这里以ep9315平台为例，分析ecos3.0的启动过程。ecos的配置情况为启用了posix兼容，应用程序从main开始。这里就分析从系统启动后，到执行main之前，系统做了哪些工作。
一、关于C++构造函数的自动执行
众所周知，arm9平台上电后ecos将运行一段汇编代码，这段汇编代码将要对cpu做一些基本的初始化，完成后跳转到c程序中执行。CPU初始化不是我们今天要关注的重点，今天关注的重点是关于C++构造函数的“自动”执行。
进入自动执行代码的入口在hal/arm/arch/v3_0/src/vectors.S文件中，有下面一行：
| bl cyg_hal_invoke_constructors
|
这里的cyg_hal_invoke_constructors就是执行的C++的构造函数。这个函数的具体位置在 hal/arm/arch/v3_0/src/hal_misc.c文件中，全部定义如下：
| void
cyg_hal_invoke_constructors (void)
{
#ifdef CYGSEM_HAL_STOP_CONSTRUCTORS_ON_FLAG
static pfunc *p = &CONSTRUCTORS_START;
cyg_hal_stop_constructors = 0;
for (; p != CONSTRUCTORS_END; NEXT_CONSTRUCTOR(p)) {
(*p)();
if (cyg_hal_stop_constructors) {
NEXT_CONSTRUCTOR(p);
break;
}
}
#else
pfunc *p;
for (p = &CONSTRUCTORS_START; p != CONSTRUCTORS_END; NEXT_CONSTRUCTOR(p))
(*p)();
#endif
}
|
可以发现，这个函数实际上就是执行了一个函数数组。来看看这几个宏的定义，位于同一个文件中：
| extern pfunc __init_array_start__[];
extern pfunc __init_array_end__[];
#define CONSTRUCTORS_START (__init_array_start__[0])
#define CONSTRUCTORS_END (__init_array_end__)
#define NEXT_CONSTRUCTOR(c) ((c)++)
|
而这个__init_array_start__[]和__init_array_end__[]是什么？看看链接文件中的定义，链接文件是hal/arm/arch/v3_0/src/arm.ld，有如下定义：
| #define SECTION_data(_region_, _vma_, _lma_) \
.data _vma_ : _lma_ \
{ __ram_data_start = ABSOLUTE (.); \
*(.data*) *(.data1) *(.gnu.linkonce.d.*) MERGE_IN_RODATA \
. = ALIGN (4); \
KEEP(*( SORT (.ecos.table.*))) ; \
. = ALIGN (4); \
__init_array_start__ = ABSOLUTE (.); KEEP (*(SORT (.init_array.*))) \
KEEP (*(SORT (.init_array))) __init_array_end__ = ABSOLUTE (.); \
*(.dynamic) *(.sdata*) *(.gnu.linkonce.s.*) \
. = ALIGN (4); *(.2ram.*) } \
> _region_ \
__rom_data_start = LOADADDR (.data); \
__ram_data_end = .; PROVIDE (__ram_data_end = .); _edata = .; PROVIDE (edata = .); \
PROVIDE (__rom_data_end = LOADADDR (.data) + SIZEOF(.data));
|
可以发现，__init_array_start__[]和__init_array_end__[]实际上是和.init_array相关的段。在编译好的ELF文件中，我没有发现有.init_array段，倒是在arm的官方文档《C++ ABI for the ARM architecture》上查到一些相关的解释：
| The compiler is responsible for sequencing the construction of top-level static objects defined in a translation unit in accordance with the requirements of the C++ standard.The run-time environment (helper-function library) sequences the initialization of one translation unit after another. The global constructor vector provides the interface between these agents as follows.
Each translation unit provides a fragment of the constructor vector in an ELF section called .init_array of type SHT_INIT_ARRAY (=0xE) and section flags SHF_ALLOC + SHF_WRITE.
|
意思是说，编译器会把源文件中定义的静态类的构造函数添加到ELF文件中的名叫.init_array的段中。那就好理解了，即.init_array段中包含的就是源文件中定义的静态类的构造函数，这些构造函数是一个函数数组，因此，上面的cyg_hal_invoke_constructors 函数就是执行了各个源文件中定义的静态类的构造函数，使C++的构造函数得以“自动”执行。
二、关于cyg_start
汇编代码执行到最后，将会跳入第一个C函数，cyg_start。这个函数位于infra/v3_0/src/startup.cxx文件中：
| void
cyg_start( void )
{
CYG_REPORT_FUNCTION();
CYG_REPORT_FUNCARGVOID();
cyg_prestart();
cyg_package_start();
cyg_user_start();
#ifdef CYGPKG_KERNEL
Cyg_Scheduler::start();
#endif
CYG_REPORT_RETURN();
}
|
他的重要工作有两个：一是调用cyg_user_start，二是调用了调度器的start函数，开始线程的调度。
从网上的其他文档我们知道，启动应用程序的方式有两种，一个是通过main函数，另外一种就是通过cyg_user_start。我们使用的是main函数的方式，如果使用cyg_user_start来启动我们的应用程序的话，必须注意我们的cyg_user_start不能是一个死循环的函数，因为若cyg_user_start不退出，则调度器的start永远得不到运行，调度器就不能工作，多线程当然就没法实现了。
我们使用main函数的时候，这个cyg_user_start就是用内核中自己定义的一个，是一个空函数。因此，若使用main，那么这个cyg_start函数在启动了调度器后就结束了，那么我们的main函数是如何得以执行的？
三、关于posix兼容层
关于posix，使用官方的说法就是：
| For UNIX systems, a standardized C language threads programming interface has been
specified by the IEEE POSIX 1003.1c standard. Implementations that adhere to this standard are referred to as POSIX threads, or Pthreads.
|
我添加这个兼容层的目的是因为项目中使用了minigui，而minigui库中使用了这个接口。
添加这个兼容层，导致main函数的启动与不添加时有一定的差异。这里先提出来，以便于下面的继续分析。
四、main函数的启动
在第二节中我们提到，系统起来后调用cyg_start，但是这个cyg_start并没有直接调用我们的main函数。那么我们的main函数是怎样执行的呢？
前面我们还提到，在进入cyg_start函数以前，系统首先执行了各个静态类的构造函数，那么这些构造函数有哪些呢？我们重点关注和线程相关的构造函数。首先大家都知道，多线程的系统中，总有一个idle线程，当其他线程都不需要执行的时候，系统就运行这个idle线程。在源文件kernel/v3_0/src/common/thread.cxx中，定义了一个idle线程：
| Cyg_IdleThread idle_thread[CYGNUM_KERNEL_CPU_MAX] CYG_INIT_PRIORITY( IDLE_THREAD );
|
再看看Cyg_IdleThread的构造函数：
| Cyg_IdleThread::Cyg_IdleThread()
: Cyg_Thread( CYG_THREAD_MIN_PRIORITY,
idle_thread_main,
0,
(char *)"Idle Thread",
(CYG_ADDRESS)idle_thread_stack[this-&idle_thread[0]],
CYGNUM_KERNEL_THREADS_IDLE_STACK_SIZE)
{
CYG_REPORT_FUNCTION();
// Call into scheduler to set up this thread as the default
// current thread for its CPU.
Cyg_Scheduler::scheduler.set_idle_thread( this, this-&idle_thread[0] );
CYG_REPORT_RETURN();
}
|
这个类是继承至Cyg_Thread类，因此这个构造函数同时初始化了一个Cyg_Thread类，使用的优先级为CYG_THREAD_MIN_PRIORITY，即系统的最低优先级（被定义为31）。在没有比它高优先级的任务运行时，就运行这个线程。那么这里若只有一个线程，在调度器起来以后（cyg_start中启动了调度器），就只有这一个idle线程可以调度了，我们的main函数还是没有执行，因此应该还有其他地方启动了我们的main函数。
第三节中提到了posix兼容层，在文件compat/posix/v3_0/src/startup.cxx中，有：
| class cyg_posix_startup_dummy_constructor_class {
public:
cyg_posix_startup_dummy_constructor_class() {
#ifdef CYGPKG_POSIX_PTHREAD
cyg_posix_pthread_start();
#endif
#ifdef CYGPKG_POSIX_SIGNALS
cyg_posix_signal_start();
cyg_posix_exception_start();
#endif
#ifdef CYGPKG_POSIX_TIMERS
cyg_posix_clock_start();
#endif
}
};
static cyg_posix_startup_dummy_constructor_class cyg_posix_startup_obj CYGBLD_ATTRIB_INIT_PRI(CYG_INIT_COMPAT);
|
即定义了一个cyg_posix_startup_dummy_constructor_class类，并定义了这个类的一个实例cyg_posix_startup_obj。从第一节我们知道这个实例的构造函数在进入cyg_start之前就执行了。而他的构造函数中执行了cyg_posix_pthread_start函数，我们看看这个函数的实现，位于compat/posix/v3_0/src/pthread.cxx中：
| externC void cyg_posix_pthread_start( void )
{
// Initialize the per-thread data key map.
for( cyg_ucount32 i = 0; i < (PTHREAD_KEYS_MAX/KEY_MAP_TYPE_SIZE); i++ )
{
thread_key[i] = ~0;
}
// Create the main thread
pthread_attr_t attr;
struct sched_param schedparam;
schedparam.sched_priority = CYGNUM_POSIX_MAIN_DEFAULT_PRIORITY;
pthread_attr_init( &attr );
pthread_attr_setinheritsched( &attr, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED );
pthread_attr_setstackaddr( &attr, &main_stack[sizeof(main_stack)] );
pthread_attr_setstacksize( &attr, sizeof(main_stack) );
pthread_attr_setschedpolicy( &attr, SCHED_RR );
pthread_attr_setschedparam( &attr, &schedparam );
pthread_create( &main_thread, &attr, call_main, NULL );
}
|
这个函数的末尾，调用pthread_create创建了一个线程，这个线程的入口函数是call_main，因此我们看看call_main的实现，位于同一个文件中：
| externC void cyg_libc_invoke_main( void );
static void *call_main( void * )
{
cyg_libc_invoke_main();
return NULL; // placate compiler
}
|
他实际上就是调用了cyg_libc_invoke_main函数。从函数名字我们就知道这个函数和libc相关。它位于language/c/libc/startup/v3_0/src/invokemain.cxx中，只有包含了C库时，才会编译这个文件，因此要从main启动程序，必须包含c库。这个函数定义如下：
| externC void
cyg_libc_invoke_main( CYG_ADDRWORD )
{
CYG_REPORT_FUNCNAME( "cyg_libc_invoke_main" );
CYG_REPORT_FUNCARG1( "argument is %s", "ignored" );
#ifdef CYGSEM_LIBC_INVOKE_DEFAULT_STATIC_CONSTRUCTORS
// finish invoking constructors that weren't called by default
cyg_hal_invoke_constructors();
#endif
// argv[argc] must be NULL according to the ISO C standard 5.1.2.2.1
char *temp_argv[] = CYGDAT_LIBC_ARGUMENTS ;
int rc;
rc = main( (sizeof(temp_argv)/sizeof(char *)) - 1, &temp_argv[0] );
CYG_TRACE1( true, "main() has returned with code %d. Calling exit()",
rc );
#ifdef CYGINT_ISO_PTHREAD_IMPL
// It is up to pthread_exit() to call exit() if needed
pthread_exit( (void *)rc );
CYG_FAIL( "pthread_exit() returned!!!" );
#else
exit(rc);
CYG_FAIL( "exit() returned!!!" );
#endif
CYG_REPORT_RETURN();
}
|
可以看到这个函数的关键代码就是引入了我们定义的main函数。到这里，我们的应用程序就得以执行了。
从本节的分析我们知道，系统起来后创建了两个线程：一个线程是idle线程，在没有其他任务运行的时候运行这个idle线程；另外一个线程就是我们的main函数的线程，这个线程用来启动我们的应用程序。当然，在main函数起来以后，我们可以任意启动其他线程。
这是本人第一次分析一个os，错误之处在所难免，欢迎大家讨论！
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2010-9-29