USB 串行/JTAG 控制器控制台

[English]

ESP 芯片通常使用 UART 实现串口,并可以通过外部 USB-UART 桥接芯片,连接到主机/PC 上的串口控制台仿真器。然而,在具有 USB 串行/JTAG 控制器的 ESP 芯片上,控制器的 CDC-ACM 部分即可实现串口,该串口直接连接到主机/PC,不需要外部 USB-UART 桥接芯片。

拥有 USB 串行/JTAG 控制器时,ESP32-S3 支持以下功能:

  • 双向串行控制台,可与 IDF 监视器 或其他串行监视器一起使用。

  • 使用 esptool.pyidf.py flash 烧录。

  • 使用 OpenOCD 等工具进行 JTAG 调试,同时进行串行操作。

备注

USB 串行/JTAG 控制器是一个 USB 设备,其功能固定,完全由硬件实现。也就是说,即便重新配置,它也只能执行串口和 JTAG 调试功能。这不同于某些 ESP 芯片中的 USB OTG 控制器,后者经配置,可以执行多种 USB 设备功能。

硬件要求

将 ESP32-S3 连接到 USB 端口,连接方式如下:

GPIO

USB

20

D+(绿)

19

D-(白)

GND

GND(黑)

5V(或由外部提供)

+5V(红)

部分开发板可能会为 USB 串行/JTAG 控制器提供 USB 连接器,此时无需额外连接。

软件配置

CONFIG_ESP_CONSOLE_UART 选项中选择 CONFIG_ESP_CONSOLE_USB_SERIAL_JTAG,可以将 USB 串行/JTAG 控制器用作串口。选择该选项后,即可正常构建和烧录项目。

另外,也可以通过 usb_serial_jtag 端口访问输出,但请确保在 CONFIG_ESP_CONSOLE_SECONDARY 选项中选择了 CONFIG_ESP_CONSOLE_SECONDARY_USB_SERIAL_JTAG

警告

除输出外,如果还想用控制台输入或使用交互式解释器 (REPL),请选择 CONFIG_ESP_CONSOLE_USB_SERIAL_JTAG 选项。

上传应用程序

USB 串行/JTAG 控制器可以自动将 ESP32-S3 置于下载模式。用户只需正常烧录芯片,但需要在系统上指定 USB 串行/JTAG 控制器端口:idf.py flash -p PORTPORT 是正确的端口名称。

备注

USB 串行/JTAG 控制器的串行端口通常:

  • 在 Linux 系统上显示为 /dev/ttyACM*

  • 在 MAC 系统上显示为 /dev/cu*

  • 在 Windows 设备管理器上显示为 COM* 端口

限制

USB 串行/JTAG 控制台功能存在一些限制,这些限制的影响程度各不相同,具体取决于开发中的应用程序类型,以及开发的工作流程。

重新配置 USB 管脚

如果在意外情况下,应用程序重新配置了 USB 外设管脚,或禁用了 USB 串行/JTAG 控制器,设备会从系统消失。应用程序中的问题修复后,需要将 GPIO0 拉低,并重置芯片,手动将 ESP32-S3 置于下载模式。

如果应用程序进入 Deep-sleep 模式,USB 串行/JTAG 设备会从系统中消失。

数据缓冲

对于从 ESP32-S3 发送到 PC 终端的数据(例如 stdout、日志),ESP32-S3 会先写入一个小型内部缓冲区。如果该缓冲区达到最大容量(例如没有连接 PC 终端),ESP32-S3 会进行一次等待,时长约 50 ms。在此期间,PC 终端可以请求数据,但可能会导致应用程序出现非常短暂的暂停。

对于从 PC 终端发送到 ESP32-S3 的数据(如控制台命令),许多 PC 终端会等待 ESP32-S3 接收字节后,再允许发送更多数据。这与使用 USB 转串口 (URAT) 桥接芯片不同,URAT 桥接芯片始终接收字节,并将其发送到(可能未在监听)的 ESP32-S3。

睡眠模式考虑因素

USB 串行/JTAG 控制器及其关联的 USB PHY 均由特定时钟控制(如 APB 和 USB PHY 时钟),并属于特定的电源域(如数字电源域)。因此,对 USB 串行/JTAG 控制器关联的时钟和电源域进行任何更改,如进入另一睡眠模式,都可能影响控制器操作。

Deep-sleep

进入 Deep-sleep 模式时,USB 串行/JTAG 控制器及 USB PHY 关闭,导致 USB PHY 的 D+ 线不再变成高电平。因此:

  • 进入 Deep-sleep 模式时,USB 串行/JTAG 设备会对主机/PC 显示为断开连接。即使 USB 电缆在物理层面上处于连接状态,仍会显示为断开连接。

  • 退出 Deep-sleep 模式时,USB 串行/JTAG 设备会重新连接到主机/PC。

Light-sleep

进入 Light-sleep 模式时,APB 和 USB PHY 时钟关闭。因此,USB 串行/JTAG 控制器将无法接收或响应任何来自相连主机的 USB 事务,包括周期性的 CDC Data IN 事务。因此:

  • 进入 Light-sleep 模式时,USB 串行/JTAG 设备无法响应主机/PC 的 USB CDC 驱动程序。主机/PC 可能会报告 USB 串行/JTAG 设备已断开连接,或连接出错。即使 USB 电缆在物理层面上处于连接状态,仍会显示为断开连接。

  • 退出 Light-sleep 模式时,由于 USB PHY 的 D+ 线在 Light-sleep 期间始终处于高电平,可能导致主机/PC 不会重新枚举(即重新连接)USB 串行/JTAG 设备。用户可能需要在物理层面上断开 USB 电缆,并重新连接。

自动与手动进入睡眠模式

如果通过 esp_light_sleep_start()esp_deep_sleep_start() 手动进入睡眠模式,需注意,USB 串行/JTAG 控制器在睡眠期间不工作。ESP-IDF 没有添加任何拒绝进入睡眠的安全检查,即使 USB 串行/JTAG 控制器已连接,也会进入睡眠模式。如果在连接了 USB 串行/JTAG 控制器的情况下进入睡眠,可以通过拔出并重新插入 USB 电缆来重新建立连接。

如果通过 esp_pm_configure() 自动进入睡眠模式,请启用 CONFIG_USJ_NO_AUTO_LS_ON_CONNECTION 选项,该选项支持 ESP32-S3 自动检测 USB 串行/JTAG 控制器与主机的连接情况,并在连接持续时,阻止程序自动进入睡眠模式。注意,此选项会增加功耗。