FSP庫啟動文件詳解

13.1. 什么是啟動文件

啟動文件是系統(tǒng)上電復(fù)位后執(zhí)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(tǒng)時鐘。
啟用CORTEX-M33棧監(jiān)視器。
初始化C語言運行環(huán)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(fā)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(fù)位程序

14-0：復(fù)位程序

void Reset_Handler (void)
{
    /* 使用BSP對系統(tǒng)進行初始化. */
    SystemInit();

    /* Call user application. */
    main();

    while (1)
    {
        /* Infinite Loop. */
    }
}

這是系統(tǒng)上電或復(fù)位后執(zhí)行的第一個程序，使用BSP對系統(tǒng)進行初始化，隨后通過main函數(shù)進入用戶代碼。 BSP負(fù)責(zé)使MCU從復(fù)位狀態(tài)進入到用戶的應(yīng)用程序。在到達(dá)用戶的應(yīng)用程序之前，BSP設(shè)置棧、堆、時鐘、中斷、C語言運行環(huán)境和堆棧監(jiān)視器。

13.2.2. 棧區(qū)初始化

14-1：棧區(qū)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(nèi)存結(jié)構(gòu)，存放函數(shù)的參數(shù)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(shù)嵌套較多，則需要增加棧區(qū)的大小，需要注意的是，棧區(qū)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(shè)置，默認(rèn)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(shè)置類型，變量或函數(shù)的屬性，下面將逐一解釋修飾“g_main_stack”的屬性。

attribute ((aligned(8)))：參數(shù)“aligned”指定被修飾對象的對齊方式（以字節(jié)為單位）。 “aligned(8)”則意為棧區(qū)在分配時將采用8字節(jié)對齊方式。
attribute ((section( “.stack”)))：參數(shù)“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(shù)“ used ”告訴編譯器，這個變量會被使用，即使沒被調(diào)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(diào)用的。

13.2.3. 堆區(qū)初始化

14-2：堆區(qū)初始化

/* Heap */
#if (BSP_CFG_HEAP_BYTES > 0)  //若分配堆區(qū)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(tài)內(nèi)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(qū)大小，當(dāng)這個宏定義為0，則不對堆區(qū)進行初始化。由于MCU中可用的片上SRAM相對較少，且缺乏內(nèi)存保護，這意味著必須非常小心地控制堆的使用，以避免內(nèi)存泄漏、溢出和試圖過度分配。因此默認(rèn)堆區(qū)大小被設(shè)置為0。如果用戶需要（例如一些C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)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(shè)置堆區(qū)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(shù)或者變量也能夠包含在目標(biāo)代碼中。其他環(huán)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(shù)“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(tǒng)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(zhí)行的第一個函數(shù)，正如函數(shù)的字面意思，用于初始化MCU和運行環(huán)境，運行完這段代碼后將由main進入用戶的hal_entry函數(shù)，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(shù)據(jù)格式以及浮點常量之間的轉(zhuǎn)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(zhí)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(shè)置中斷向量表的基地址

14-7：設(shè)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(shè)置SCB->VTOR的值來設(shè)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(diào)函數(shù)

14-8：函數(shù)聲明

void R_BSP_WarmStart(bsp_warm_start_event_t event) __attribute__((weak));

14-9：熱啟動回調(diào)函數(shù)

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(shù)會被調(diào)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(huán)境初始化后被調(diào)用，這個函數(shù)被聲明了“weak”屬性，因此其可以被用戶重寫。在默認(rèn)情況下，這個函數(shù)會在hal_entry.c中被重寫。

14-10：hal_entry中被重寫的函數(shù)

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(rèn)情況下，這里只有在C語言運行環(huán)境初始化后，也就是函數(shù)傳入?yún)?shù)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(jù)bsp_clock_cfg.h中的設(shè)置來設(shè)置所有系統(tǒng)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(jiān)視器

14-12：啟用CORTEX-M33棧監(jiān)視器

/* Use CM33 stack monitor. */
__set_MSPLIM(BSP_PRV_STACK_LIMIT);

設(shè)置主堆棧指針限制。沒有ARMv8-M主擴展的設(shè)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(huán)境

13.2.5.7.1. 初始化BSS區(qū)

14-13：BSS區(qū)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(tài)變量的一塊內(nèi)存區(qū)域，在這里BSS區(qū)所有數(shù)據(jù)都會被初始化為0。

13.2.5.7.2. 初始化data區(qū)

14-14：DATA區(qū)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(qū)是用來存放已初始化的全局變量，靜態(tài)變量和常量的一塊內(nèi)存區(qū)域。在這段代碼，數(shù)據(jù)會從ROM被拷貝到RAM的data區(qū)。

13.2.5.7.3. 調(diào)用全局對象的構(gòu)造函數(shù)

14-15：調(diào)用全局或靜態(tài)對象的構(gòu)造函數(shù)

#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(fā)的，這段代碼用于調(diào)用C++的全局對象的構(gòu)造函數(shù)。

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(rèn)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(shù)將初始化ICU（Interrupt Control Unit），即中斷控制器，以便配置的ELC事件觸發(fā)NVIC中斷。

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13.2.4. 中斷向量表初始化

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13.2.5.2. 封裝棧頂

13.2.5.3. 設(shè)置中斷向量表的基地址

13.2.5.4. 熱啟動回調(diào)函數(shù)

13.2.5.5. 時鐘初始化

13.2.5.6. 啟用CORTEX-M33棧監(jiān)視器

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13.2.5.7.1. 初始化BSS區(qū)

13.2.5.7.2. 初始化data區(qū)

13.2.5.7.3. 調(diào)用全局對象的構(gòu)造函數(shù)

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