ESP32上电到app_main（）的过程梳理

news2024/11/20 6:27:39

前言

（1）如果有嵌入式企业需要招聘校园大使，湖南区域的日常实习，任何区域的暑假Linux驱动实习岗位，可C站直接私聊，或者邮件：zhangyixu02@gmail.com，此消息至2025年1月1日前均有效
（2）因为实习，需要使用ESP32S3进行开发，而乐鑫官方的esp32_s3_box.c并不是完全符合我们的要求，所以我被安排了解一下esp32的启动流程，然后根据乐鑫的esp32_s3_box.c文件编写一个适配我们自己产品的板级支持包。接下来我根据乐鑫官方文档以及结合自己的理解，梳理一下启动流程。
（3）乐鑫的启动文件个人认为还是有点意思的，因为在我的认知里面，启动文件一般都是采用的汇编代码编写的。但是乐鑫的这个启动文件却是采用的C语言编写（还是有一小部分是用的汇编），理解起来还是方便许多。

ESP32的应用程序

（1）ESP32的启动流程分为三段：一级引导程序，二级引导程序，应用程序启动阶段。

一级引导程序

（1）一级引导程序：这一部分程序直接存储进入ESP32的ROM中了，所以普通开发者无法直接查看，主要是做一些前期的准备工作。
（2）个人认为，唯一需要了解的是，在这一阶段会判断是否请求自定义启动模式，如 UART 下载模式。这也一定程度说明了，为什么进入下载模式，需要先按住BOOT，然后再按下松开复位键，最后松开BOOT的原因了。
（3）因为怕有人无法理解上面加粗部分，我再详细介绍一下。因为芯片内部的操作是非常迅速的，如果你先按下复位键，再按下BOOT，这个时候一级启动引导程序早就完成了。就无法进入你想要的下载模式。
（4）关于芯片启动的控制介绍如下，原文在ESP32 技术规格书的2.6.1章节：

在这里插入图片描述

二级引导程序

（1）二级引导程序：这个程序是可查看并且可被修改的，在安装ESP-IDF 的时候，指定的Enter_ESP-IDF_container_directory路径下esp-idf\components\bootloader路径中找到源代码，这一部分应该主要是用于修改bootloader的能做如下配置：
<1>内部模块的最小化初始配置；
<2>如果配置了 flash 加密和/或 Secure，则对其进行初始化。
<3>根据分区表和 ota_data（如果存在）选择需要引导的应用程序 (app) 分区；
<4>将此应用程序镜像加载到 RAM（IRAM 和 DRAM）中，最后把控制权转交给此应用程序。
（2）利用对bootloader的修改配置，能够实现OTA空中升级程序。
<1>OTA 升级机制可以让设备在固件正常运行时根据接收数据（如通过 Wi-Fi 或蓝牙）进行自我更新。
<2>在嵌入式开发过程中，对于绝大多数人来说，单片机的程序烧录都是直接利用一根数据线进行更新程序的。如果是大型的企业开发，SOC一般都是集成在了大型设备里面，我们如果要更新程序，总不可能把每次更新都将整个设备拆除，拿个数据线插上去更新程序，再重新装上吧。因此，有了OTA空中升级机制之后，我们就可以像手机那样，连接上网络，下载更新固件程序，然后就可以更新了。

应用程序启动阶段

（1）ESP32的应用程序启动阶段又分为三个阶段：
<1>硬件和基本 C 语言运行环境的端口初始化。
<2>软件服务和 FreeRTOS 的系统初始化。
<3>运行主任务并调用 app_main

端口初始化

（1）在执行完二级引导程序之后，他会跳转到指定的Enter_ESP-IDF_container_directory路径下esp-idf\components\esp_system\cpu_start.c 中。
（2）在cpu_start.c文件中找到call_start_cpu0 ()函数。这个函数由二级引导加载程序执行，并且从不返回。因此你看不到是哪个函数调用了他，他是从汇编的最底层直接调用的。
（4）在这个函数中会初始化基本的 C 运行环境 (“CRT”），并对 SoC 的内部硬件进行了初始配置。
（5）执行完call_start_cpu0 ()就会找到Enter_ESP-IDF_container_directory路径下esp-idf\components\esp_system\startup.c 文件，找到的“系统层”初始化函数 start_cpu0()。其他内核也将完成端口层的初始化，并调用同一文件中的 start_other_cores()。
<1>不过这里的start_cpu0()函数可能是以start_cpu0_default()形式体现出来，因为在startup.c 的第110行有如下代码，表示弱关联。
<2>start_other_cores()这个函数，我也没有找到，个人猜测可能是do_secondary_init()。因为从注释和函数名上来看，do_secondary_init()就是对第二个内核的初始化。

void start_cpu0(void) __attribute__((weak, alias("start_cpu0_default"))) __attribute__((noreturn));

系统初始化

（1）主要的系统初始化函数是 start_cpu0()。默认情况下，这个函数与 start_cpu0_default() 函数弱链接。这意味着可以覆盖这个函数，增加一些额外的初始化步骤。

void start_cpu0(void) __attribute__((weak, alias("start_cpu0_default"))) __attribute__((noreturn));

（2）做完一些初始化步骤之后，start_cpu0_default() 函数就会调用esp_startup_start_app()准备进入主任务了。

运行主任务

（1）esp_startup_start_app()先会检查看门狗的配置环境，CPU0的初始化。最终调用xTaskCreatePinnedToCore()这个宏在FreeRTOS上创建一个主任务main_task()任务，名字叫做main()，无传入参数，任务优先级为1。这个任务不会停止。
（2）main_task()这个函数实现如下，其实对app_main()函数进行了再一次的封装，然后执行vTaskDelete(NULL)进行任务自杀。（这个是FreeRTOS的知识点）
（3）这很好的揭示了，为什么用户使用ESP32是在app_main()函数里面进行编程。

static void main_task(void* args)
{
    app_main();
    vTaskDelete(NULL);
}

（4）如果你阅读了ESP32BOX的源代码，你就会发现，app_main()这个程序没有死循环。我们都知道，一个嵌入式程序是不能停止的，一定要进行死循环，否则会出现一些问题。
（5）如果你有这样的疑惑，那么就可以看一下系统初始化部分所讲解的start_cpu0_default()函数。在这个函数里面的最后一样，执行完esp_startup_start_app()之后，就是执行while (1)进入死循环了。最后根据你的操作，进入FreeRTOS的任务调度环节。