嵌入式2---在單片機(jī)里實(shí)現(xiàn)module_init機(jī)制

很多朋友在寫單片機(jī)程序時(shí)，常會遇到這樣的問題：所有模塊的初始化函數(shù)（比如LED初始化、串口初始化、傳感器初始化），都要手動(dòng)在main函數(shù)里一一調(diào)用，不僅代碼混亂、維護(hù)麻煩，而且新增或刪除模塊時(shí)，還要修改main函數(shù)，違背了“高內(nèi)聚、低耦合”的原則。

其實(shí)在Linux系統(tǒng)中，module_init機(jī)制的核心思想也是一樣的，Linux內(nèi)核本身就是高度模塊化的設(shè)計(jì)——驅(qū)動(dòng)開發(fā)者只需通過module_init宏注冊驅(qū)動(dòng)初始化函數(shù)，無需修改內(nèi)核核心代碼，內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)會自動(dòng)遍歷所有注冊的初始化函數(shù)，完成驅(qū)動(dòng)加載；當(dāng)模塊卸載時(shí)，通過module_exit宏注冊的退出函數(shù)會被自動(dòng)調(diào)用，這也是Linux驅(qū)動(dòng)“熱插拔”特性的基礎(chǔ)之一。

module_init機(jī)制，簡單說就是「自動(dòng)注冊、統(tǒng)一初始化」—— 每個(gè)模塊的初始化函數(shù)，通過宏定義“注冊”到系統(tǒng)中，程序啟動(dòng)后，自動(dòng)遍歷所有注冊的初始化函數(shù)并執(zhí)行。

可能有朋友會說：“單片機(jī)沒有操作系統(tǒng)（比如Linux）里的module_init宏，怎么實(shí)現(xiàn)？” 其實(shí)原理很簡單，核心就是利用「編譯器特性」和「函數(shù)指針數(shù)組」，手動(dòng)模擬出這一機(jī)制。今天就以STM32為例來介紹如何實(shí)現(xiàn)這一功能；

我們先分析一下linux 中module_init宏

定位到Linux內(nèi)核源碼中的include/linux/init.h，可以看到有如下代碼：

#ifndef MODULE// 省略#definemodule_init(x) __initcall(x);// 省略#else
#definemodule_init(initfn)  intinit_module(void) __attribute__((alias(#initfn)));// 省略#endif

第一種情況：靜態(tài)編譯（#ifndefMODULE）。當(dāng)MODULE未定義時(shí)，module_init(x)被宏定義為__initcall(x)。__initcall是Linux內(nèi)核中用于標(biāo)記靜態(tài)初始化函數(shù)的宏，被該宏標(biāo)記的函數(shù)會被放入內(nèi)核的.initcall段中。其核心源碼同樣位于include/linux/init.h中，相關(guān)定義如下（只粘貼了相關(guān)的內(nèi)容）：

//...typedefint(*initcall_t)(void);//...#define__initcall(fn) device_initcall(fn)//...#definedevice_initcall(fn)   __define_initcall(fn, 6)//...#define__initcall(fn)  staticinitcall_t __initcall_##fn __used   __attribute__((__section__(".initcall.init"), __cold__)) = fn;//...#definedevice_initcall(fn)   __define_initcall(fn, 6)// ...#define__define_initcall(fn, id)  staticinitcall_t __initcall_##fn##id __used   __attribute__((__section__(".initcall"#id ".init"), __cold__)) = fn;

源碼解析：__initcall宏的核心作用，是通過編譯器__attribute__((__section__))指令，將初始化函數(shù)fn放入內(nèi)核的.initcall相關(guān)段中（不同優(yōu)先級對應(yīng)不同子段）。其中__used屬性確保函數(shù)不被編譯器優(yōu)化刪除，__cold__屬性標(biāo)記該函數(shù)為冷函數(shù)（僅啟動(dòng)時(shí)調(diào)用，優(yōu)化編譯）。被該宏標(biāo)記的函數(shù)，會被內(nèi)核啟動(dòng)流程自動(dòng)遍歷執(zhí)行，從而完成靜態(tài)模塊的初始化。這種方式下，模塊會被直接編譯到內(nèi)核鏡像中，內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)就完成初始化，無法動(dòng)態(tài)卸載。

而內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)，正是通過do_initcalls函數(shù)來遍歷并執(zhí)行所有注冊的靜態(tài)初始化函數(shù)，該函數(shù)源碼位于內(nèi)核init/main.c中，核心實(shí)現(xiàn)如下：

staticvoid__initdo_initcalls(void){ intlevel;
 for(level =0; level < ARRAY_SIZE(initcall_levels) -?1; level++)    do_initcall_level(level);}

函數(shù)解析：do_initcalls函數(shù)是靜態(tài)初始化的“總?cè)肟凇?，其核心邏輯是?/span>優(yōu)先級順序遍歷所有初始化層級。其中：

• initcall_levels是一個(gè)數(shù)組，存儲了前文提到的不同優(yōu)先級.initcall段（如.initcall0.init、.initcall1.init等）的起始地址，對應(yīng)pure_initcall、core_initcall等不同優(yōu)先級的初始化宏。

• ARRAY_SIZE(initcall_levels) - 1用于獲取優(yōu)先級層級總數(shù)，避免越界。

• do_initcall_level(level)是底層執(zhí)行函數(shù)，其核心實(shí)現(xiàn)（簡化版，貼合內(nèi)核源碼邏輯）如下，傳入優(yōu)先級level后，會遍歷該優(yōu)先級下所有注冊的初始化函數(shù)并依次調(diào)用，確保高優(yōu)先級的初始化函數(shù)（如內(nèi)核核心模塊）先執(zhí)行，低優(yōu)先級函數(shù)（如設(shè)備驅(qū)動(dòng)）后執(zhí)行：

staticvoid__initdo_initcall_level(intlevel){ // 省略：參數(shù)校驗(yàn)、打印調(diào)試信息等冗余代碼  initcall_t *fn;// 定義函數(shù)指針，用于遍歷當(dāng)前優(yōu)先級的初始化函數(shù)
 // 遍歷當(dāng)前優(yōu)先級level對應(yīng)的.initcall段：從當(dāng)前層級起始地址，到下一層級起始地址 for(fn = initcall_levels[level]; fn < initcall_levels[level+1]; fn++)    do_one_initcall(*fn);// 調(diào)用單個(gè)初始化函數(shù)，完成該函數(shù)的執(zhí)行}

函數(shù)解析：do_initcall_level是do_initcalls函數(shù)的底層執(zhí)行載體，專門負(fù)責(zé)處理單個(gè)優(yōu)先級層級的初始化，核心邏輯拆解如下：

• initcall_t *fn：定義與前文一致的初始化函數(shù)指針，用于遍歷當(dāng)前優(yōu)先級下的所有初始化函數(shù)。

• initcall_levels[level]：獲取當(dāng)前優(yōu)先級level對應(yīng)的.initcall段起始地址（比如level=1對應(yīng).core_initcall宏注冊的函數(shù)所在段起始）；initcall_levels[level+1]則是下一個(gè)優(yōu)先級層級的起始地址，兩者構(gòu)成當(dāng)前優(yōu)先級的地址范圍，確保只遍歷當(dāng)前層級的函數(shù)，不跨層級執(zhí)行。

• do_one_initcall(*fn)：真正執(zhí)行單個(gè)初始化函數(shù)的接口，傳入當(dāng)前遍歷到的函數(shù)指針（*fn即具體的初始化函數(shù)），完成該模塊的初始化；該函數(shù)內(nèi)部會做函數(shù)合法性校驗(yàn)、執(zhí)行狀態(tài)判斷等，確保初始化過程穩(wěn)定。

do_initcalls函數(shù)的層級遍歷，高優(yōu)先級先執(zhí)行，滿足內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)“先核心、后外設(shè)”的初始化邏輯。

第二種情況：動(dòng)態(tài)加載（#else分支）。當(dāng)MODULE被定義時(shí)，module_init(initfn)會通過__attribute__((alias(#initfn)))定義一個(gè)別名函數(shù)init_module，該別名指向我們自己編寫的初始化函數(shù)initfn。此時(shí)模塊會被編譯為.ko（內(nèi)核模塊）文件，后續(xù)可通過insmod命令動(dòng)態(tài)加載到內(nèi)核中——內(nèi)核加載模塊時(shí)，會自動(dòng)調(diào)用init_module函數(shù)（即我們的初始化函數(shù)）；卸載模塊時(shí)，通過rmmod命令調(diào)用module_exit注冊的退出函數(shù)，實(shí)現(xiàn)模塊的熱插拔，這也是Linux驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)開發(fā)的核心方式。

1.機(jī)制原理

module_init機(jī)制的核心，本質(zhì)是把所有模塊的初始化函數(shù)地址，存到一個(gè)數(shù)組里，程序啟動(dòng)后，循環(huán)調(diào)用這個(gè)數(shù)組里的所有函數(shù)。

用到兩個(gè)關(guān)鍵知識點(diǎn)

1. 函數(shù)指針：可以理解為“存放函數(shù)地址的變量”，通過函數(shù)指針，我們可以間接調(diào)用函數(shù)（比如void (*init_func)(void); 就是一個(gè)指向“無參數(shù)、無返回值”初始化函數(shù)的指針）。

2. 編譯器section特性：我們可以通過編譯器指令，將所有注冊的初始化函數(shù)指針，集中存放在指定的內(nèi)存區(qū)域（section），后續(xù)只需找到這個(gè)區(qū)域的起始和結(jié)束地址，就能遍歷所有函數(shù)。

流程：模塊注冊 → 函數(shù)指針存入指定section → 程序啟動(dòng) → 遍歷section中的函數(shù)指針 → 依次調(diào)用（完成所有模塊初始化）。

下面我們講實(shí)現(xiàn)方式：

我使用的是keil

我把我的代碼貼出來

.h文件

typedefint(*initcall_t)(void);#define__init__attribute__((unused))#definemodule_init(fn) constinitcall_t __initcall_##fn __attribute__((section(".__initcall.0.b"), used)) = fn

staticconstinitcall_t__initcall_sentinel_start  __attribute__((used,section(".__initcall.0.a"))) =0;
staticconstinitcall_t__initcall_sentinel_end  __attribute__((used,section(".__initcall.0.c"))) =0;

voidmodule_init_call(void){
constinitcall_t*call_start = &__initcall_sentinel_start; constinitcall_t*call_end = &__initcall_sentinel_end;while(call_start < call_end){if(*call_start)(*call_start)();call_start++;}}

在初始化函數(shù)下面添加 module_init宏如：

int test_init(void){return0;}module_init(test_init);

編譯之后我們在.map文件里可以看到

初始化函數(shù)被放在的相應(yīng)的區(qū)域里面

module_init_call函數(shù)放在了Reset_Handler，每次上電啟動(dòng)的時(shí)候就會調(diào)用

Reset_Handler  PROC        EXPORT Reset_Handler      [WEAK]   IMPORT SystemInit   IMPORT __mainIMPORT module_init_call        LDR  R0, =0xE000ED88  ; 使能浮點(diǎn)運(yùn)算 CP10,CP11        LDR  R1,[R0]        ORR  R1,R1,#(0xF <20)        STR  R1,[R0]        LDR  R0, =SystemInit        BLX  R0LDR  R0, =module_init_call        BLX  R0        LDR  R0, =__main        BX   R0        ENDP

https://zhuanlan.zhihu.com/p/615272622