ULP 协处理器编程

[English]

ULP(Ultra Low Power 超低功耗)协处理器是一种简单的有限状态机 (FSM),可以在主处理器处于深度睡眠模式时,使用 ADC、温度传感器和外部 I2C 传感器执行测量操作。ULP 协处理器可以访问 RTC_SLOW_MEM 内存区域及 RTC_CNTL、RTC_IO、SARADC 等外设寄存器。ULP 协处理器使用 32 位固定宽度的指令,32 位内存寻址,配备 4 个 16 位通用寄存器。

安装工具链

ULP 协处理器代码是用汇编语言编写的,并使用 binutils-esp32ulp 工具链 进行编译。

如果你已经按照 快速入门指南 中的介绍安装好了 ESP-IDF 及其 CMake 构建系统,那么 ULP 工具链已经被默认安装到了你的开发环境中。

如果你的 ESP-IDF 仍在使用传统的基于 GNU Make 的构建系统,请参考 ULP 协处理器 (传统的 GNU Make) 一文中的说明,完成工具链的安装。

编译 ULP 代码

若需要将 ULP 代码编译为某组件的一部分,则必须执行以下步骤:

  1. 用汇编语言编写的 ULP 代码必须导入到一个或多个 .S 扩展文件中,且这些文件必须放在组件目录中一个独立的目录中,例如 ulp/

  1. 注册后从组件 CMakeLists.txt 中调用 ulp_embed_binary 示例如下:

    ...
    idf_component_register()
    
    set(ulp_app_name ulp_${COMPONENT_NAME})
    set(ulp_s_sources ulp/ulp_assembly_source_file.S)
    set(ulp_exp_dep_srcs "ulp_c_source_file.c")
    
    ulp_embed_binary(${ulp_app_name} "${ulp_s_sources}" "${ulp_exp_dep_srcs}")
    

上述第一个参数到 ulp_embed_binary 为 ULP 二进制文件命名。此名称也用于生成的其他文件,如:ELF 文件、.map 文件、头文件和链接器导出文件。第二个参数设置 ULP 程序集源文件。最后,第三个参数设置组件源文件列表,其中包括被生成的头文件。此列表用以建立正确的依赖项,并确保在构建过程会先生成再编译包含头文件的源文件。请参考下文,查看为 ULP 应用程序生成的头文件等相关概念。

  1. 使用常规方法(例如 idf.py app)编译应用程序

    在内部,构建系统将按照以下步骤编译 ULP 程序:

    1. 通过 C 预处理器运行每个程序集文件 (foo.S)。 此步骤在组件编译目录中生成预处理的程序集文件 (foo.ulp.S),同时生成依赖文件 (foo.ulp.d)。

    2. 通过汇编器运行预处理过的汇编源码。 此步骤会生成目标文件 (foo.ulp.o) 和清单 (foo.ulp.lst)。清单文件仅用于调试,不用于编译进程的后续步骤。

    3. 通过 C 预处理器运行链接器脚本模板。 模板位于 components/ulp/ld 目录中。

    4. 将目标文件链接到 ELF 输出文件 (ulp_app_name.elf)。此步骤生成的.map 文件 (ulp_app_name.map) 默认用于调试。

    5. 将 ELF 文件中的内容转储为二进制文件 (ulp_app_name.bin),以便嵌入到应用程序中。

    6. 使用 esp32ulp-elf-nm 在 ELF 文件中 生成全局符号列表 (ulp_app_name.sym)。

    7. 创建 LD 导出脚本和头文件 (ulp_app_name.ldulp_app_name.h),包含来自 ulp_app_name.sym 的符号。此步骤可借助 esp32ulp_mapgen.py 工具来完成。

    8. 将生成的二进制文件添加到要嵌入应用程序的二进制文件列表中。

访问 ULP 程序变量

在 ULP 程序中定义的全局符号也可以在主程序中使用。

例如,ULP 程序可以定义 measurement_count 变量,此变量可以定义程序从深度睡眠中唤醒芯片之前需要进行的 ADC 测量的次数:

                        .global measurement_count
measurement_count:      .long 0

                        /* later, use measurement_count */
                        move r3, measurement_count
                        ld r3, r3, 0

主程序需要在启动 ULP 程序之前初始化 measurement_count 变量,构建系统生成定义 ULP 编程中全局符号的 ${ULP_APP_NAME}.h${ULP_APP_NAME}.ld 文件,可以实现上述操作,这些文件包含在 ULP 程序中定义的所有全局符号,文件以 ulp_ 开头。

头文件包含对此类符号的声明:

extern uint32_t ulp_measurement_count;

注意,所有符号(包括变量、数组、函数)均被声明为 uint32_t。对于函数和数组,先获取符号地址,然后转换为适当的类型。

生成的链接器脚本文件定义了 RTC_SLOW_MEM 中的符号位置:

PROVIDE ( ulp_measurement_count = 0x50000060 );

如果要从主程序访问 ULP 程序变量,应先使用 include 语句包含生成的头文件,这样,就可以像访问常规变量一样访问 ulp 程序变量。操作如下:

#include "ulp_app_name.h"

// later
void init_ulp_vars() {
    ulp_measurement_count = 64;
}

注意,ULP 程序在 RTC 内存中只能使用 32 位字的低 16 位,因为寄存器是 16 位的,并且不具备从字的高位加载的指令。

同样,ULP 储存指令将寄存器值写入 32 位字的低 16 位中。高 16 位写入的值取决于储存指令的地址,因此在读取 ULP 写的变量时,主应用程序需要屏蔽高 16 位,例如:

printf("Last measurement value: %d\n", ulp_last_measurement & UINT16_MAX);

启动 ULP 程序

要运行 ULP 程序,主应用程序需要调用 ulp_load_binary 函数将 ULP 程序加载到 RTC 内存中,然后调用 ulp_run 函数,启动 ULP 程序。

注意,在 menuconfig 中必须启用 “Enable Ultra Low Power (ULP) Coprocessor” 选项,以便为 ULP 预留内存。”RTC slow memory reserved for coprocessor” 选项设置的值必须足够储存 ULP 代码和数据。如果应用程序组件包含多个 ULP 程序,则 RTC 内存必须足以容纳最大的程序。

每个 ULP 程序均以二进制 BLOB 的形式嵌入到 ESP-IDF 应用程序中。应用程序可以引用此 BLOB,并以下面的方式加载此 BLOB (假设 ULP_APP_NAME 已被定义为 ulp_app_name):

extern const uint8_t bin_start[] asm("_binary_ulp_app_name_bin_start");
extern const uint8_t bin_end[]   asm("_binary_ulp_app_name_bin_end");

void start_ulp_program() {
    ESP_ERROR_CHECK( ulp_load_binary(
        0 /* load address, set to 0 when using default linker scripts */,
        bin_start,
        (bin_end - bin_start) / sizeof(uint32_t)) );
}
esp_err_t ulp_load_binary(uint32_t load_addr, const uint8_t *program_binary, size_t program_size)

Load ULP program binary into RTC memory.

ULP program binary should have the following format (all values little-endian):

  1. MAGIC, (value 0x00706c75, 4 bytes)

  2. TEXT_OFFSET, offset of .text section from binary start (2 bytes)

  3. TEXT_SIZE, size of .text section (2 bytes)

  4. DATA_SIZE, size of .data section (2 bytes)

  5. BSS_SIZE, size of .bss section (2 bytes)

  6. (TEXT_OFFSET - 12) bytes of arbitrary data (will not be loaded into RTC memory)

  7. .text section

  8. .data section

Linker script in components/ulp/ld/esp32.ulp.ld produces ELF files which correspond to this format. This linker script produces binaries with load_addr == 0.

Return

  • ESP_OK on success

  • ESP_ERR_INVALID_ARG if load_addr is out of range

  • ESP_ERR_INVALID_SIZE if program_size doesn’t match (TEXT_OFFSET + TEXT_SIZE + DATA_SIZE)

  • ESP_ERR_NOT_SUPPORTED if the magic number is incorrect

Parameters
  • load_addr: address where the program should be loaded, expressed in 32-bit words

  • program_binary: pointer to program binary

  • program_size: size of the program binary

一旦上述程序加载到 RTC 内存后,应用程序即可启动此程序,并将入口点的地址传递给 ulp_run 函数:

ESP_ERROR_CHECK( ulp_run(&ulp_entry - RTC_SLOW_MEM) );
esp_err_t ulp_run(uint32_t entry_point)

Run the program loaded into RTC memory.

Return

ESP_OK on success

Parameters
  • entry_point: entry point, expressed in 32-bit words

上述生成的头文件 ${ULP_APP_NAME}.h 声明了入口点符号。在 ULP 应用程序的汇编源代码中,此符号必须标记为 .global:

        .global entry
entry:
        /* code starts here */

ULP 程序流

ULP 协处理器由定时器启动,而调用 ulp_run 则可启动此定时器。定时器为 RTC_SLOW_CLK 的 Tick 事件计数(默认情况下,Tick 由内部 150 KHz 晶振器生成)。使用 SENS_ULP_CP_SLEEP_CYCx_REG 寄存器 (x = 0..4) 设置 Tick 数值。第一次启动 ULP 时,使用 SENS_ULP_CP_SLEEP_CYC0_REG 设置定时器 Tick 数值,之后,ULP 程序可以使用 sleep 指令来另外选择 SENS_ULP_CP_SLEEP_CYCx_REG 寄存器。

此应用程序可以调用 ulp_set_wakeup_period 函数来设置 ULP 定时器周期值 (SENS_ULP_CP_SLEEP_CYCx_REG, x = 0..4)。

esp_err_t ulp_set_wakeup_period(size_t period_index, uint32_t period_us)

Set one of ULP wakeup period values.

ULP coprocessor starts running the program when the wakeup timer counts up to a given value (called period). There are 5 period values which can be programmed into SENS_ULP_CP_SLEEP_CYCx_REG registers, x = 0..4 for ESP32, and one period value which can be programmed into RTC_CNTL_ULP_CP_TIMER_1_REG register for ESP32-S2. By default, for ESP32, wakeup timer will use the period set into SENS_ULP_CP_SLEEP_CYC0_REG, i.e. period number 0. ULP program code can use SLEEP instruction to select which of the SENS_ULP_CP_SLEEP_CYCx_REG should be used for subsequent wakeups.

However, please note that SLEEP instruction issued (from ULP program) while the system is in deep sleep mode does not have effect, and sleep cycle count 0 is used.

For ESP32-s2 the SLEEP instruction not exist. Instead a WAKE instruction will be used.

Note

The ULP FSM requires two clock cycles to wakeup before being able to run the program. Then additional 16 cycles are reserved after wakeup waiting until the 8M clock is stable. The FSM also requires two more clock cycles to go to sleep after the program execution is halted. The minimum wakeup period that may be set up for the ULP is equal to the total number of cycles spent on the above internal tasks. For a default configuration of the ULP running at 150kHz it makes about 133us.

Return

  • ESP_OK on success

  • ESP_ERR_INVALID_ARG if period_index is out of range

Parameters
  • period_index: wakeup period setting number (0 - 4)

  • period_us: wakeup period, us

一旦定时器为所选的 SENS_ULP_CP_SLEEP_CYCx_REG 寄存器的 Tick 事件计数,ULP 协处理器就会启动,并调用 ulp_run 的入口点开始运行程序。

程序保持运行,直到遇到 halt 指令或非法指令。一旦程序停止,ULP 协处理器电源关闭,定时器再次启动。

如果想禁用定时器(有效防止 ULP 程序再次运行),请清除 RTC_CNTL_STATE0_REG 寄存器中的 RTC_CNTL_ULP_CP_SLP_TIMER_EN 位,可在 ULP 代码或主程序中进行以上操作。