP_BYTES]
BSP_ALIGN_VARIABLE(BSP_STACK_ALIGNMENT) //宏展開后為“__attribute__((aligned(8)))”
BSP_PLACE_IN_SECTION(BSP_SECTION_HEAP); //宏展開后為“__attribute__((section(".heap"))) __attribute__((__used__))”
#endif
堆沒有棧那樣先進后出的順序，用于動態內存分配，一般由程序員使用malloc和free進行分配和釋放。 BSP_CFG_HEAP_BYTES用于配置堆區大小，當這個宏定義為0，則不對堆區進行初始化。 由于MCU中可用的片上SRAM相對較少，且缺乏內存保護，這意味著必須非常小心地控制堆的使用，以避免內存泄漏、溢出和試圖過度分配。 因此默認堆區大小被設置為0。 如果用戶需要（例如一些C標準庫函數需要使用堆）， 可以在FSP Configuration中“BSP”屬性欄的“RA Common”中通過修改“Heap size”來設置堆區大小。
代碼中的BSP_DONT_REMOVE只有在使用IAR編譯器的情況下才會被宏展開為“__root”，意為強制編譯， 保證沒有使用的函數或者變量也能夠包含在目標代碼中。 其他環境下這個宏沒有宏展開，可以忽略。
宏“BSP_ALIGN_VARIABLE(BSP_STACK_ALIGNMENT)”同樣也修飾棧，這里的作用和上文的修飾棧的宏相同。
宏“BSP_PLACE_IN_SECTION(BSP_SECTION_HEAP)”展開后為“ attribute ((section(“.heap”))) attribute ((used ))”， 這個宏與上文的BSP_PLACE_IN_SECTION(BSP_SECTION_STACK)作用差不多，只是參數“section”不同，這里的“section(“.heap”)” 意為將堆放到名為“.heap”的輸入段中。
13.2.4. 中斷向量表初始化
14-3：中斷向量表初始化
/* Vector table. */
BSP_DONT_REMOVE const exc_ptr_t __Vectors[BSP_CORTEX_VECTOR_TABLE_ENTRIES]
BSP_PLACE_IN_SECTION(BSP_SECTION_FIXED_VECTORS) =
{
(exc_ptr_t) (&g_main_stack[0] + BSP_CFG_STACK_MAIN_BYTES), /* Initial Stack Pointer */
Reset_Handler, /* Reset Handler */
NMI_Handler, /* NMI Handler */
HardFault_Handler, /* Hard Fault Handler */
MemManage_Handler, /* MPU Fault Handler */
BusFault_Handler, /* Bus Fault Handler */
UsageFault_Handler, /* Usage Fault Handler */
SecureFault_Handler, /* Secure Fault Handler */
0, /* Reserved */
0, /* Reserved */
0, /* Reserved */
SVC_Handler, /* SVCall Handler */
DebugMon_Handler, /* Debug Monitor Handler */
0, /* Reserved */
PendSV_Handler, /* PendSV Handler */
SysTick_Handler, /* SysTick Handler */
};
宏“BSP_PLACE_IN_SECTION(BSP_SECTION_FIXED_VECTORS)”展開后為“ attribute ((section(“.fixed_vectors”))) attribute (( ** used** ))”。 意為將表放到名為“.fixed_vectors”的輸入段中，并且即使不被使用，編譯器也不會警告。
13.2.5. 系統初始化（）
14-4：SystemInit（）
void SystemInit (void)
{
#if __FPU_USED
/* Enable the FPU only when it is used.
* Code taken from Section 7.1, Cortex-M4 TRM (DDI0439C) */
/* Set bits 20-23 (CP10 and CP11) to enable FPU. */
SCB->CPACR = (uint32_t) CP_MASK;
#endif
#if BSP_TZ_SECURE_BUILD
uint32_t * p_main_stack_top = (uint32_t *) __Vectors[0];
*p_main_stack_top = BSP_TZ_STACK_SEAL_VALUE;
#endif
.............. //由于篇幅所限，省略中間代碼
/* Call Post C runtime initialization hook. */
R_BSP_WarmStart(BSP_WARM_START_POST_C);
/* Initialize ELC events that will be used to trigger NVIC interrupts. */
bsp_irq_cfg();
/* Call any BSP specific code. No arguments are needed so NULL is sent. */
bsp_init(NULL);
}
這是MCU進入Reset_Handler后執行的第一個函數，正如函數的字面意思，用于初始化MCU和運行環境， 運行完這段代碼后將由main進入用戶的hal_entry函數，由于代碼較長，下面將分為幾個部分對代碼進行分析。
13.2.5.1. 使能FPU
14-5：使能 FPU
#if __FPU_USED
/* Enable the FPU only when it is used.
* Code taken from Section 7.1, Cortex-M4 TRM (DDI0439C) */
/* Set bits 20-23 (CP10 and CP11) to enable FPU. */
SCB->CPACR = (uint32_t) CP_MASK;
#endif
FPU（Float-Point Unit）支持單精度加、減、乘、除、乘、累加、平方根運算。 它還提供了定點和浮點數據格式以及浮點常量之間的轉換的命令。
13.2.5.2. 封裝棧頂
14-6：封裝棧頂
#if BSP_TZ_SECURE_BUILD
uint32_t * p_main_stack_top = (uint32_t *) __Vectors[0];
*p_main_stack_top = BSP_TZ_STACK_SEAL_VALUE;
#endif
這里獲取棧頂指針，并將棧頂賦值為“BSP_TZ_STACK_SEAL_VALUE”，它的宏展開為0xFEF5EDA5，不能用作程序地址，因為地址范圍從 0xE0000000到0xFFFFFFFF是不可執行的。 這個過程被稱為封棧（Sealing Stack），過程如圖。 如果有人針對棧進行攻擊，那么這個地址 的值會被覆蓋掉，這會被檢測并阻止。
13.2.5.3. 設置中斷向量表的基地址
14-7：設置中斷向量表的基地址
#if !BSP_TZ_NONSECURE_BUILD
SCB->VTOR = (uint32_t) &__Vectors;
#endif
這里通過直接設置SCB->VTOR的值來設置中斷向量表的基地址。 在非安全項目中，這一步會被跳過。
13.2.5.4. 熱啟動回調函數
14-8：函數聲明
void R_BSP_WarmStart(bsp_warm_start_event_t event) __attribute__((weak));
14-9：熱啟動回調函數
void R_BSP_WarmStart (bsp_warm_start_event_t event)
{
if (BSP_WARM_START_RESET == event)
{
/* C runtime environment has not been setup so you cannot use globals. System clocks are not setup. */
}
if (BSP_WARM_START_POST_CLOCK == event)
{
/* C runtime environment has not been setup so you cannot use globals. Clocks have been initialized. */
}
else if (BSP_WARM_START_POST_C == event)
{
/* C runtime environment, system clocks, and pins are all setup. */
}
else
{
/* Do nothing */
}
}
這個函數會被調用三次，分別在時鐘初始化前，時鐘初始化后和C語言運行環境初始化后被調用，這個函數被聲明了“weak”屬性，因此其可以被用戶重寫。 在默認情況下，這個函數會在hal_entry.c中被重寫。
14-10：hal_entry中被重寫的函數
void R_BSP_WarmStart(bsp_warm_start_event_t event)
{
if (BSP_WARM_START_RESET == event)
{
#if BSP_FEATURE_FLASH_LP_VERSION != 0 //因為RA6M5上沒有這個功能，因此可以忽略這部分
/* Enable reading from data flash. */
R_FACI_LP->DFLCTL = 1U;
/* Would normally have to wait tDSTOP(6us) for data flash recovery. Placing the enable here, before clock and
* C runtime initialization, should negate the need for a delay since the initialization will typically take more than 6us. */
#endif
}
if (BSP_WARM_START_POST_C == event)
{
/* C runtime environment and system clocks are setup. */
/* Configure pins. */
R_IOPORT_Open (&g_ioport_ctrl, g_ioport.p_cfg);
}
}
默認情況下，這里只有在C語言運行環境初始化后，也就是函數傳入參數為“BSP_WARM_START_POST_C”時，才會對用戶在FSP Configuration中配置的引腳進行初始化，其他時候這里不會進行操作。
13.2.5.5. 時鐘初始化
14-11：時鐘初始化
bsp_clock_init();
根據bsp_clock_cfg.h中的設置來設置所有系統時鐘，這些配置來自于FSP Configuration中的Clocks選項卡。
13.2.5.6. 啟用CORTEX-M33棧監視器
14-12：啟用CORTEX-M33棧監視器
/* Use CM33 stack monitor. */
__set_MSPLIM(BSP_PRV_STACK_LIMIT);
設置主堆棧指針限制。 沒有ARMv8-M主擴展的設備（即Cortex-M23）缺乏不安全的堆棧指針限制寄存器，因此在非安全模式下此操作被忽略。
13.2.5.7. 初始化C語言運行環境
13.2.5.7.1. 初始化BSS區
14-13：BSS區初始化
/* Zero out BSS */
#if defined(__ARMCC_VERSION)
memset((uint8_t *) &Image$$BSS$$ZI$$Base, 0U, (uint32_t) &Image$$BSS$$ZI$$Length);
#elif defined(__GNUC__)
memset(&__bss_start__, 0U, ((uint32_t) &__bss_end__ - (uint32_t) &__bss_start__));
#elif defined(__ICCARM__)
memset((uint32_t *) __section_begin(".bss"), 0U, (uint32_t) __section_size(".bss"));
#endif
BSS（Block Start by Symbol）指用來存放程序中未初始化的全局變量和靜態變量的一塊內存區域，在這里BSS區所有數據都會被初始化為0。
13.2.5.7.2. 初始化data區
14-14：DATA區初始化
/* Copy initialized RAM data from ROM to RAM. */
#if defined(__ARMCC_VERSION)
memcpy((uint8_t *) &Image$$DATA$$Base, (uint8_t *) &Load$$DATA$$Base, (uint32_t) &Image$$DATA$$Length);
#elif defined(__GNUC__)
memcpy(&__data_start__, &__etext, ((uint32_t) &__data_end__ - (uint32_t) &__data_start__));
#elif defined(__ICCARM__)
memcpy((uint32_t *) __section_begin(".data"), (uint32_t *) __section_begin(".data_init"),
(uint32_t) __section_size(".data"));
data區是用來存放已初始化的全局變量，靜態變量和常量的一塊內存區域。 在這段代碼，數據會從ROM被拷貝到RAM的data區。
13.2.5.7.3. 調用全局對象的構造函數
14-15：調用全局或靜態對象的構造函數
#if defined(__ARMCC_VERSION)
int32_t count = Image$$INIT_ARRAY$$Limit - Image$$INIT_ARRAY$$Base;
for (int32_t i = 0; i < count; i++)
{
void (* p_init_func)(void) =
(void (*)(void))((uint32_t) &Image$$INIT_ARRAY$$Base + (uint32_t) Image$$INIT_ARRAY$$Base[i]);
p_init_func();
}
#elif defined(__GNUC__)
int32_t count = __init_array_end - __init_array_start;
for (int32_t i = 0; i < count; i++)
{
__init_array_start[i]();
}
#elif defined(__ICCARM__)
void const * pibase = __section_begin("SHT$$PREINIT_ARRAY");
void const * ilimit = __section_end("SHT$$INIT_ARRAY");
__call_ctors(pibase, ilimit);
#endif
RA系列MCU是支持使用C++語言進行開發的，這段代碼用于調用C++的全局對象的構造函數。
13.2.5.8. 初始化SystemCoreClock的值
14-16：初始化SystemCoreClock的值
/* Initialize SystemCoreClock variable. */
SystemCoreClockUpdate();
初始化SystemCoreClock的值，這個值表示處理器時鐘的頻率，默認為200MHz。
13.2.5.9. 初始化ICU
14-17：初始化 ICU
/* Initialize ELC events that will be used to trigger NVIC interrupts. */
bsp_irq_cfg();
這個函數將初始化ICU（Interrupt Control Unit），即中斷控制器，以便配置的ELC事件觸發NVIC中斷。
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