# 应用程序的启动流程

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本文将会介绍 ESP32 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 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 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。

## 一级引导程序

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 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 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模式，否则会像软件 CPU 复位一样继续启动。请参考 ESP32 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。

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。

二级引导程序二进制镜像会从 flash 的 0x1000 偏移地址处加载。如果正在使用 安全启动，则 flash 的第一个 4 kB 扇区用于存储安全启动 IV 以及引导程序镜像的摘要，否则不使用该扇区。

## 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：

- 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。

请注意，二级引导程序同时为 PRO CPU 和 APP CPU 配置 flash MMU，但仅使能 PRO CPU 的 flash MMU。原因是二级引导程序代码已加载到 APP CPU 的高速缓存使用的内存区域中。因此使能 APP CPU 高速缓存的任务就交给了应用程序。

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`。

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。

- 根据应用程序头部设置重新配置主 SPI flash，这是为了与 ESP-IDF V4.0 之前的引导程序版本兼容，请参考 引导加载程序兼容性。

- 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 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 禁用 ESP32 V3 的 ROM 下载模式、CONFIG_ESP32_DISABLE_BASIC_ROM_CONSOLE）。

- 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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