第9章

初識瑞薩FSP固件庫

9.1瑞薩FSP庫簡介

FSP全稱為“Flexible Software Package”，中文譯為“靈活配置軟件包”。

FSP旨在以較低的內存占用量提供快速高效的驅動程序和協議棧。FSP集成了中間件協議棧、獨立于RTOS的硬件抽象層（HAL）驅動程序，以及最基礎的板級支持包（BSP）驅動程序。FSP還支持FreeRTOS實時操作系統（RTOS）。

如圖所示為FSP的軟件架構。

FSP由瑞薩公司維護和提供支持，開發人員可以從集成開發環境（e2s）或FSP的GitHub倉庫查看或下載FSP的源代碼，從而全面地了解FSP。（您可復制下方鏈接至瀏覽器，或掃描二維碼進行查看）

FSP的GitHub倉庫

https://github.com/renesas/fsp

提示

FSP是使用C99（C語言標準）編寫的開源軟件，提供完整的源代碼，但僅限用于瑞薩的硬件。

9.2瑞薩FSP庫架構分析

下面簡單分析一下瑞薩FSP庫架構。本小節內容當中的一些概念可能會讓初學者覺得較難理解，對此，建議是大概瀏覽然后跳過即可，這不影響后面的章節閱讀，現在只需要大概、初步地了解一遍，不求甚解，等到學習到了后期再回過頭來看，或對FSP庫架構會有新的體會。

9.2.1FSP庫層次結構

如圖所示，展示了FSP庫的層次劃分，我們可以很直觀地看到進行層次劃分之后的軟件結構。

RA MCU

位于最底層的是RA系列微控制器硬件。不同系列的RA微控制器之間具有非常一致、高度兼容的外設硬件，這為軟件開發人員提供了極大的便利。

BSP

往上一層是板級支持包（BSP）。BSP處于FSP軟件的底層，是FSP的功能基礎。BSP負責MCU復位后初始化系統使程序執行進入main函數，并為上層軟件提供其他服務。

BSP函數名稱以R_BSP_開頭，BSP宏以BSP_開頭，數據類型定義以_bsp開頭，以便于與FSP的其他部分區分開來。

HAL

在BSP之上是硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer（HAL）），它以較小的內存占用量為外設提供高效的設備驅動程序，實現易于使用的接口，使開發人員不必直接處理單片機的寄存器組，并使處于HAL層以上的軟件更容易在整個RA產品家族中移植。它是模塊（Modules）的集合，每個模塊都是RA系列微控制器中可用的外設的驅動程序（比如SPI、I2C、ADC），其名稱以r_開頭。所有這些模塊本質上均與RTOS無關。HAL層除了“模塊”以外還有：“接口”、“實例”等關鍵概念。

HAL層的函數的名稱以R_開頭，格式一般為R__。默認情況下，所有驅動函數都是非阻塞的，并返回執行狀態。驅動函數本身不分配任何內存，調用時需要將內存傳遞給函數。

操作系統和中間件

FSP庫首選支持FreeRTOS，可以通過軟件快速配置。FreeRTOS是非常流行的實時操作系統，支持多任務調度、任務通知、隊列、互斥、信號量和軟件計時器等功能，其系統開銷非常小，占用的內存也很小，性能可靠，經常被用于內存資源十分有限且需要實時響應處理的操作環境。

中間件介于HAL硬件抽象層和用戶應用層之間，為應用層提供服務。FSP的中間件支持包括：TCP/IP協議棧、USB協議棧、WiFi和藍牙BLE協議棧、電容式觸摸、FAT文件系統、圖形庫、加密等等。FSP中間件函數的名稱命名格式一般為：RM__。

應用層

該層為FSP層次劃分的最頂層，包含了用戶的應用代碼。用戶通過FSP底層提供的直觀、簡單和統一的API接口調用下面各層，從而訪問FSP的所有功能，這樣用戶就能以非常簡單和直接的方式編寫易于理解、維護簡單、移植方便的代碼。

9.2.2FSP庫工程結構

我們再來看由軟件自動生成的FSP庫工程的結構究竟是什么樣子的。

列表1：FSP庫工程結構

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Project
├─ ra
│ ├─ arm 包含 ARM CMSIS 代碼
│ └─ fsp 包含 FSP 庫本體
│ ├─ inc
│ │ ├─ api FSP 接口 (FSP Interfaces)（接口包含 API 定義）
│ │ └─ instances FSP 實例 (FSP Instances)（接口的實例）
│ └─src
│ ├─ bsp BSP 層 (Board Support Package)
│ │ ├─ cmsis 包含寄存器定義文件和啟動文件
│ │ └─ mcu 包含 BSP 代碼
│ └─ r_ FSP 模塊 (FSP Modules)（接口由模塊實現，模塊通過接口提供通
用功能）
├─ ra_cfg 包含 FSP 庫的配置（包括 BSP 和 HAL 層的配置）
├─ ra_gen 包含用戶的 FSP 配置數據（包括時鐘、引腳、各個外設、中斷向量等
配置數據）
├─ Debug/Release 包含編譯后生成的中間文件和最終可執行文件等
└─src
└─hal_entry.c包含了用戶裸機應用程序的入口函數 hal_entry。
當沒有使用 RTOS 的時候，hal_entry 函數由 C 語言main函數
調用，
所以其作用基本等同于main

上面的FSP庫工程的結構其實非常的簡單。只要我們把“Project”下的內容分為三部分：

第一部分為FSP庫及其配置，包括ra、ra_cfg、ra_gen這3個文件夾，它們由軟件生成。

第二部分為用戶代碼，包括src文件夾。

第三部分為編譯輸出文件，包括Debug或Release文件夾。

那么，我們便不需要深入地理解FSP庫的架構也可以很好的上手FSP庫進行開發，因為我們在配置FSP庫的時候，是通過軟件的圖形界面（FSP配置器）來配置的。

警告

注意：任何由軟件生成的文件用戶都不應該去編輯！因為在每次進行FSP配置之后單擊“生成項目內容（Generate Project Content）”圖標按鈕時，軟件都會自動重新創建這些文件，因此任何的更改都將被覆蓋。

對于想要深入理解FSP庫的讀者，可以嘗試閱讀其源碼。同時，要想清晰地理解FSP庫的架構，需要掌握以下幾個相關的重要概念。

1.模塊（Modules）：模塊可以是外設驅動程序、純軟件或介于這兩者之間，并且是FSP的構建模塊。模塊通常是獨立的單元，但它們可能依賴于其他模塊。可以通過組合多個模塊來構建應用程序，為用戶提供所需功能。

2.模塊實例（Module Instance）：模塊的單個、獨立實例化（模塊配置）。例如，USB端口可能需要使用r_dmac模塊的兩個實例與其他端口之間來回傳輸數據；又例如，當應用程序需要使用兩個GPT定時器時，每一個這個定時器都是r_gpt模塊的實例。

3.接口（Interfaces）：接口包含API定義，具有相似功能的模塊可以共用這些API定義。模塊通過這些定義提供通用功能。通過這些API定義，使用相同接口的模塊可以互換使用。可以將接口視為兩個模塊之間的合同，兩個模塊均同意使用合同中達成一致的信息進行協作。接口只是定義，并不會增加代碼的大小。

4.實例（Instances）：接口規定所提供的功能，而接口的實例則真正實現了這些功能。每個實例都與特定的接口關聯，并使用接口中的枚舉、數據結構和API原型。這樣，應用程序便可以在需要時交換實例。

5.堆疊（Stacks）：FSP架構所采用的設計方式是，模塊可以堆疊起來協同工作，從而形成了一個FSP堆。將一個模塊所能提供的功能與另一個模塊所需要的功能相匹配，這就是堆疊過程。堆由頂層模塊及其所有依賴項組成。

6.應用程序（Application）：歸用戶所有并由用戶維護的代碼。

7.回調函數（Callback Functions）：當有事件發生時（例如，USB接收到一些數據時），中斷服務程序（ISR）將調用這些函數。中斷回調函數是應用程序的組成部分，如果是在中斷使用，應盡量簡短，因為它們將在中斷服務程序內運行，會阻礙其他中斷執行。

關于接口與實例的概念：接口規定所提供的功能，而實例則真正實現了這些功能。每個實例都與特定的接口關聯，并使用接口中的枚舉、數據結構和API原型。這樣，使用接口的應用程序便可以根據需要交換實例，從而在需要更改代碼或所用外設時節省大量的時間。在RA產品家族MCU上，一些外設（例如IIC）將具有一對一的映射關系（只映射到IIC接口），而其他外設（例如SCI）將具有一對多的映射關系（實現三個接口：IIC、UART、SPI）。如下圖所示展示了這種映射關系。