# ULP FSM 协处理器编程

[English]

ULP（Ultra Low Power，超低功耗）协处理器是一种简单的有限状态机 (FSM)，可以在主处理器处于深度睡眠模式时，使用 ADC、温度传感器和外部 I2C 传感器执行测量操作。ULP 协处理器可以访问 `RTC_SLOW_MEM` 内存区域及 `RTC_CNTL`、`RTC_IO`、`SARADC` 外设中的寄存器。ULP 协处理器使用 32 位固定宽度的指令，32 位内存寻址，配备 4 个 16 位通用寄存器。在 ESP-IDF 中，此协处理器被称作 `ULP FSM`。

ESP32-S2 基于 RISC-V 指令集架构提供另一种 ULP 协处理器。关于 `ULP RISC-V` 的详细信息，请参考 ULP-RISC-V Coprocessor。

## 安装工具链

ULP FSM 协处理器代码由汇编语言编写，使用 binutils-esp32ulp 工具链 进行编译。

按照 快速入门指南 的步骤配置 ESP-IDF 及其 CMake 构建系统时，默认安装 ULP FSM 工具链。

## 编写 ULP FSM

使用受支持的指令集即可编写 ULP FSM 协处理器，此外也可使用主处理器上的 C 语言宏进行编程。以下小节分别介绍了这两种方法：

- ESP32-S2 ULP 指令集参考
- 使用宏进行编程（旧版方法）

## 编译 ULP 代码

要将 ULP FSM 代码作为某组件的一部分进行编译，须执行以下步骤：

1. 用汇编语言编写的 ULP FSM 代码必须写入到一个或多个 `.S` 扩展文件中，且这些文件必须放在组件目录下的一个独立子目录中，例如 `ulp/`。

备注

在注册组件（通过 `idf_component_register`）时，不应将该目录添加到 `SRC_DIRS` 参数中，因为 ESP-IDF 构建系统会根据文件扩展名来编译 `SRC_DIRS` 中包含的文件。对于 `.S` 文件，将使用 `xtensa-esp32s2-elf-as` 汇编器进行编译，但这并不适用于 ULP FSM 汇编文件。因此，区分这类文件最简单的方式就是将 ULP FSM 汇编文件放到单独的目录中。同样，ULP FSM 汇编源文件也 不应该 添加到 `SRCS` 中。请参考如下步骤，查看如何正确添加 ULP FSM 汇编源文件。

2. 注册后从组件 CMakeLists.txt 中调用 `ulp_embed_binary`。示例如下:

       ...
       idf_component_register()

       set(ulp_app_name ulp_${COMPONENT_NAME})
       set(ulp_s_sources ulp/ulp_assembly_source_file.S)
       set(ulp_exp_dep_srcs "ulp_c_source_file.c")

       ulp_embed_binary(${ulp_app_name} "${ulp_s_sources}" "${ulp_exp_dep_srcs}" TYPE fsm)

`ulp_embed_binary` 的第一个参数用于指定 ULP FSM 二进制文件的名称，该名称也用于生成的其他文件，如：ELF 文件、.map 文件、头文件和链接器导出文件。第二个参数指定 ULP FSM 汇编源文件。第三个参数指定组件源文件列表，这些源文件中会包含要生成的头文件。此列表用于建立正确的依赖项，并确保在编译这些文件之前先创建生成的头文件。第四个参数 `TYPE` 为可选项，但在 menuconfig 的 `ULP Coprocessor types` 中同时勾选 `CONFIG_ULP_COPROC_TYPE_FSM` 与 `CONFIG_ULP_COPROC_TYPE_RISCV` 时，必须填写为 `TYPE fsm` 才能使用 FSM 工具链编译。有关 ULP FSM 应用程序生成的头文件等相关概念，请参考下文。

在这个生成的头文件中，ULP 代码中的变量默认以 `ulp_` 作为前缀。

如果需要嵌入多个 ULP 程序，可以添加自定义前缀，以避免变量名冲突，如下所示：

    idf_component_register()

    set(ulp_app_name ulp_${COMPONENT_NAME})
    set(ulp_sources "ulp/ulp_c_source_file.c" "ulp/ulp_assembly_source_file.S")
    set(ulp_exp_dep_srcs "ulp_c_source_file.c")

    ulp_embed_binary(${ulp_app_name} "${ulp_sources}" "${ulp_exp_dep_srcs}" PREFIX "ULP::")

最后的 PREFIX 参数可以是 C 语言风格命名的前缀（如 `ulp2_`）或 C++ 风格命名的前缀（如 `ULP::`）。

3. 继续使用常规方法（例如 `idf.py app`）编译应用程序。

   > 在内部，构建系统将按照以下步骤编译 ULP FSM 程序：

   > 1. 通过 C 预处理器运行每个程序集文件 (foo.S)。 此步骤在组件编译目录中生成预处理的汇编文件 (foo.ulp.S)，同时生成依赖文件 (foo.ulp.d)。

   > 2. 通过汇编器运行预处理过的汇编源码。 此步骤会生成目标文件 (foo.ulp.o) 和清单 (foo.ulp.lst)。清单文件仅用于调试，不用于编译进程的后续步骤。

   > 3. 通过 C 预处理器运行链接器脚本模板。 模板位于 `components/ulp/ld` 目录中。

   > 4. 将目标文件链接到 ELF 输出文件 (`ulp_app_name.elf`)。此步骤生成的 .map 文件 (`ulp_app_name.map`) 默认用于调试。

   > 5. 将 ELF 文件中的内容转储为二进制文件 (`ulp_app_name.bin`)，以便嵌入到应用程序中。

   > 6. 使用 `esp32ulp-elf-nm` 从 ELF 文件中 生成全局符号列表 (`ulp_app_name.sym`)。

   > 7. 创建 LD 导出脚本和头文件 （`ulp_app_name.ld` 和 `ulp_app_name.h`），包含来自 `ulp_app_name.sym` 的符号。此步骤使用 `esp32ulp_mapgen.py` 工具来完成。

   > 8. 将生成的二进制文件添加到要嵌入应用程序的二进制文件列表中。

## 访问 ULP FSM 程序变量

在 ULP FSM 程序中定义的全局符号也可以在主程序中使用。

例如，ULP FSM 程序可以定义 `measurement_count` 变量，此变量可以定义程序从深度睡眠中唤醒芯片之前需要进行的 ADC 测量的次数:

                            .global measurement_count
    measurement_count:      .long 0

                            // later, use measurement_count
                            move r3, measurement_count
                            ld r3, r3, 0

主程序需要在启动 ULP 程序之前初始化该 `measurement_count` 变量，构建系统通过生成定义 ULP 编程中全局符号的 `${ULP_APP_NAME}.h` 和 `${ULP_APP_NAME}.ld` 文件实现上述操作。在 ULP 程序中定义的所有全局符号都包含在这两个文件中，且都以 `ulp_` 开头。

头文件包含对此类符号的声明:

    extern uint32_t ulp_measurement_count;

注意，所有符号（包括变量、数组、函数）均被声明为 `uint32_t`。对于函数和数组，先获取符号地址，然后转换为适当的类型。

生成的链接器脚本文件定义了 RTC_SLOW_MEM 中的符号位置:

    PROVIDE ( ulp_measurement_count = 0x50000060 );

如果要从主程序访问 ULP 程序变量，应先使用 `include` 语句包含生成的头文件，这样，就可以像访问常规变量一样访问 ulp 程序变量。操作如下:

    #include "ulp_app_name.h"

    // later
    void init_ulp_vars() {
        ulp_measurement_count = 64;
    }

    printf("Last measurement value: %d\n", ulp_last_measurement & UINT16_MAX);

## 启动 ULP FSM 程序

要运行 ULP FSM 程序，主应用程序需要调用 `ulp_load_binary()` 函数将 ULP 程序加载到 RTC 内存中，然后调用 `ulp_run()` 函数，启动 ULP 程序。

注意，在 menuconfig 中必须启用 `Enable Ultra Low Power (ULP) Coprocessor` 选项才能使用 ULP。要选择 ULP 的 FSM 类型，请进入 menu 选项 `ULP Coprocessor types` 并勾选 `CONFIG_ULP_COPROC_TYPE_FSM`。`RTC slow memory reserved for coprocessor` 选项设置的值必须足够储存 ULP 代码和数据。如果应用程序组件包含多个 ULP 程序，则 RTC 内存必须足以容纳最大的程序。

每个 ULP 程序均以二进制 BLOB 的形式嵌入到 ESP-IDF 应用程序中。应用程序可以引用此 BLOB，并以下面的方式加载此 BLOB（假设 ULP_APP_NAME 已被定义为 `ulp_app_name`）:

    extern const uint8_t bin_start[] asm("_binary_ulp_app_name_bin_start");
    extern const uint8_t bin_end[]   asm("_binary_ulp_app_name_bin_end");

    void start_ulp_program() {
        ESP_ERROR_CHECK( ulp_load_binary(
            0 // load address, set to 0 when using default linker scripts
            bin_start,
            (bin_end - bin_start) / sizeof(uint32_t)) );
    }

一旦上述程序加载到 RTC 内存后，应用程序即可将入口点的地址传递给 `ulp_run` 函数，以启动此程序:

    ESP_ERROR_CHECK( ulp_run(&ulp_entry - RTC_SLOW_MEM) );

入口点符号的声明来自上述生成的头文件 `${ULP_APP_NAME}.h`。在 ULP FSM 应用程序的汇编源代码中，此符号必须标记为 `.global`:

            .global entry
    entry:
            // code starts here

## ESP32-S2 ULP 程序流

ESP32-S2 ULP 协处理器由定时器启动，调用 `ulp_run()` 则可启动此定时器。定时器为 RTC_SLOW_CLK 的 Tick 事件计数（默认情况下，Tick 由内部 90 KHz RC 振荡器生成）。使用 `RTC_CNTL_ULP_CP_TIMER_1_REG` 寄存器设置 Tick 数值。

此应用程序可以调用 `ulp_set_wakeup_period()` 函数来设置 ULP 定时器周期值。

一旦定时器计数到 `RTC_CNTL_ULP_CP_TIMER_1_REG` 寄存器设定的 Tick 数值，ULP 协处理器就会启动，并调用 `ulp_run()` 的入口点开始运行程序。

程序保持运行，直到遇到 `halt` 指令或非法指令。一旦程序停止，ULP 协处理器电源关闭，定时器再次启动。

如果想禁用定时器（有效防止 ULP 程序再次运行），可在 ULP 代码或主程序中清除 `RTC_CNTL_ULP_CP_TIMER_REG` 寄存器中的 `RTC_CNTL_ULP_CP_SLP_TIMER_EN` 位。

## 应用示例

- system/ulp/ulp_fsm/ulp 展示了主处理器运行其他代码或处于 Deep-sleep 状态时，使用 ULP FSM 协处理器对 IO 脉冲进行计数，脉冲计数会在唤醒时保存到 NVS 中。

- system/ulp/ulp_fsm_riscv_combined/counter 展示了如何在同一个应用程序中依次使用 ULP FSM 和 ULP RISC-V 协处理器：使用 FSM 从 0 计数到 100，再使用 RISC-V 协处理器从 100 计数到 500。期间，HP 内核保持休眠模式，直到计数完成。

## API 参考

### Header File

- components/ulp/ulp_fsm/include/ulp_fsm_common.h

- This header file can be included with:

  >     #include "ulp_fsm_common.h"

- This header file is a part of the API provided by the `ulp` component. To declare that your component depends on `ulp`, add the following to your CMakeLists.txt:

  >     REQUIRES ulp

  > or

  >     PRIV_REQUIRES ulp

### Functions

esp_err_t ulp_isr_register(intr_handler_t fn, void *arg)

  Register ULP wakeup signal ISR.

  备注

  The ISR routine will only be active if the main CPU is not in deepsleep

  参数:

    - fn -- ISR callback function

    - arg -- ISR callback function arguments

  返回:

    - ESP_OK on success

    - ESP_ERR_INVALID_ARG if callback function is NULL

    - ESP_ERR_NO_MEM if heap memory cannot be allocated for the interrupt

esp_err_t ulp_isr_deregister(intr_handler_t fn, void *arg)

  Deregister ULP wakeup signal ISR.

  参数:

    - fn -- ISR callback function

    - arg -- ISR callback function arguments

  返回:

    - ESP_OK on success

    - ESP_ERR_INVALID_ARG if callback function is NULL

    - ESP_ERR_INVALID_STATE if a handler matching both callback function and its arguments isn't registered

esp_err_t ulp_process_macros_and_load(uint32_t load_addr, const ulp_insn_t *program, size_t *psize)

  Resolve all macro references in a program and load it into RTC memory.

  参数:

    - load_addr -- address where the program should be loaded, expressed in 32-bit words

    - program -- ulp_insn_t array with the program

    - psize -- size of the program, expressed in 32-bit words

  返回:

    - ESP_OK on success

    - ESP_ERR_NO_MEM if auxiliary temporary structure can not be allocated

    - one of ESP_ERR_ULP_xxx if program is not valid or can not be loaded

esp_err_t ulp_load_binary(uint32_t load_addr, const uint8_t *program_binary, size_t program_size)

  Load ULP program binary into RTC memory.

  ULP program binary should have the following format (all values little-endian):

  1. MAGIC, (value 0x00706c75, 4 bytes)

  2. TEXT_OFFSET, offset of .text section from binary start (2 bytes)

  3. TEXT_SIZE, size of .text section (2 bytes)

  4. DATA_SIZE, size of .data section (2 bytes)

  5. BSS_SIZE, size of .bss section (2 bytes)

  6. (TEXT_OFFSET - 12) bytes of arbitrary data (will not be loaded into RTC memory)

  7. .text section

  8. .data section

  Linker script in components/ulp/ld/esp32.ulp.ld produces ELF files which correspond to this format. This linker script produces binaries with load_addr == 0.

  参数:

    - load_addr -- address where the program should be loaded, expressed in 32-bit words

    - program_binary -- pointer to program binary

    - program_size -- size of the program binary

  返回:

    - ESP_OK on success

    - ESP_ERR_INVALID_ARG if load_addr is out of range

    - ESP_ERR_INVALID_SIZE if program_size doesn't match (TEXT_OFFSET + TEXT_SIZE + DATA_SIZE)

    - ESP_ERR_NOT_SUPPORTED if the magic number is incorrect

esp_err_t ulp_run(uint32_t entry_point)

  Run the program loaded into RTC memory.

  参数:

    entry_point -- entry point, expressed in 32-bit words

  返回:

    ESP_OK on success

### Macros

ESP_ERR_ULP_BASE

  Offset for ULP-related error codes

ESP_ERR_ULP_SIZE_TOO_BIG

  Program doesn't fit into RTC memory reserved for the ULP

ESP_ERR_ULP_INVALID_LOAD_ADDR

  Load address is outside of RTC memory reserved for the ULP

ESP_ERR_ULP_DUPLICATE_LABEL

  More than one label with the same number was defined

ESP_ERR_ULP_UNDEFINED_LABEL

  Branch instructions references an undefined label

ESP_ERR_ULP_BRANCH_OUT_OF_RANGE

  Branch target is out of range of B instruction (try replacing with BX)

### Type Definitions

typedef union ulp_insn ulp_insn_t

### Header File

- components/ulp/ulp_common/include/ulp_common.h

- This header file can be included with:

  >     #include "ulp_common.h"

- This header file is a part of the API provided by the `ulp` component. To declare that your component depends on `ulp`, add the following to your CMakeLists.txt:

  >     REQUIRES ulp

  > or

  >     PRIV_REQUIRES ulp

### Functions

esp_err_t ulp_set_wakeup_period(size_t period_index, uint32_t period_us)

  Set one of ULP wakeup period values.

  ULP coprocessor starts running the program when the wakeup timer counts up to a given value (called period). There are 5 period values which can be programmed into SENS_ULP_CP_SLEEP_CYCx_REG registers, x = 0..4 for ESP32, and one period value which can be programmed into RTC_CNTL_ULP_CP_TIMER_1_REG register for ESP32-S2/S3. By default, for ESP32, wakeup timer will use the period set into SENS_ULP_CP_SLEEP_CYC0_REG, i.e. period number 0. ULP program code can use SLEEP instruction to select which of the SENS_ULP_CP_SLEEP_CYCx_REG should be used for subsequent wakeups.

  However, please note that SLEEP instruction issued (from ULP program) while the system is in deep sleep mode does not have effect, and sleep cycle count 0 is used.

  For ESP32-S2/S3 the SLEEP instruction not exist. Instead a WAKE instruction will be used.

  备注

  The ULP FSM requires two clock cycles to wakeup before being able to run the program. Then additional 16 cycles are reserved after wakeup waiting until the 8M clock is stable. The FSM also requires two more clock cycles to go to sleep after the program execution is halted. The minimum wakeup period that may be set up for the ULP is equal to the total number of cycles spent on the above internal tasks. For a default configuration of the ULP running at 150kHz it makes about 133us.

  参数:

    - period_index -- wakeup period setting number (0 - 4)

    - period_us -- wakeup period, us

  返回:

    - ESP_OK on success

    - ESP_ERR_INVALID_ARG if period_index is out of range

void ulp_timer_stop(void)

  Stop the ULP timer.

  备注

  This will stop the ULP from waking up if halted, but will not abort any program currently executing on the ULP.

void ulp_timer_resume(void)

  Resume the ULP timer.

  备注

  This will resume an already configured timer, but does no other configuration

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