深入剖析esp32c3的系統(tǒng)底層啟動

1.本文概述對于esp32的玩法，基本上定位都是做上層應(yīng)用，樂鑫官方提供的ESP-IDF物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)框架已經(jīng)十分的完善，做上層應(yīng)用按照這套框架進(jìn)行開發(fā)，完全不必了解底層的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。作為一個深入研究riscv底層的愛好者來說，跳過ESP-IDF框架，直接像使用單片機(jī)一樣去使用ESP32C3更加有意思。本文的目的就是理解ESP32C3的裸機(jī)開發(fā)流程，像玩單片機(jī)一樣去使用這個riscv的mcu。

2.esp32c3分析對于esp32c3玩法，從玩家來看可能更加類似ESP8266，相比8266，可以做如下表格對比：

8266C366

cpuXtensaRISCV

時鐘頻率160MHz160MHz

WIFIIEEE 802.11 b/g/n;2.4GHz;HT20;up to 75 MbpsIEEE 802.11 b/g/n;2.4GHz;HT20;up to 150 Mbps

藍(lán)牙N/ABluetooth LE v5.0

SRAM160 KB400KB

ROM0384KB

RTC ROM1KB8KB

簡單對比一下，不難發(fā)現(xiàn)esp32的還是與8266有點類似，而從目前的信息來看，esp32c3芯片的定價也是基本上和8266差不多的。

玩esp32c3，除了可以學(xué)習(xí)riscv架構(gòu)，也能夠?qū)Φ讓酉到y(tǒng)的嵌入式編程有著更加深刻的理解。

3.esp32c3系統(tǒng)啟動流程如果按照樂鑫ESP-IDF正常的啟動流程來看，啟動過程有三個階段

bootloader第一階段

該階段主要是上電后，從ROM中運(yùn)行，并且將bootloader第二階段程序從flash的0x0地址偏移處搬運(yùn)到RAM中。

SOC上電后，直接執(zhí)行復(fù)位向量代碼，通過檢測GPIO_STRAP_REG的寄存器的狀態(tài)來確定啟動模式。

一般來說，有三種啟動模式：

reset from deep sleep

這種啟動模式就是系統(tǒng)從深度睡眠中被喚醒。

power up

上電啟動

看門狗復(fù)位

bootloader第二階段

該程序開始存放在flash的0x0地址處，其中的作用是從flash中加載分區(qū)表，并且決定啟動的程序位置，對于OTA來說非常有用處。而且也有一些flash程序的解壓或者壓縮的代碼，安全啟動，以及 over-the-air updates（OTA）等等。然后將程序的數(shù)據(jù)段放到DROM，指令段放到DRAM中。

主程序啟動

第二階段啟動后，加載主程序并且運(yùn)行自己的程序的業(yè)務(wù)邏輯。主要的流程就是首先初始化C語言的執(zhí)行環(huán)境，設(shè)置棧指針地址，運(yùn)行FreeRTOS操作系統(tǒng)，然后運(yùn)行main任務(wù)線程，執(zhí)行app_main。用戶自己在app_main中編寫自己的邏輯。

4.分析esp32c3上的裸機(jī)程序目的是讓esp32c3上電后直接啟動我們自己編寫的裸機(jī)程序，那么首先ROM中的程序是不能改變的。

https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32-c3_technical_reference_manual_cn.pdf

要寫裸機(jī)代碼，首先需要看懂技術(shù)手冊，在芯片Boot控制的這一章節(jié)，有描述ESP32C3的啟動一共有三個Strapping管腳GPIO2，GPIO8，GPIO9。

通過這個三個引腳的組合，可以控制boot模式。

啟動模式GPIO2GPIO8GPIO9

SPI Boot 模式1x1

Download Boot模式110

對于SPI模式，又分為兩種方式：

常規(guī)flash啟動

這種模式支持安全啟動，程序直接在RAM中。

直接啟動方式

不支持安全啟動，程序直接運(yùn)行在flash中，默認(rèn)使用這種方式時，需要將程序的bin文件的前兩個字節(jié)（地址：0x42000000）為0xaebd041d。

而對于Download Boot模式，可以將UART0或者USB下載代碼到flash中或者SRAM中，這樣可以直接在SRAM中運(yùn)行。

而本文的實驗過程采用的是直接啟動方式。

在編寫裸機(jī)代碼之前，首先來看一下memory map。

對于數(shù)據(jù)的布局如下

程序的鏈接腳本可設(shè)置如下：

MEMORY

{

irom （x）： org = 0x42000000， len = 0x400000

drom （r）： org = 0x3C000000， len = 0x400000

ram （rw）： org = 0x3FC80000， len = 0x50000

rtc_ram （rx）： org = 0x50000000， len = 0x2000

}

因為涉及到數(shù)據(jù)段和代碼段的地址分離問題，當(dāng)程序編譯成一整個固件的時候，在flash中的存在形式就是一個elf格式的文件，通過內(nèi)存的加載，將代碼段，數(shù)據(jù)段分別放到IRAM和DRAM中，同時將棧指針地址，數(shù)據(jù)段，bss段指向ram中。這樣就完成了裸機(jī)程序的布局。

接下來要開始構(gòu)建裸機(jī)工程了。

5.esp32c3裸機(jī)工程的構(gòu)建在自行構(gòu)建裸機(jī)工程的時候，也參考一些國外工程師的一些代碼，最后結(jié)合自己的理解，通過meson+ninja構(gòu)建出屬于自己的esp32c3裸機(jī)代碼實驗平臺。

為什么不用cmake或者makefile，原因是makefile的跨平臺效率不是很好，而且語法比較復(fù)雜，而cmake也比較慢，所以想到以后可能會到windows上開發(fā)，換一種高效簡單的工程構(gòu)建方式比較，就采用meson+ninja build。關(guān)于構(gòu)建語法規(guī)則這里不做贅述。只介紹工程如何使用。

首先本文的環(huán)境只在Linux上環(huán)境下做編譯，并在windows平臺上下載程序。整個平臺后期會完全在windows上進(jìn)行開發(fā)。

1.從github上下載代碼

git clone git@github.com:bigmagic123/esp32c3_bare_metal.git

該工程項目主要用于研究esp32c3裸機(jī)實驗平臺。

2.下載riscv交叉編譯工具鏈

首先需要下載教程編譯工具鏈。

https://github.com/xpack-dev-tools/riscv-none-embed-gcc-xpack/releases/tag/v10.1.0-1.1/

下載對應(yīng)版本的riscv最新的交叉編譯工具鏈即可。

3.設(shè)置gcc路徑

直接修改esp32c3_bare_metal/example/cross.txt中的路徑即可。

替換自己的編譯路徑即可。

4.編譯程序

meson setup _build --cross-file cross.txt

cd _build

ninja

6.esp32c3裸機(jī)代碼下載與運(yùn)行首先需要下載python3。可以在windows系統(tǒng)上進(jìn)行操作。

安裝好后，可以輸入pip install esptool。

下載完成后，esp32c3通過串口調(diào)試助手連接到電腦。

下載完成，可以通過esptool探測芯片ID。

通過下面的命令燒錄并啟動串口

esptool.py --port COM4 --baud 921600 write_flash 0x0000 demo.bin

python -m serial.tools.miniterm COM4 115200

如果退出，可以輸出下面的命令

ctrl + ］

這樣就可以將程序燒錄到flash中了。

7.分析裸機(jī)驅(qū)動程序的編寫編寫裸機(jī)程序，在對于esp32c3的編程模型中，可以使用ROM的里面的程序進(jìn)行設(shè)計。

其原理就是ROM中運(yùn)行程序，每個函數(shù)都有特定的地址，只需要知道ROM函數(shù)對應(yīng)的地址，就可以通過訪問地址，從而訪問函數(shù)。

在［esp-idf］（https://github.com/espressif/esp-idf）。

components/esp_rom/esp32c3/ld/esp32c3.rom.ld

其中定義了一些rom函數(shù)的地址，比如通過串口發(fā)送一個字節(jié)

uart_tx_one_char = 0x40000068;

其頭文件

components/esp_rom/include/esp32c3/rom/uart.h

函數(shù)的定義

/**

* @brief Output a char to printf channel， wait until fifo not full.

*

* @param None

*

* @return OK.

*/

STATUS uart_tx_one_char（uint8_t TxChar）;

另外，也以通過編程手冊進(jìn)行操作寄存器的編程，這種難度稍微大一些。

https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32-c3_technical_reference_manual_cn.pdf

比如在定時器組（TIMG）的章節(jié)

在寄存器的控制寄存器，首先TIMG_T0_EN設(shè)置為1的時候，使能計數(shù)器。

對于ESP32C3的編程，首先配置一下寄存器，使能定時器。

然后可以通過UPDATE寄存器更新寄存器的值。

當(dāng)使能定時器時，其值不斷在增加/減少。每次需要讀取數(shù)據(jù)的時候，需要將上述的31位寫0或者1，才能去讀T0LO寄存器。

其定時器的值為54位。這樣就可以正常通過寄存器操作esp32c3定時器了。

8.總結(jié)esp32c3裸機(jī)編程，可以清楚的理解esp32的底層啟動過程，完全當(dāng)作單片機(jī)來使用。

關(guān)于wifi和藍(lán)牙部分，使用rom中提供的函數(shù)地址，通過鏈接腳本和頭文件的方式進(jìn)行函數(shù)調(diào)用，這樣非常方便，而大部分驅(qū)動編程則需要自己查詢datasheet，操作外設(shè)對應(yīng)的寄存器進(jìn)行訪問。

編輯：jq