应用程序的启动流程

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本文将会介绍 ESP32-S2 从上电到运行 app_main 函数中间所经历的步骤(即启动流程)。

宏观上,该启动流程可以分为如下 3 个步骤:

  1. 一级引导程序 被固化在了 ESP32-S2 内部的 ROM 中,它会从 flash 的 0x1000 偏移地址处加载二级引导程序至 RAM (IRAM & DRAM) 中。

  2. 二级引导程序 从 flash 中加载分区表和主程序镜像至内存中,主程序中包含了 RAM 段和通过 flash 高速缓存映射的只读段。

  3. 应用程序启动阶段 运行,这时第二个 CPU 和 RTOS 的调度器启动。

下面会对上述过程进行更为详细的阐述。

一级引导程序

SoC 复位后,CPU 会立即开始运行,执行所有的初始化操作。复位向量代码位于 ESP32-S2 芯片掩膜 ROM 处,且不能被修改。

复位向量调用的启动代码会根据 GPIO_STRAP_REG 寄存器的值来确定 ESP32-S2 的启动模式,该寄存器保存着复位后 bootstrap 引脚的电平状态。根据不同的复位原因,程序会执行如下操作:

  1. 从深度睡眠模式复位:如果 RTC_CNTL_STORE6_REG 寄存器的值非零,且 RTC_CNTL_STORE7_REG 寄存器中的 RTC 内存的 CRC 校验值有效,那么程序会使用 RTC_CNTL_STORE6_REG 寄存器的值作为入口地址,并立即跳转到该地址运行。如果 RTC_CNTL_STORE6_REG 的值为零,或 RTC_CNTL_STORE7_REG 中的 CRC 校验值无效,又或通过 RTC_CNTL_STORE6_REG 调用的代码返回,那么则像上电复位一样继续启动。 注意:如果想在这里运行自定义的代码,可以参考 深度睡眠 文档里面介绍的深度睡眠存根机制方法。

  2. 上电复位、软件 SoC 复位、看门狗 SoC 复位:检查 GPIO_STRAP_REG 寄存器,判断是否请求自定义启动模式,如 UART 下载模式。如果是,ROM 会执行此自定义加载器模式。否则程会像软件 CPU 复位一样继续启动。请参考 ESP32-S2 技术规格书了解 SoC 启动模式以及具体执行过程。

  3. 软件 CPU 复位、看门狗 CPU 复位:根据 EFUSE 中的值配置 SPI flash,然后尝试从 flash 中加载代码,这部分将会在后面一小节详细介绍。

注解

正常启动模式下会使能 RTC 看门狗,因此,如果进程中断或停止,看门狗将自动重置 SOC 并重复启动过程。如果 strapping GPIOs 已更改,则可能导致 SoC 陷入新的启动模式。

二级引导程序二进制镜像会从 flash 的 0x1000 偏移地址处加载。该地址前面的 flash 4 kB 扇区未使用。

二级引导程序

在 ESP-IDF 中,存放在 flash 的 0x1000 偏移地址处的二进制镜像就是二级引导程序。二级引导程序的源码可以在 ESP-IDF 的 components/bootloader 目录下找到。ESP-IDF 使用二级引导程序可以增加 flash 分区的灵活性(使用分区表),并且方便实现 flash 加密,安全引导和空中升级(OTA)等功能。

当一级引导程序校验并加载完二级引导程序后,它会从二进制镜像的头部找到二级引导程序的入口点,并跳转过去运行。

二级引导程序默认从 flash 的 0x8000 偏移地址处 可配置的值)读取分区表。请参考 分区表 获取详细信息。引导程序会寻找工厂分区和 OTA 应用程序分区。如果在分区表中找到了 OTA 应用程序分区,引导程序将查询 otadata 分区以确定应引导哪个分区。更多信息请参考 空中升级 (OTA)

关于 ESP-IDF 引导程序可用的配置选项,请参考 引导加载程序(Bootloader)

对于选定的分区,二级引导程序将从 flash 逐段读取二进制镜像:

一旦处理完所有段(即加载了代码并设置了 flash MMU),二级引导程序将验证应用程序的完整性,并从二进制镜像文件的头部寻找入口地址,然后跳转到该地址处运行。

应用程序启动阶段

应用程序启动包含了从应用程序开始执行到 app_main 函数在主任务内部运行前的所有过程。可分为三个阶段:

  • 硬件和基本 C 语言运行环境的端口初始化。

  • 软件服务和 FreeRTOS 的系统初始化。

  • 运行主任务并调用 app_main

注解

通常不需要了解 ESP-IDF 应用程序初始化的所有阶段。如果需要仅从应用程序开发人员的角度了解初始化,请跳至 运行主任务

端口初始化

ESP-IDF 应用程序的入口是 components/esp_system/port/cpu_start.c 文件中的 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。

该端口层的初始化功能会初始化基本的 C 运行环境 (“CRT”),并对 SoC 的内部硬件进行了初始配置。

  • 为应用程序重新配置 CPU 异常(允许应用程序中断处理程序运行,并使用为应用程序配置的选项来处理 严重错误,而不是使用 ROM 提供的简易版错误处理程序处理。

  • 如果没有设置选项 CONFIG_BOOTLOADER_WDT_ENABLE,则不使能 RTC 看门狗定时器。

  • 初始化内部存储器(数据和 bss)。

  • 完成 MMU 高速缓存配置。

  • 如果配置了 PSRAM,则使能 PSRAM。

  • 将 CPU 时钟设置为项目配置的频率。

  • 如果配置了内存保护,则初始化内存保护。

call_start_cpu0 完成运行后,将调用在 components/esp_system/startup.c 中找到的“系统层”初始化函数 start_cpu0

系统初始化

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。

主要的系统初始化阶段包括:

  • 如果默认的日志级别允许,则记录该应用程序的相关信息(项目名称、App version 等)。

  • 初始化堆分配器(在这之前,所有分配必须是静态的或在堆栈上)。

  • 初始化 newlib 组件的系统调用和时间函数。

  • 配置断电检测器。

  • 根据 串行控制台配置 设置 libc stdin、stdout、和 stderr。

  • 执行与安全有关的检查,包括为该配置烧录 efuse(包括 永久限制 ROM 下载模式)。

  • 初始化 SPI flash API 支持。

  • 调用全局 C++ 构造函数和任何标有 __attribute__((constructor)) 的 C 函数。

二级系统初始化允许单个组件被初始化。如果一个组件有一个用 ESP_SYSTEM_INIT_FN 宏注释的初始化函数,它将作为二级初始化的一部分被调用。

运行主任务

在所有其他组件都初始化后,主任务会被创建,FreeRTOS 调度器开始运行。

做完一些初始化任务后(需要启动调度器),主任务在固件中运行应用程序提供的函数 app_main

运行 app_main 的主任务有一个固定的 RTOS 优先级(比最小值高)和一个 可配置的堆栈大小

与普通的 FreeRTOS 任务(或嵌入式 C 的 main 函数)不同,app_main 任务可以返回。如果``app_main`` 函数返回,那么主任务将会被删除。系统将继续运行其他的 RTOS 任务。因此可以将 app_main 实现为一个创建其他应用任务然后返回的函数,或主应用任务本身。