# 应用程序的启动流程

[English]

本文将会介绍 ESP32-S31 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 (ROM) 引导加载程序 被固化在了 ESP32-S31 内部的 ROM 中，它会从 flash 的 0x2000 偏移地址处加载二级引导加载程序至 RAM (IRAM & DRAM) 中。

2. 二级引导加载程序 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 调度器启动，接着运行 `main_task`，从而执行 `app_main`。

下面会对上述过程进行更为详细的阐述。

## 一级 (ROM) 引导加载程序

SoC 复位后，PRO CPU 会立即开始运行，执行复位向量代码，而 APP CPU 仍然保持复位状态。在启动过程中，PRO CPU 会执行所有的初始化操作。APP CPU 的复位状态会在应用程序启动代码的 `call_start_cpu0` 函数中失效。复位向量代码位于 ESP32-S31 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-S31 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. 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模式，否则会像软件 CPU 复位一样继续启动。请参考 ESP32-S31 技术规格书了解 SoC 启动模式以及具体执行过程。

2. 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。

备注

- 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。

- 芯片在其生命周期内可能会进行多次工程变更 (ECO)，如工程变更不影响 ROM 行为，例如，仅用于修复数字逻辑、调整模拟电路或优化生产工艺等， ROM 固件往往不会变动。因此启动日志中 ROM 打印的版本号可能低于实际芯片版本号。

> 二级引导加载程序二进制镜像会从 flash 的 0x2000 偏移地址处加载。该地址前面的 flash 8 kB 扇区将为密钥管理器保留，用于与 flash 加密 (AES-XTS) 相关的操作。

## 二级引导加载程序

在 ESP-IDF 中，存放在 flash 的 0x2000 偏移地址处的二进制镜像就是二级引导加载程序。二级引导加载程序的源码可以在 ESP-IDF 的 components/bootloader 目录下找到。ESP-IDF 使用二级引导加载程序可以增加 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 (ROM) 引导加载程序校验并加载完二级引导加载程序后，它会从二进制镜像的头部找到二级引导加载程序的入口点，并跳转过去运行。

二级引导加载程序默认从 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。引导加载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，引导加载程序将查询 `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 引导加载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，二级引导加载程序将从 flash 逐段读取二进制镜像：

- 对于在内部 IRAM（指令 RAM） 或 DRAM（数据 RAM） 中具有加载地址的段，将把数据从 flash 复制到它们的加载地址处。

- 对于一些加载地址位于 DROM（数据存储在 flash 中） 或 IROM（代码从 flash 中运行） 区域的段，通过配置 flash MMU，可为从 flash 到加载地址提供正确的映射。

一旦处理完所有段（即加载了代码并设置了 flash MMU），二级引导加载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`。

备注

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。

- 如果应用程序被配置为在多个内核上运行，则启动另一个内核并等待其初始化（在类似的“端口层”初始化函数 `call_start_cpu1` 内）。

`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`。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`。

### 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、应用程序版本 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 esp_libc 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。

主任务的内核亲和性也是可以配置的，请参考 CONFIG_ESP_MAIN_TASK_AFFINITY。

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。

### APP CPU 的内核启动流程

APP CPU 的启动流程类似但更简单：

当运行系统初始化时，PRO CPU 上的代码会给 APP CPU 设置好入口地址，解除其复位状态，然后等待 APP CPU 上运行的代码设置一个全局标志，以表明 APP CPU 已经正常启动。 完成后，APP CPU 跳转到 components/esp_system/port/cpu_start.c 中的 `call_start_cpu1` 函数。

当 `start_cpu0` 函数对 PRO CPU 进行初始化的时候，APP CPU 运行 `start_cpu_other_cores` 函数。与 `start_cpu0` 函数类似，`start_cpu_other_cores` 函数是弱链接的，默认为 `start_cpu_other_cores_default` 函数，但可以由应用程序替换为不同的函数。

`start_cpu_other_cores_default` 函数做了一些与内核相关的系统初始化，然后等待 PRO CPU 启动 FreeRTOS 的调度器，启动完成后，它会执行 `esp_startup_start_app_other_cores` 函数，这是另一个默认为 `esp_startup_start_app_other_cores_default` 的弱链接函数。

默认情况下，`esp_startup_start_app_other_cores_default` 只会自旋，直到 PRO CPU 上的调度器触发中断，以启动 APP CPU 上的 RTOS 调度器。

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