# 在主机上运行 ESP-IDF 应用程序

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备注

在主机上运行 ESP-IDF 应用程序的功能仍处于试验阶段，无法保证 API 的稳定性。欢迎用户通过 ESP-IDF GitHub 仓库 或 ESP32 论坛 提供反馈意见，助力未来 ESP-IDF 基于主机的应用程序设计。

本文档概述了在 Linux 上运行 ESP-IDF 应用程序的方法，并介绍了可以在 Linux 上运行的常见 ESP-IDF 应用程序类型。

## 介绍

ESP-IDF 应用程序通常在主机上进行构建（交叉编译），然后上传（即烧录）到 ESP 芯片上运行，并由主机通过 UART/USB 端口监控。然而，在 ESP 芯片上运行 ESP-IDF 应用程序在各种开发/使用/测试场景下可能存在限制。

因此，ESP-IDF 支持在同一台 Linux 主机上构建和运行其应用程序。在主机上运行 ESP-IDF 应用程序具有以下几个优点：

- 无需上传到目标芯片。

- 应用程序在主机上的运行速度比在 ESP 芯片上快。

- 除主机本身外，无特定硬件要求。

- 更易进行软件测试的自动化和设置。

- 提供大量用于代码和运行分析的工具，如 Valgrind。

许多 ESP-IDF 组件依赖支持特定芯片的硬件，因此在主机上运行应用程序时，必须对这些硬件依赖文件进行模拟或仿真。目前，ESP-IDF 支持以下模拟和仿真方法：

1. 使用 FreeRTOS POSIX/Linux 模拟器 可以模拟 FreeRTOS 调度。在此模拟的基础上，在主机上运行应用程序时也会模拟或使用其他 API。

2. 使用 CMock 可以模拟所有依赖文件，并在完全独立的情况下运行代码。

注意，尽管名称中包含 POSIX/Linux，但目前的 FreeRTOS POSIX/Linux 模拟器也支持在 macOS 系统中运行。在主机上运行 ESP-IDF 应用程序通常用于测试，但模拟环境和模拟依赖文件并不能完全代表目标设备。因此，仍然需要在目标设备上测试，此时测试的侧重点通常在集成和系统测试上。

备注

在主机上运行应用程序的另一方法是使用 QEMU 模拟器，但 ESP-IDF 的 QEMU 模拟器仍在开发中，尚未发布相关文档。

### 基于 CMock 的模拟

该方法使用 CMock 框架解决缺少硬件和软件依赖文件的问题。在主机上运行基于 CMock 的应用程序具备一大优势：在主机上运行的应用程序通常只编译必要代码，即模拟了最主要代码的依赖文件，而非编译整个系统。有关 Mocks 的总体介绍及其在 ESP-IDF 的配置和使用，请参阅 Mocks。

### POSIX/Linux 模拟器的模拟

ESP-IDF 已支持使用 FreeRTOS POSIX/Linux 模拟器 预览应用程序在目标芯片上的运行效果。使用该模拟器可以在主机上运行 ESP-IDF 组件，并使这类组件可用于在主机上运行的 ESP-IDF 应用程序。目前，只有一部分组件可以在 Linux 上构建。此外，各组件移植到 Linux 上后，其功能可能也会受到限制，或与在芯片目标上构建该组件的功能有所不同。有关所需组件在 Linux 上是否受支持的更多信息，请参阅 组件 Linux/Mock 支持情况概述。

注意，该模拟器在控制和中断线程时大量依赖于 POSIX 信号和信号处理程序。因此，它具有以下 限制：

- 避免使用不是 async-signal-safe 的函数，例如 `printf()`。特别是，在多个优先级不同的任务中调用这些函数可能会导致崩溃和死锁。

- 不是由 FreeRTOS API 函数创建的线程，禁止从中调用任何 FreeRTOS 原语。

- 在 FreeRTOS 模拟器中，如果一个任务使用了像 `select()` 这样的原生阻塞或等待机制，模拟器可能会错误地将这些任务视为处于 就绪状态，然后尝试调度它们执行。实际上，这些任务可能仍然处于阻塞状态。FreeRTOS 对于那些使用了 FreeRTOS API 而被阻塞的任务，调度器只能识别出 等待状态。

- 当一个模拟的 FreeRTOS 任务调用可能被信号中断的 API 时，这些 API 将持续接收模拟的 FreeRTOS 时钟中断。因此，调用这些 API 的代码应设计为能够处理潜在的中断信号，或者通过链接器进行 API 的包装处理。

由于测试和开发过程会受到这些限制影响，我们期望寻找到更好的解决方案用于在主机上运行 ESP-IDF 应用程序。

此外，请注意，如果您使用的是 ESP-IDF 中的 FreeRTOS 模拟组件（`tools/mocks/freertos`），这些限制不会影响程序运行。但是，该模拟组件也无法执行任何调度。

## 使用模拟器的前提

- 已安装 ESP-IDF 及使用 ESP-IDF 的所有依赖项

- 满足系统软件包需求 (`libbsd`、`libbsd-dev`)

- Linux 或 macOS 和 GCC 编译器已更新至足够新的版本

- 应用程序所依赖的所有组件必须受 Linux 目标（Linux/POSIX 模拟器）支持，或可进行模拟

对于在 Linux 目标上运行的应用程序，需要在应用程序根目录的 CMakeLists.txt 文件中，设置 `COMPONENTS` 变量为 `main`，具体操作如下：

    set(COMPONENTS main)

为方便起见，应用程序会在构建过程中，自动包含 ESP-IDF 的所有组件，执行上述代码则可以防止此类情况。

如果使用了任意模拟器，则应设置变量 `Ruby`。

## 构建和运行

要在 Linux 上构建并运行应用程序，需要将目标芯片设置为 `linux`：

    idf.py --preview set-target linux
    idf.py build
    idf.py monitor

## 问题排查

应用程序是为主机编译的，因而可以用主机上的所有工具进行调试。例如，在 Linux 上可以使用 GDB 和 Valgrind。在没有连接调试器的情况下，定制了分段错误和中止信号的处理程序，为用户打印出更多信息，并提高与 ESP-IDF 工具的兼容性。

备注

以下功能绝不是应用程序在调试器中运行的替代方案。它们仅用于提供一些补充信息，例如，当在 CI/CD 系统中运行测试时，只收集应用程序日志。在大多数情况下，要追踪实际问题，请使用调试器复现问题。调试器会更加方便，例如，您无需将地址转换为行号。

### 分段错误

在 Linux 上，应用程序遇到分段错误时，会打印错误信息和基本的回溯。这些信息可以用于查找源代码中发生问题的行号。以下是 Hello-World 应用程序中发生分段错误的示例：

    ...
    Hello world!
    ERROR: Segmentation Fault, here's your backtrace:
    path/to/esp-idf/examples/get-started/hello_world/build/hello_world.elf(+0x2d1b)[0x55d3f636ad1b]
    /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(+0x3c050)[0x7f49f0e00050]
    path/to/esp-idf/examples/get-started/hello_world/build/hello_world.elf(+0x6198)[0x55d3f636e198]
    path/to/esp-idf/examples/get-started/hello_world/build/hello_world.elf(+0x5909)[0x55d3f636d909]
    path/to/esp-idf/examples/get-started/hello_world/build/hello_world.elf(+0x2c93)[0x55d3f636ac93]
    path/to/esp-idf/examples/get-started/hello_world/build/hello_world.elf(+0x484e)[0x55d3f636c84e]
    /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(+0x89134)[0x7f49f0e4d134]
    /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(+0x1097dc)[0x7f49f0ecd7dc]

注意，这些地址 (`+0x...`) 是相对的二进制地址，仍然需要转换为源代码行号（见下文）。

另外，回溯信息是由信号处理程序生成的，从回溯信息的第三行开始，才是问题发生的的堆栈帧，而最上面的两个堆栈帧不是导致错误的代码部分所以不重要。

    path/to/esp-idf/examples/get-started/hello_world/build/hello_world.elf(+0x6198)[0x55d3f636e198]

要检索源代码中的实际行，需要使用文件名和相对地址（如，此例中的 `+0x6198`）来调用工具 `addr2line`：

    $ addr2line -e path/to/esp-idf/examples/get-started/hello_world/build/hello_world.elf +0x6198
    path/to/esp-idf/components/esp_hw_support/port/linux/chip_info.c:13

现在，请使用主机上可用的详细调试工具进一步追踪问题。 有关 `addr2line` 及其调用方法的更多信息，请参见 addr2line 手册页。

### 异常中止

一旦调用了 `abort()`，将打印以下行：

    ERROR: Aborted

## 组件 Linux/Mock 支持情况概述

注意，下表中的“是”并不代表完全实现或模拟，它也可以表示功能的部分实现或模拟。实现或模拟通常只进行到可以提供足够功能、可以构建和运行测试应用程序的程度。

组件 | 模拟 | 仿真
--- | --- | ---
cmock | 否 | 是
driver | 是 | 否
esp_app_format | 否 | 是
esp_common | 否 | 是
esp_event | 是 | 是
esp_http_client | 否 | 是
esp_http_server | 否 | 是
esp_https_server | 否 | 是
esp_hw_support | 是 | 是
esp_netif | 是 | 是
esp_netif_stack | 否 | 是
esp_partition | 是 | 否
esp_rom | 否 | 是
esp_system | 否 | 是
esp_timer | 是 | 否
esp_tls | 是 | 否
fatfs | 否 | 是
freertos | 是 | 是
hal | 否 | 是
heap | 否 | 是
http_parser | 是 | 是
json | 否 | 是
linux | 否 | 是
log | 否 | 是
lwip | 是 | 是
mbedtls | 否 | 是
mqtt | 否 | 是
nvs_flash | 否 | 是
partition_table | 否 | 是
protobuf-c | 否 | 是
pthread | 否 | 是
soc | 否 | 是
spiffs | 否 | 是
spi_flash | 是 | 否
tcp_transport | 是 | 否
unity | 否 | 是

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