深入剖析esp32c3的系统底层启动

1.本文概述对于esp32的玩法，基本上定位都是做上层应用，乐鑫官方提供的ESP-IDF物联网开发框架已经十分的完善，做上层应用按照这套框架进行开发，完全不必了解底层的实现细节。作为一个深入研究riscv底层的爱好者来说，跳过ESP-IDF框架，直接像使用单片机一样去使用ESP32C3更加有意思。本文的目的就是理解ESP32C3的裸机开发流程，像玩单片机一样去使用这个riscv的mcu。

2.esp32c3分析对于esp32c3玩法，从玩家来看可能更加类似ESP8266，相比8266，可以做如下表格对比：

8266C366

cpuXtensaRISCV

时钟频率160MHz160MHz

WIFIIEEE 802.11 b/g/n;2.4GHz;HT20;up to 75 MbpsIEEE 802.11 b/g/n;2.4GHz;HT20;up to 150 Mbps

蓝牙N/ABluetooth LE v5.0

SRAM160 KB400KB

ROM0384KB

RTC ROM1KB8KB

简单对比一下，不难发现esp32的还是与8266有点类似，而从目前的信息来看，esp32c3芯片的定价也是基本上和8266差不多的。

玩esp32c3，除了可以学习riscv架构，也能够对底层系统的嵌入式编程有着更加深刻的理解。

3.esp32c3系统启动流程如果按照乐鑫ESP-IDF正常的启动流程来看，启动过程有三个阶段

bootloader第一阶段

该阶段主要是上电后，从ROM中运行，并且将bootloader第二阶段程序从flash的0x0地址偏移处搬运到RAM中。

SOC上电后，直接执行复位向量代码，通过检测GPIO_STRAP_REG的寄存器的状态来确定启动模式。

一般来说，有三种启动模式：

reset from deep sleep

这种启动模式就是系统从深度睡眠中被唤醒。

power up

上电启动

看门狗复位

bootloader第二阶段

该程序开始存放在flash的0x0地址处，其中的作用是从flash中加载分区表，并且决定启动的程序位置，对于OTA来说非常有用处。而且也有一些flash程序的解压或者压缩的代码，安全启动，以及 over-the-air updates（OTA）等等。然后将程序的数据段放到DROM，指令段放到DRAM中。

主程序启动

第二阶段启动后，加载主程序并且运行自己的程序的业务逻辑。主要的流程就是首先初始化C语言的执行环境，设置栈指针地址，运行FreeRTOS操作系统，然后运行main任务线程，执行app_main。用户自己在app_main中编写自己的逻辑。

4.分析esp32c3上的裸机程序目的是让esp32c3上电后直接启动我们自己编写的裸机程序，那么首先ROM中的程序是不能改变的。

https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32-c3_technical_reference_manual_cn.pdf

要写裸机代码，首先需要看懂技术手册，在芯片Boot控制的这一章节，有描述ESP32C3的启动一共有三个Strapping管脚GPIO2，GPIO8，GPIO9。

通过这个三个引脚的组合，可以控制boot模式。

启动模式GPIO2GPIO8GPIO9

SPI Boot 模式1x1

Download Boot模式110

对于SPI模式，又分为两种方式：

常规flash启动

这种模式支持安全启动，程序直接在RAM中。

直接启动方式

不支持安全启动，程序直接运行在flash中，默认使用这种方式时，需要将程序的bin文件的前两个字节（地址：0x42000000）为0xaebd041d。

而对于Download Boot模式，可以将UART0或者USB下载代码到flash中或者SRAM中，这样可以直接在SRAM中运行。

而本文的实验过程采用的是直接启动方式。

在编写裸机代码之前，首先来看一下memory map。

对于数据的布局如下

程序的链接脚本可设置如下：

MEMORY

{

irom （x）： org = 0x42000000， len = 0x400000

drom （r）： org = 0x3C000000， len = 0x400000

ram （rw）： org = 0x3FC80000， len = 0x50000

rtc_ram （rx）： org = 0x50000000， len = 0x2000

}

因为涉及到数据段和代码段的地址分离问题，当程序编译成一整个固件的时候，在flash中的存在形式就是一个elf格式的文件，通过内存的加载，将代码段，数据段分别放到IRAM和DRAM中，同时将栈指针地址，数据段，bss段指向ram中。这样就完成了裸机程序的布局。

接下来要开始构建裸机工程了。

5.esp32c3裸机工程的构建在自行构建裸机工程的时候，也参考一些国外工程师的一些代码，最后结合自己的理解，通过meson+ninja构建出属于自己的esp32c3裸机代码实验平台。

为什么不用cmake或者makefile，原因是makefile的跨平台效率不是很好，而且语法比较复杂，而cmake也比较慢，所以想到以后可能会到windows上开发，换一种高效简单的工程构建方式比较，就采用meson+ninja build。关于构建语法规则这里不做赘述。只介绍工程如何使用。

首先本文的环境只在Linux上环境下做编译，并在windows平台上下载程序。整个平台后期会完全在windows上进行开发。

1.从github上下载代码

git clone git@github.com:bigmagic123/esp32c3_bare_metal.git

该工程项目主要用于研究esp32c3裸机实验平台。

2.下载riscv交叉编译工具链

首先需要下载教程编译工具链。

https://github.com/xpack-dev-tools/riscv-none-embed-gcc-xpack/releases/tag/v10.1.0-1.1/

下载对应版本的riscv最新的交叉编译工具链即可。

3.设置gcc路径

直接修改esp32c3_bare_metal/example/cross.txt中的路径即可。

替换自己的编译路径即可。

4.编译程序

meson setup _build --cross-file cross.txt

cd _build

ninja

6.esp32c3裸机代码下载与运行首先需要下载python3。可以在windows系统上进行操作。

安装好后，可以输入pip install esptool。

下载完成后，esp32c3通过串口调试助手连接到电脑。

下载完成，可以通过esptool探测芯片ID。

通过下面的命令烧录并启动串口

esptool.py --port COM4 --baud 921600 write_flash 0x0000 demo.bin

python -m serial.tools.miniterm COM4 115200

如果退出，可以输出下面的命令

ctrl + ］

这样就可以将程序烧录到flash中了。

7.分析裸机驱动程序的编写编写裸机程序，在对于esp32c3的编程模型中，可以使用ROM的里面的程序进行设计。

其原理就是ROM中运行程序，每个函数都有特定的地址，只需要知道ROM函数对应的地址，就可以通过访问地址，从而访问函数。

在［esp-idf］（https://github.com/espressif/esp-idf）。

components/esp_rom/esp32c3/ld/esp32c3.rom.ld

其中定义了一些rom函数的地址，比如通过串口发送一个字节

uart_tx_one_char = 0x40000068;

其头文件

components/esp_rom/include/esp32c3/rom/uart.h

函数的定义

/**

* @brief Output a char to printf channel， wait until fifo not full.

*

* @param None

*

* @return OK.

*/

STATUS uart_tx_one_char（uint8_t TxChar）;

另外，也以通过编程手册进行操作寄存器的编程，这种难度稍微大一些。

https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32-c3_technical_reference_manual_cn.pdf

比如在定时器组（TIMG）的章节

在寄存器的控制寄存器，首先TIMG_T0_EN设置为1的时候，使能计数器。

对于ESP32C3的编程，首先配置一下寄存器，使能定时器。

然后可以通过UPDATE寄存器更新寄存器的值。

当使能定时器时，其值不断在增加/减少。每次需要读取数据的时候，需要将上述的31位写0或者1，才能去读T0LO寄存器。

其定时器的值为54位。这样就可以正常通过寄存器操作esp32c3定时器了。

8.总结esp32c3裸机编程，可以清楚的理解esp32的底层启动过程，完全当作单片机来使用。

关于wifi和蓝牙部分，使用rom中提供的函数地址，通过链接脚本和头文件的方式进行函数调用，这样非常方便，而大部分驱动编程则需要自己查询datasheet，操作外设对应的寄存器进行访问。

编辑：jq