小贴士

1. ESP32内部有一部分ROM,存放着第一级引导程序。这个做法和很多处理器一致。

启动流程

1. ROM中的第一级引导加载程序将闪存偏移0x1000的第二级引导加载程序(4K偏移,bootloader.bin)加载到RAM(IRAM和DRAM)。

2. 第二级引导程序从闪存加载分区表和主应用程序映像(64K偏移,hello-world.bin)。 主应用程序包含RAM段和通过闪存缓存映射的只读段。

3. 主应用程序图像执行。 此时可以启动第二个CPU和RTOS调度程序。

第一阶段(芯片内部ROM自动完成)

ESP32内有两个对称的CPU,分别叫PRO CPU和APP CPU,芯片上电复位后,PRO CPU将立即开始运行,执行复位向量代码,而APP CPU保持复位。启动过程中,PRO CPU执行所有初始化。复位向量始终位于ESP32芯片掩码ROM中的地址0x40000400,不能修改。

复位向量代码通过检查GPIO_STRAP_REG寄存器(与Bootstrap引脚有关)来确定引导模式。

GPIO_STRAP_REG[5:0]的BIT5到BIT0分别对应MTDI,GPIO0,GPIO2,GPIO4,MTDO,GPIO5。

还记得之前教程里的BOOTSTRAP图么,就是这么回事。

如果是正常启动模式,则加载0x1000(4K)偏移的bootloader,而如果是下载模式,那么就进入串口下载状态。

第二阶段(SPI FLASH中4K偏移存放的Bootloader)

在ESP-IDF中,闪存中位于0x1000位置的二进制映像是bootloader,源码在esp-idf/components/bootloader目录中。 ESP-IDF中使用两级boot的方法主要是用来增加灵活性,方便扩展闪存加密,安全引导和空中更新(OTA)相关的各种功能。

Bootloader会读取偏移0x8000处的分区表找到Factory数据和OTA分区,并根据在OTA信息分区中找到的数据来决定哪一个进行引导。

简单看一下bootloader中的关键代码

void bootloader_main()
{
	/* 必要的外设配置 */
	clock_configure();
    uart_console_configure();
    wdt_reset_check();
    ESP_LOGI(TAG, "ESP-IDF %s 2nd stage bootloader", IDF_VER);
    /* 关闭看门狗 */
    REG_CLR_BIT( RTC_CNTL_WDTCONFIG0_REG, RTC_CNTL_WDT_FLASHBOOT_MOD_EN );
    REG_CLR_BIT( TIMG_WDTCONFIG0_REG(0), TIMG_WDT_FLASHBOOT_MOD_EN );
	/* 打印FLASH信息 */
    print_flash_info(&fhdr);
	/* 读取分区表 */
    if (!load_partition_table(&bs)) {
        ESP_LOGE(TAG, "load partition table error!");
        return;
    }
	/* 加载分区表中的APP数据 */
	esp_image_metadata_t image_data;
    if (!load_boot_image(&bs, boot_index, &image_data)) {
        return;
    }
    /* 将加载的段复制到RAM,为映射段设置高速缓存,并启动应用程序 */
    unpack_load_app(&image_data);
}
应用程序阶段(运行64K偏移地址存放的hello-world.bin)

在这之前ESP32还通过PRO CPU运行,而APP CPU处于复位状态。PRO CPU运行到了components/esp32/cpu_start.c代码中的call_start_cpu0函数,启用堆分配器后释放APP CPU的复位状态,APP CPU会直接运行到start_cpu1函数等待调度。

当PRO CPU在start_cpu0功能中进行初始化时,APP CPU在start_cpu1功能中旋转,等待在PRO CPU上启动调度程序。一旦在PRO CPU上启动了调度程序,APP CPU上的代码也启动了调度程序。

到这里基本上清楚了,从一上电到FreeRTOS调度,都是PRO CPU在运行,最后把APP CPU的环境准备好后,让APP CPU也参与调度,这就是双核的好处。比如20个任务,如果仅有1个CPU,那么它要处理20个任务。如果两个CPU,那每个CPU仅处理10个任务即可。

完整的启动LOG(可以从源码中对照打印内容来分析这份log)
ets Jun  8 2016 00:22:57
rst:0x1 (POWERON_RESET),boot:0x13 (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
ets Jun  8 2016 00:22:57
rst:0x10 (RTCWDT_RTC_RESET),boot:0x13 (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
configsip: 0, SPIWP:0xee
clk_drv:0x00,q_drv:0x00,d_drv:0x00,cs0_drv:0x00,hd_drv:0x00,wp_drv:0x00
mode:DIO, clock div:2
load:0x3fff0010,len:4
load:0x3fff0014,len:5404
load:0x40078000,len:0
load:0x40078000,len:12028
entry 0x40078f24
I (45) boot: ESP-IDF v3.0-dev-265-g969f1bb9 2nd stage bootloader
I (45) boot: compile time 16:21:50
I (78) boot: Enabling RNG early entropy source...
I (78) boot: SPI Speed      : 40MHz
I (78) boot: SPI Mode       : DIO
I (88) boot: SPI Flash Size : 16MB
I (101) boot: Partition Table:
I (112) boot: ## Label            Usage          Type ST Offset   Length
I (135) boot:  0 nvs              WiFi data        01 02 00009000 00006000
I (158) boot:  1 phy_init         RF data          01 01 0000f000 00001000
I (182) boot:  2 factory          factory app      00 00 00010000 00100000
I (205) boot: End of partition table
I (218) esp_image: segment 0: paddr=0x00010020 vaddr=0x3f400020 size=0x077b0 ( 30640) map
I (279) esp_image: segment 1: paddr=0x000177d8 vaddr=0x3ffb0000 size=0x02d84 ( 11652) load
I (293) esp_image: segment 2: paddr=0x0001a564 vaddr=0x40080000 size=0x00400 (  1024) load
0x40080000: _iram_start at ??:?
 
I (302) esp_image: segment 3: paddr=0x0001a96c vaddr=0x40080400 size=0x056a4 ( 22180) load
I (356) esp_image: segment 4: paddr=0x00020018 vaddr=0x400d0018 size=0x263a8 (156584) map
0x400d0018: _flash_cache_start at ??:?
 
I (524) esp_image: segment 5: paddr=0x000463c8 vaddr=0x40085aa4 size=0x0d234 ( 53812) load
0x40085aa4: prvProcessTimerOrBlockTask at /Users/mango/ESP/esp-idf/components/freertos/./timers.c:466
 
I (593) esp_image: segment 6: paddr=0x00053604 vaddr=0x400c0000 size=0x00000 (     0) load
I (627) boot: Loaded app from partition at offset 0x10000
I (628) boot: Disabling RNG early entropy source...
I (629) cpu_start: Pro cpu up.
I (640) cpu_start: Starting app cpu, entry point is 0x40080dec
0x40080dec: call_start_cpu1 at /Users/mango/ESP/esp-idf/components/esp32/./cpu_start.c:192
 
I (0) cpu_start: App cpu up.
I (673) heap_init: Initializing. RAM available for dynamic allocation:
I (693) heap_init: At 3FFAE2A0 len 00001D60 (7 KiB): DRAM
I (712) heap_init: At 3FFB66C0 len 00029940 (166 KiB): DRAM
I (731) heap_init: At 3FFE0440 len 00003BC0 (14 KiB): D/IRAM
I (751) heap_init: At 3FFE4350 len 0001BCB0 (111 KiB): D/IRAM
I (770) heap_init: At 40092CD8 len 0000D328 (52 KiB): IRAM
I (790) cpu_start: Pro cpu start user code
I (848) cpu_start: Starting scheduler on PRO CPU.
I (191) cpu_start: Starting scheduler on APP CPU.
Hello world!
This is ESP32 chip with 2 CPU cores, WiFi/BT/BLE, silicon revision 0, 16MB external flash
Restarting in 10 seconds...
扩展参考
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