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第4章 瑞萨 MCU 源码设计规范

本章目标

• 了解 FSP 源码结构和设计规范
• 理解模块设计思路与调用方法

4.1 总体框架

4.1.1 源码层次与目录

瑞萨给开发者提供了“灵活配置软件包”（FSP，Flexible Software Package），从底往上提供了多层次的软件，如下图所示：

从下往上可以分为这几层：

1. 板级支持包（BSP，Board Support Package）：简单地说，从上电开始执行的第 1 条指令直到 main 函数，这个过程的代码就是 BSP 提供的。它的主要任务是确保 MCU 从复位状态切换为用户应用程序状态。在此过程中，它将设置时钟、中断、栈、堆及 C 语言运行环境。它还会配置端口的 I/O 引脚，并执行任何特定的电路板初始化。函数以"R_BSP_"开头，宏以"BSP_“开头，数据类型以”_bsp"开头。
2. 硬件抽象层驱动（HAL，Hardware Abstraction Layer Drivers）：简单地说，使用 BSP的代码可以让程序运行到 main 函数，但是在 main 函数里怎么去访问 GPIO、I2C、SPI 等设备，需要使用 HAL 的代码。HAL 就是对 MCU 寄存器操作的封装，通过 HAL 函数，编写程序时无需关注底层具体的硬件操作，而是把精力放在更上层的操作上，这样编写的代码也更容易移植到其他 MCU 上。函数名以"R_"开头。
3. 中间件(Middleware)：中间件层位于 HAL 层之上、用户应用程序之下，为应用程序提供功能栈和协议。比如想模拟一个 USB 串口时，HAL 层已经实现了 USB 的传输，而 USB 串口协议是在 USB 传输之上实现的一套机制，USB 串口协议是一套纯软件的协议，可以归为中间件。
4. 实时操作系统（RTOS，Real Time Operating System）：它仅仅依赖于底下的 BSP，提供多任务、同步互斥等功能。
5. 应用程序（Application）：在最上层，它可以使用 HAL 函数访问硬件，也可以使用中间件完成复杂的功能。

以第 1 个程序为例，工程目录如下：

1. BSP 源码：从文件名字可以知道功能为启动、系统、时钟/中断相关的操作

2. HAL 源码：这个程序只涉及 GPIO 的操作，所以只有 ioport 相关的 HAL 源码

3. BSP 的配置文件：这些文件是 FSP 的配置工具生成的，里面是 BSP 相关的参数

4. 用户数据：比如用户在 FSP 配置界面选择使用哪些 GPIO、哪些 SPI 控制器

5. 用户代码（Application）：可以在 hal_entry.c 里添加自己的代码

6. 链接脚本：使用 e2 studio 时，它是使用 GNU GCC 工具链来编译程序，需要链接脚本

4.1.2 调用过程示例

以工程“MyBlinkyProject”为例，在 hal_entry.c 中，操作 LED 的代码如下：

void hal_entry(void)
{/* TODO: add your own code here */extern bsp_leds_t g_bsp_leds;bsp_leds_t Leds = g_bsp_leds;while (1){g_ioport.p_api->pinWrite(&g_ioport.p_ctrl, Leds.p_leds[BSP_LED_LED1],         			BSP_IO_LEVEL_LOW);R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_SECONDS);g_ioport.p_api->pinWrite(&g_ioport.p_ctrl, Leds.p_leds[BSP_LED_LED1],        			BSP_IO_LEVEL_HIGH);R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_SECONDS);}
#if BSP_TZ_SECURE_BUILD/* Enter non-secure code */R_BSP_NonSecureEnter();
#endif
}

• 第9行的“g_ioport.p_api->pinWrite”就是调用r_ioport.c里的“R_IOPORT_PinWrite”函数，这是 Application 对 HAL 库函数的调用。

4.2 模块设计思想

使用 FSP 编写程序时有 4 个层次：Application 是用户编写的，Middleware 是第 3 方的代码，BSP 的代码量很少，所以 HAL 层是 FSP 的核心。HAL 层是各个模块的驱动程序，这些驱动程序被称为Module，一个Module向上提供接口供人调用，向下可能要用到其他Module，如下：

怎么使用一个 Module 提供的接口呢？以工程“MyBlinkyProject”为例，有以下 2 种方法调用 r_ioport.c 提供接口：

g_ioport.p_api->pinWrite(&g_ioport.p_ctrl, Leds.p_leds[BSP_LED_LED1], BSP_IO_LEVEL_LOW);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, Leds.p_leds[BSP_LED_LED1], BSP_IO_LEVEL_LOW);

它们有何不同？这就涉及 FSP 源码设计的理念：

1. 配置与接口分离
2. 接口与实例分离

4.2.1 配置与接口分离

以 GPIO 为例，如下图有 1 个 LED、1 个按键：

对于同一个 MCU，PIN1、PIN2 的操作是类似的，它们的接口函数可以只写一套。但是PIN1 需要被设置为输出功能，PIN2 需要被设置为输入功能并且使能它的内部上拉电阻。即：PIN1、PIN2 的接口函数可以是同一套，但是它们的配置是不一样的。

对于 ioport，使用 ioport_pin_cfg_t 结构体来描述一个引脚的配置：

typedef struct st_ioport_pin_cfg
{uint32_t pin_cfg; ///< Pin PFS configuration - Use ioport_cfg_options_t parametersto configurebsp_io_port_pin_t pin; ///< Pin identifier
} ioport_pin_cfg_t;

比如对于 PIN1，在 FSP 的配置工具里把它配置为输出；对于 PIN2，在 FSP 的配置工具里把它配置为输入、上拉，可以得到下面 2 项：

const ioport_pin_cfg_t g_bsp_pin_cfg_data[] ={
……
{ .pin = BSP_IO_PORT_00_PIN_05, .pin_cfg = ((uint32_t) IOPORT_CFG_IRQ_ENABLE| (uint32_t) IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_INPUT | (uint32_t) IOPORT_CFG_PULLUP_ENABLE) },
{ .pin = BSP_IO_PORT_00_PIN_06, .pin_cfg = ((uint32_t) IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT| (uint32_t) IOPORT_CFG_PORT_OUTPUT_LOW) },
……
};

使用硬件前，需要使用接口函数根据用户提供的配置信息来配置硬件。对于 ioport，使用 ioport_api_t 结构体来描述引脚的接口函数，在 r_ioport.c 里可以看到如下结构体：

/* IOPort Implementation of IOPort Driver */
const ioport_api_t g_ioport_on_ioport =
{.open = R_IOPORT_Open,.close = R_IOPORT_Close,.pinsCfg = R_IOPORT_PinsCfg,.pinCfg = R_IOPORT_PinCfg,.pinEventInputRead = R_IOPORT_PinEventInputRead,.pinEventOutputWrite = R_IOPORT_PinEventOutputWrite,.pinRead = R_IOPORT_PinRead,.pinWrite = R_IOPORT_PinWrite,.portDirectionSet = R_IOPORT_PortDirectionSet,.portEventInputRead = R_IOPORT_PortEventInputRead,.portEventOutputWrite = R_IOPORT_PortEventOutputWrite,.portRead = R_IOPORT_PortRead,.portWrite = R_IOPORT_PortWrite,
};

对于 ioport，配置与接口是分离的：在 ioport_cfg_t 参数里指定引脚、指定配置值，然后调用“pinCfg”函数指针去配置引脚。使用 FSP 的配置工具时，选择某个引脚、设置它的参数，就会生成对应的 ioport_cfg_t 结构体。当我们编写程序调用 r_ioport.c 里的pinCfg”函数指针时，传入这个 ioport_cfg_t 结构体。

4.2.2 接口与实例分离

假设有如下图所示的两代产品，它们的 LED 接法不一样：

对于第 1 代产品，在 r_ioport.c 里已经实现了如下结构体：

/* IOPort Implementation of IOPort Driver */
const ioport_api_t g_ioport_on_ioport =
{.open = R_IOPORT_Open,.close = R_IOPORT_Close,.pinsCfg = R_IOPORT_PinsCfg,.pinCfg = R_IOPORT_PinCfg,.pinEventInputRead = R_IOPORT_PinEventInputRead,.pinEventOutputWrite = R_IOPORT_PinEventOutputWrite,.pinRead = R_IOPORT_PinRead,.pinWrite = R_IOPORT_PinWrite,.portDirectionSet = R_IOPORT_PortDirectionSet,.portEventInputRead = R_IOPORT_PortEventInputRead,.portEventOutputWrite = R_IOPORT_PortEventOutputWrite,.portRead = R_IOPORT_PortRead,.portWrite = R_IOPORT_PortWrite,
};

对于第 2 代产品，我们可以在 r_spiioport.c 里实现如下结构体：

/* IOPort Implementation of SPIIOPort Driver */
const ioport_api_t g_spiioport_on_ioport =
{.open = R_SPIIOPORT_Open,.close = R_SPIIOPORT_Close,.pinsCfg = R_SPIIOPORT_PinsCfg,.pinCfg = R_SPIIOPORT_PinCfg,.pinEventInputRead = R_SPIIOPORT_PinEventInputRead,.pinEventOutputWrite = R_SPIIOPORT_PinEventOutputWrite,.pinRead = R_SPIIOPORT_PinRead,.pinWrite = R_SPIIOPORT_PinWrite,.portDirectionSet = R_SPIIOPORT_PortDirectionSet,.portEventInputRead = R_SPIIOPORT_PortEventInputRead,.portEventOutputWrite = R_SPIIOPORT_PortEventOutputWrite,.portRead = R_SPIIOPORT_PortRead,.portWrite = R_SPIIOPORT_PortWrite,
};

现在有两个接口结构体：g_ioport_on_ioport、g_spiioport_on_ioport，使用哪一个？在哪里指定？需要引入另一个概念：实例。以 ioport 为例，有如下结构体类型：

/** This structure encompasses everything that is needed to use an instance of this 
interface.
*/
typedef struct st_ioport_instance
{ioport_ctrl_t * p_ctrl; ///< Pointer to the control structure for this instanceioport_cfg_t const * p_cfg; ///< Pointer to the configuration structure for this instanceioport_api_t const * p_api; ///< Pointer to the API structure for this instance
} ioport_instance_t;

ioport_instance_t 结构体中有 3 个成员：

1. p_cfg 指针：使用不同的引脚、不同的配置时，就让它指向一个对应的配置结构体；
2. p_api 指针：使用不同的硬件接口时，就让它指向对应的接口函数结构体；
3. p_ctrl 指针：起辅助作用，比如用来标记是否启用了该模块、记录它的寄存器基地址

以工程“MyBlinkyProject”为例，在 ra_gen\common_data.c 中定义了一个实例化对象：

const ioport_instance_t g_ioport =
{ .p_api = &g_ioport_on_ioport, .p_ctrl = &g_ioport_ctrl, .p_cfg = &g_bsp_pin_cfg, };

g_ioport 里：

• p_cfg 指向 g_bsp_pin_cfg，它是配置信息；
• p_api 指向 g_ioport_on_ioport，它是接口信息；
• p_ctrl 指向 g_ioport_ctrl，它只是被用来记录驱动是否被打开。

对于第 1 代产品，g_ioport 的 p_api 指向 g_ioport_on_ioport；对于第 2 代产品，让它指向 g_spiioport_on_ioport。使用实例化结构体 g_ioport 来操作 LED 时，即使更换了底层的操作接口，用户的代码仍然无需改变：

g_ioport.p_api->pinWrite(&g_ioport.p_ctrl, Leds.p_leds[BSP_LED_LED1], BSP_IO_LEVEL_LOW);

如果直接使用接口函数操作 LED 的话，如下：

R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, Leds.p_leds[BSP_LED_LED1], BSP_IO_LEVEL_LOW);

对于第 2 代产品，就需要修改成另一个接口，如下：

R_SPIIOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, Leds.p_leds[BSP_LED_LED1], BSP_IO_LEVEL_LOW);

使用实例化结构体来操作硬件，在代码的统一性、可读性和可移植性上是有很大优势的。它允许应用程序和硬件之间的进一步抽象。更改底层的外围设备时，只需要修改实例化结构体，不需要更改应用层代码。在实际开发过程中，也可以直接调用底层 API 函数（比如 R_IOPORT_PinWrite），这有两个原因：

1. 基于编译器优化的考虑：假设定义了 10 个 API 接口函数，但是应用层代码只用到 1 个，那么另外的 9 个函数是可以被“优化掉”的，它们可以不被编进可执行程序里。如果使用实例化结构体的话，因为 p_api 里引用了这 10 个函数，它们都不会被优化掉。
2. 一些客户可能只希望调用最底层的 API（避免过于繁琐的函数指针）。

4.3 代码规范

4.3.1 术语

• **模块（Module）：**模块可以是外设驱动程序、纯软件或介于这两者之间，并且是 FSP 的构建模块。模块通常是独立的单元，但它们可能依赖于其他模块。可以通过组合多个模块来构建应用程序，为用户提供所需功能。
• 模块实例（Module Instance）： 单个、独立的实例化（配置）模块。比如 r_ioport.c实现了 GPIO 的操作，它是一个 Module。要操作某个引脚时，就需要“模块实例”即“ioport_instance_t 结构体”，它里面含有配置信息、接口信息。
• 接口（ Interfaces）： 接口包含 API 定义，具有相似功能的模块可以共用这些 API 定义。模块通过这些定义提供常用功能。通过这些 API 定义，使用相同接口的模块可以互换使用。可以将接口视为两个模块之间的合同，两个模块均同意使用合同中达成一致的信息进行协作。接口只是定义，并不会增加代码的大小。比如在 r_ioport_api.h 里定义了 ioport 的 API。
• 实例（Instances）： 接口规定所提供的功能，而实例则真正实现了这些功能。比如r_ioport.h 里定义了 API 接口，在 r_ioport.c 里实现了这些接口，r_ioport.c 就是“实例”。
• 驱动程序（ Drivers）： 驱动程序是一种特定类型的模块，可以直接修改 RA 产品家族MCU 上的寄存器。
• **堆叠（Stacks）：**这个单词很容易跟 C 语言里的堆（heap）、栈（stack）混淆，但是在这里它不是堆栈的意思。FSP 架构所采用的设计方式是，模块可以协同工作以形成一个堆叠。堆叠就是由顶层模块及其所有依赖项组成，简单地说就是多个有依赖关系的模块。
• 应用程序（Application）： 归用户所有并由用户维护的代码。
• 回调函数（Callback Functions）： 当有事件发生时（例如，USB 接收到一些数据时），将调用这些函数。它们是应用程序的组成部分，如果用于中断，应尽量简短，因为它们将在中断服务程序内运行，会阻止其他中断执行。

4.3.2 API 命名规则

一般来说，内部函数遵循“NounNounVerb”（名词名词动词）的命名约定，例如CommunicationAbort()。函数的返回值表示是否成功，函数要对外输出结果时，这些结果只在输出参数中返回，并且第一个参数始终是指向其控制结构体的指针。下面是 FSP 中常用前缀：

1. R_BSP_xxx： BSP 函数的前缀，例如 R_BSP_VersionGet()。
2. BSP_xxx： BSP 宏的前缀，例如 BSP_IO_LEVEL_LOW。
3. FSP_xxx： 常用的 FSP的前缀，主要定义错误代码（例如 FSP_ERR_INVALID_ARGUMENT）和版本信息（例如 FSP_VERSION_BUILD）。
4. g_<interface>on<instance>： 实例的常量全局结构体的名称，用这个结构体管理 API 的各个实现函数，比如 g_ioport_on_ioport 结构体里是 r_ioport.c 实现的各个 API 函数。
5. r_<interface>_api.h： 接口模块头文件的名称，例如 r_spi_api.h。
6. R_<MODULE>_<Function>： FSP 驱动程序 API 的名称，例如 R_SPI_WriteRead()。
7. RM_<MODULE>_<Function>： 中间件函数的名称，例如 RM_BLE_ABS_Open()。

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本章完