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使用LiteOS Studio圖形化檢視LiteOS在STM32上執行的奧祕

阿新 • • 發佈：2020-12-11
摘要：本文帶來基於LiteOS一站式開發工具LiteOS Studio，通過單步除錯，來動態分析LiteOS的啟動流程。

編者按：在LiteOS大揭祕系列，我們和讀者們分享了《LiteOS是怎麼在STM32上開始執行的》，從原始碼上靜態分析了一遍LiteOS的啟動流程。本文提供一種新的方式，即基於LiteOS一站式開發工具LiteOS Studio，通過單步除錯，來動態分析LiteOS的啟動流程，給開發者一個更直觀的展示。

瞭解LiteOS系統，我們可以先從它的啟動流程開始。不同的晶片和編譯工具，其啟動流程可能會有一些差異，本文基於碼雲 LiteOS開源站點 master分支12月的程式碼，以STM32F769IDISCOVERY（ARM Cortex M7）開發板和GCC編譯工具為例，使用LiteOS Studio的單步除錯，動態分析LiteOS的啟動流程。

LiteOS Studio環境準備

在開始前，需要準備好LiteOS Studio環境，包含LiteOS Studio安裝、新建工程、編譯、燒錄，掌握LiteOS Studio如何調測等等，可以參考官網文件站點https://liteos.gitee.io/liteos_studio/#/project_stm32。

另外，執行單步調測，預設停止在main()函式。LiteOS作業系統的啟動是從main函式開始的。而ARM Cortex-M晶片從上電到執行main函式，中間經過了Reset_Handler等函式。LiteOS系統重啟、復位等都是從Reset_Handler函式開始執行的。在LiteOS Studio工程找到檔案.vscode\launch.json，把其中的postLaunchCommands屬性下面的"b main"改為"b Reset_Handler"。如下圖：

重新開始調測，系統會暫停在Reset_Handler函式處。如下圖：

los_startup_gcc.S啟動引導檔案介紹

當對STM32F769IDISCOVERY開發板進行上電操作或者復位操作時，該開發板會從異常向量表中獲取Reset_Handler函式的地址並執行該函式。彙編檔案targets\STM32F769IDISCOVERY\los_startup_gcc.S定義了該函式。

los_startup_gcc.S是啟動引導檔案，從Reset_Handler開始到執行main函式，主要工作就是準備C程式碼的執行環境，具體包括：

  • 設定棧指標SP，對應語句 ldr sp, =_estack
  • 初始化中斷向量，對應函式LoopCopyVectorInit
  • 初始化data段，對應函式LoopCopyDataInit
  • 初始化bss段，對應函式LoopFillZerobss
  • 初始化系統時鐘，跳轉到函式SystemInit
  • 跳轉到 C 程式碼函式main

程式碼如下：

Reset_Handler:
  cpsid i
  ldr   sp, =_estack      /* set stack pointer */

/* Copy the vector_ram segment initializers from flash to SRAM */
  movs  r1, #0
  b  LoopCopyVectorInit

CopyVectorInit:
  ldr   r3, =_si_liteos_vector_data
  ldr   r3, [r3, r1]
  str   r3, [r0, r1]
  adds   r1, r1, #4

LoopCopyVectorInit:
  ldr   r0, =_s_liteos_vector
  ldr   r3, =_e_liteos_vector
  adds   r2, r0, r1
  cmp   r2, r3
  bcc   CopyVectorInit

/* Copy the data segment initializers from flash to SRAM */
  movs  r1, #0
  b  LoopCopyDataInit

CopyDataInit:
  ldr  r3, =_sidata
  ldr  r3, [r3, r1]
  str  r3, [r0, r1]
  adds  r1, r1, #4

LoopCopyDataInit:
  ldr  r0, =_sdata
  ldr  r3, =_edata
  adds  r2, r0, r1
  cmp  r2, r3
  bcc  CopyDataInit
  ldr  r2, =_sbss
  b  LoopFillZerobss
/* Zero fill the bss segment. */
FillZerobss:
  movs  r3, #0
  str  r3, [r2], #4

LoopFillZerobss:
  ldr  r3, = _ebss
  cmp  r2, r3
  bcc  FillZerobss

/* Call the clock system initialization function.*/
  bl  SystemInit
/* Call static constructors */
/*    bl __libc_init_array */
/* Call the application's entry point.*/
  bl  main
  bx  lr

Data段存放的是已經初始化的全域性變數，需要從Flash中獲取這些資料到RAM中。而bss段存放的是沒有初始化的全域性變數，因此Flash中並沒有bss段的變數值，所以啟動引導檔案只是對RAM中的.bss段進行清零操作。

los_startup_gcc.S啟動引導檔案中使用的_estack 、_si_liteos_vector_data、_s_liteos_vector、_e_liteos_vector、_sidata、_sdata 、_edata、_sbss、_ebss，這些符號都定義在targets\STM32F769IDISCOVERY\liteos.ld連結指令碼中。

連結指令碼根據應用需要，設定堆疊大小和棧地址，並控制每個段的存放位置。對於中斷向量和data段，既要放到Flash中，也需要放到RAM中，並通過連結指令碼的AT關鍵字把Flash的地址設定為load地址。

注：連結指令碼中的相關程式碼可以訪問https://gitee.com/LiteOS/LiteOS/blob/master/targets/STM32F769IDISCOVERY/liteos.ld檢視。

los_startup_gcc.S啟動引導檔案中除了定義Reset_Handler函式，還定義了其他中斷異常處理函式Default_Handler，併為Default_Handler的每個異常處理程式提供弱別名。所謂弱別名，即具有相同名稱的任何函式都將覆蓋此處的函式。這樣做可以防止使用者使能了中斷卻沒有設定中斷處理程式時造成的崩潰。Default_Handler函式只是進入一個無限迴圈以保留系統狀態供偵錯程式檢查。

los_startup_gcc.S啟動引導檔案動態執行

現在我們來單步調測執行los_startup_gcc.S，啟動調測後，系統會暫停在Reset_Handler函式的第一行程式碼cpsid i，此語句用來關中斷，執行前後，觀察暫存器primask值的變化，會發現由0變為1。繼續執行語句" ldr sp, =_estack",同樣觀察暫存器，暫存器sp的值變化了。如下圖：

繼續執行單步調測，觀察如何呼叫LoopCopyVectorInit和CopyVectorInit，實現把中斷向量從Flash複製到RAM的。在調測過程中，暫存器的數值可能是10進位制進行展示的，如果想檢視其他進位制展示的數值，可以在調測介面的監視器視窗輸入$暫存器名稱+進位制程式碼來切換進位制檢視，如$r0,x來檢視r0暫存器的16進位制。詳細的進位制程式碼如下：

進位制切換如圖所示：

由於迴圈次數較多，如果想跨過中斷向量的複製，繼續下面的程式碼，可以設定斷點，然後F5繼續調測到斷點處。如下圖，我們在118行設定了斷點，繼續執行會完成向量表的複製，去執行資料段data的初始化。

以此類推，通過Studio邊調測、邊分析啟動過程的後續程式碼。當執行到語句“bl main”，再按F11跳入繼續執行時，就會跳轉到C程式碼的main函式。下文繼續分析main函式。

main函式介紹

LiteOS的main函式定義在targets\STM32F769IDISCOVERY\Src\main.c。main函式主要負責LiteOS的初始化工作。程式碼如下：

INT32 main(VOID)
{
    HardwareInit();

    PRINT_RELEASE("\n********Hello Huawei LiteOS********\n"
                  "\nLiteOS Kernel Version : %s\n"
                  "build data : %s %s\n\n"
                  "**********************************\n",
                  HW_LITEOS_KERNEL_VERSION_STRING, __DATE__, __TIME__);

    UINT32 ret = OsMain();
    if (ret != LOS_OK) {
        return LOS_NOK;
    }

    OsStart();

    return 0;
}

硬體初始化函式HardwareInit()和主要晶片相關，這裡不做詳細介紹。下面介紹LiteOS核心的初始化，程式碼如下：

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsMain(VOID)
{
    UINT32 ret;

#ifdef LOSCFG_EXC_INTERACTION
    ret = OsMemExcInteractionInit((UINTPTR)&__bss_end);
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }
#endif
    /* 初始化動態記憶體池 */
    ret = OsMemSystemInit((UINTPTR)&__bss_end + g_excInteractMemSize);
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }
    /*
     * 配置最大支援的任務個數、訊號量個數、互斥鎖個數、
     * 佇列個數以及軟體定時器個數，設定g_sysClock和
     * g_tickPerSecond全域性變數
     */
    OsRegister();

#ifdef LOSCFG_SHELL_LK
    OsLkLoggerInit(NULL);
#endif

#ifdef LOSCFG_SHELL_DMESG
    ret = OsDmesgInit();
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }
#endif
/*
 * 初始化硬中斷，此後LiteOS就會接管系統的中斷，
 * 使用中斷前需要先註冊中斷並使能
 */
    OsHwiInit();
    /*
     * 設定中斷向量的中斷處理函式，包括
     * Hard Fault硬體故障中斷、
     * Non Maskable Interrupt不可遮蔽中斷（NMI）、
     * Memory Management記憶體管理中斷、
     * Bus Fault 匯流排故障中斷、
     * Usage Fault使用故障中斷、
     * SVCall利用SVC指令呼叫系統服務的中斷
     */
    ArchExcInit();

    ret = OsTickInit(GET_SYS_CLOCK(), LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND);
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }

#ifdef LOSCFG_PLATFORM_UART_WITHOUT_VFS
    uart_init();
#ifdef LOSCFG_SHELL
    extern int uart_hwiCreate(void); /* HuaWeiChange */
    uart_hwiCreate();
#endif /* LOSCFG_SHELL */
#endif /* LOSCFG_PLATFORM_UART_WITHOUT_VFS */
    /*
     * 初始化任務連結串列包括任務的排序連結串列，
     * 初始化優先順序訊息佇列連結串列（用於管理不同優先順序任務）
     */
    ret = OsTaskInit();
    if (ret != LOS_OK) {
        PRINT_ERR("OsTaskInit error\n");
        return ret;
    }

#ifdef LOSCFG_KERNEL_TRACE
    ret = LOS_TraceInit(NULL, LOS_TRACE_BUFFER_SIZE);
    if (ret != LOS_OK) {
        PRINT_ERR("LOS_TraceInit error\n");
        return ret;
    }
#endif
/*
 * 初始化任務監視器
 */
#ifdef LOSCFG_BASE_CORE_TSK_MONITOR
    OsTaskMonInit();
#endif
/*
 * OsIpcInit包括初始化訊息佇列連結串列、互斥鎖鏈表和訊號量連結串列
 */
    ret = OsIpcInit();
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }

    /*
     * CPUP should be inited before first task creation which depends on the semaphore
     * when LOSCFG_KERNEL_SMP_TASK_SYNC is enabled. So don't change this init sequence
     * if not necessary. The sequence should be like this:
     * 1. OsIpcInit
     * 2. OsCpupInit -> has first task creation
     * 3. other inits have task creation
     */
#ifdef LOSCFG_KERNEL_CPUP
    ret = OsCpupInit();
    if (ret != LOS_OK) {
        PRINT_ERR("OsCpupInit error\n");
        return ret;
    }
#endif
/*
 * OsSwtmrInit對軟體定時器和其在percpu上的排序連結串列進行初始化，
 * 並初始化定期器處理函式的記憶體池，同時還會建立軟體定時器
 * 的訊息佇列和定時器任務
 */
#ifdef LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR
    ret = OsSwtmrInit();
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }
#endif

#ifdef LOSCFG_KERNEL_SMP
    (VOID)OsMpInit();
#endif

#ifdef LOSCFG_KERNEL_DYNLOAD
    ret = OsDynloadInit();
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }
#endif

#if defined(LOSCFG_HW_RANDOM_ENABLE) || defined (LOSCFG_DRIVERS_RANDOM)
    random_alg_context.ra_init_alg(NULL);
    run_harvester_iterate(NULL);
#endif
/* 建立空閒任務 */
    ret = OsIdleTaskCreate();
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }

#ifdef LOSCFG_KERNEL_RUNSTOP
    ret = OsWowWriteFlashTaskCreate();
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }
#endif

#ifdef LOSCFG_DRIVERS_BASE
    ret = OsDriverBaseInit();
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }
#ifdef LOSCFG_COMPAT_LINUX
    (VOID)do_initCalls(LEVEL_ARCH);
#endif
#endif

#ifdef LOSCFG_KERNEL_PERF
    ret = LOS_PerfInit(NULL, LOS_PERF_BUFFER_SIZE);
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }
#endif
/*
 * LOSCFG_PLATFORM_OSAPPINIT巨集預設已經在.config、menuconfig.h中定義。
 * OsAppInit建立了一個名為“app_Task”的任務，該任務處理函式為
 * app_init，任務優先順序為10；
 * OsTestInit建立了一個名為“IT_TST_IN”的任務，該任務處理函式為
 * TestTaskEntry，任務優先順序為25。該函式暫時沒有開源。
 */
#ifdef LOSCFG_PLATFORM_OSAPPINIT
    ret = osAppInit();
#else /* LOSCFG_TEST */
    ret = OsTestInit();
#endif
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }

    return LOS_OK;
}

完成核心的初始化後，呼叫OsStart()開始任務排程，自此LiteOS開始正常工作。OsStart函式的程式碼如下：

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT VOID OsStart(VOID)
{
    LosTaskCB *taskCB = NULL;
 /* 獲取當前執行任務的CPU ID，STM32F769是單核晶片，cpuid為0 */
    UINT32 cpuid = ArchCurrCpuid();
    /*
     * 配置Tick中斷向量，其中斷處理函式為OsTickHandler。
     * 初始化System Tick Timer及其中斷，並啟動此Timer。
     * 計數器會產生週期性中斷
     */ 
    OsTickStart();

    LOS_SpinLock(&g_taskSpin);
    /* 獲取最高優先順序任務佇列中的第一個任務，賦給taskCB */
    taskCB = OsGetTopTask();

#ifdef LOSCFG_KERNEL_SMP
    /*
     * attention: current cpu needs to be set, in case first task deletion
     * may fail because this flag mismatch with the real current cpu.
     */
    taskCB->currCpu = (UINT16)cpuid;
#endif
    /* 設定32位的排程flag，第CPU ID位設定為1 */
    OS_SCHEDULER_SET(cpuid);

    PRINTK("cpu %u entering scheduler\n", cpuid);
    /*
     * 排程g_runTask即taskCB任務，OsStartToRun函式
     * 定義在los_dispatch.S彙編檔案中
     */
    OsStartToRun(taskCB);
}

main函式動態執行

現在我們來單步調測執行main.c原始碼，LiteOS Studio在調測時，可以同步展示當前執行的原始碼行，及對應的反彙編檔案行，如下圖：

在調測過程中，變數的數值可能是10進位制進行展示的，如果想檢視其他進位制展示的數值，可以在調測介面的監視器視窗輸入變數名稱名稱+進位制程式碼來切換進位制檢視，如memStart,x來檢視變數memStart的16進位制。如圖：

本期分享使用LiteOS Studio檢視LiteOS啟動過程，同時展示了使用LiteOS Studio調測的技巧，大家可以繼續邊調測、邊分析後續的程式碼，會看到LiteOS整個啟動流程：從板子復位上電開始，調用匯編程式碼Reset_Handler進入啟動引導檔案，完成C程式碼執行環境的準備工作、最後跳轉到main函式。在main函式中完成硬體初始化和LiteOS核心的初始化，並通過彙編跳轉到執行第一個最高優先順序的任務命令的地址上，從而開始LiteOS的執行。

歡迎大家分享使用LiteOS Studio調測LiteOS的心得，有任何問題、建議，都可以在開源LiteOS社群(https://gitee.com/liteos)留言，謝謝！

本文分享自華為雲社群《使用LiteOS Studio圖形化檢視LiteOS在STM32上執行的奧祕》，原文作者：zhushy 。

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