介绍 ESP32-CAM 系统架构、内存地址、开机流程

介绍 ESP32-CAM 系统架构、内存地址、开机流程

ESP32-CAM 系统架构

因为 ESP32-CAM 内核是 ESP32，所以以下所有的说明来自 ESP32 技术参考手册。 ESP32 是一个双核系统，具有两个哈佛架构(Harvard Architecture) Xtensa LX6 CPU。所有嵌入式内存(embedded memory)，外部内存(external memory)和外围设备(peripherals)位于这些 CPU 的数据总线和/或指令总线上。

两个 CPU 的地址映射是对称的，这意味着它们使用相同的地址访问相同的内存。系统中的多个外设可以通过 DMA (Direct Memory Access 直接内存存取，以下简称 DMA) 访问嵌入式内存。

这两个 CPU 被命名为 “PRO_CPU” 和 “APP_CPU”（分别代表“协议(Protocol)”和“应用程序(Application”），但是，对于大多数用途而言，这两个 CPU 是可以互换的。

地址空间

• 对称地址映射
• 4 GB（32 位）地址空间用于数据总线和指令总线
• 1296 KB 嵌入式内存地址空间
• 19704 KB 外部内存地址空间
• 512 KB 外设地址空间
• 一些嵌入式和外部内存区域可以通过数据总线或指令总线访问
• 328 KB DMA 地址空间

嵌入式内存

• 448 KB 内部 ROM
• 520 KB 内部 SRAM
• 8 KB RTC (Real-Time Clock 实时时钟, 以下简称 RTC) 快速内存
• 8 KB RTC 慢内存

外部内存
片外(off-Chip) SPI (Serial Peripheral Interface串行外设接口, 以下简称 SPI）存储器可以映射到可用地址空间作为外部内存。部分的嵌入式内存可用作该外部内存的透明缓存。

• 支持高达 16 MB 的 off-Chip SPI 闪存 (Flash)。
• 支持高达 8 MB 的 off-Chip SPI SRAM (PSRAM)。

外围设备

• 41 个外设 (Peripherals)

直接存取

• 13 个模块能够进行 DMA 操作

常用存储器的介绍：

• 数据易失性的存储器：这类存储器读写速度较快，但是掉电后数据会丢失，在 SoC 设计中通常被用作数据缓存、程序缓存。常见的是随机存取存储器 (Random Access Memory, 以下简称 RAM) ，常见的种类有 DRAM (Dynamic RAM，动态 RAM)－需要实时刷新来保持数据，价格便宜，一般用于大容量产品；SRAM (Static RAM，静态RAM) －不需要刷新。速度快，面积大。；
• 数据非易失性存储器 (Non-Volatile Memory)：这类存储器读写速度比较慢，但是在掉电后数据不会丢失。因此，在 SoC 设计中可用作大数据的存储或者固件程序的存储。如 NAND/NOR flash，NOR flash 属于是可以随机访问的，是属于非易失性随机访问存储器 (Non-Volatile Random Access Memory, 以下简称 NVRAM）；NAND flash 属于顺序访问 （sequential access)。
• 新出现的存储器 PSRAM(pseudo SRAM)，称之为伪静态随机存取器。它具有 SRAM 的接口协议，但是它的内核架构却是 DRAM 架构；相较于传统的 SRAM ， PSRAM 可以实现较大的存储容量；

下图是 ESP32 系统架构图，PRO_CPU 和 APP_CPU 面对的是相同的地址空间，可以直接读取嵌入式内存与外围设备地址，而对于外部内存空间，需要透过快取 (Cache) 与内存管理单元 (Memory Management Unit, 以下简称 MMU) 才能进行存取。

图 01 ESP32 系统架构

图 02 ESP32 系统地址对应图

图 03 ESP32 系统地址对应表格

ESP32 启动流程

ESP32 从上电到运行 Micropython 中间所经历的启动流程步骤。

宏观上，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 (APP_CPU) 和 RTOS (PRO_CPU) 的调度器启动。

一级引导程序
ESP32 SoC (System on a Chip, 简称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。二级引导程序二进制镜像会从 flash 的 0x1000 偏移地址处加载。

二级引导程序
ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework, 以下简称 ESP-IDF) 是乐鑫官方推出的物联网开发框架，支持 Windows、Linux 和 macOS 操作系统。
下表总结了乐鑫芯片在 ESP-IDF 各版本中的支持状态，其中 supported 代表已支持，preview 代表目前处于预览支持状态。预览支持状态通常有时间限制，而且仅适用于测试版芯片。请确保使用与芯片相匹配的 ESP-IDF 版本。

表 01. ESP-IDF 各版本中的支持状态

使用 ESP-IDF 针对 ESP32 芯片所编译出来的二进制镜像，透过烧录软件(esptool.py)烧录到 flash 的 0x1000 偏移地址处，那个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（Over The Air, OTA）等功能。

图 04 ESP-IDF 的二级引导程序源码所在

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。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。

应用程序
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：

1. 端口初始化：端口层的初始化功能会初始化基本的 C 运行环境，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。
   • 初始化内部存储器。
   • 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。
   • 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 (APP_CPU) 并等待其初始化

2. 系统初始化：主要的系统初始化任务包括以下

   • 如果默认的日志级别允许，则记录该应用程序的相关信息。
   • 初始化堆分配器。
   • 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。
   • 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。

3. 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，主任务在固件中运行应用程序提供的函数 app_main。

APP CPU 的内核启动流程
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。

参考资料

• ESP32 Technical Reference Manual，https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_technical_reference_manual_en.pdf
• Xtensa LX6 Customizable DPU, https://mirrobo.ru/wp-content/uploads/2016/11/Cadence_Tensillica_Xtensa_LX6_ds.pdf
• ESP32 系列模组，https://www.espressif.com/zh-hans/products/modules/esp32
• 常用存储器(SRAM、DRAM、NVRAM、PSRAM)简单介绍, https://blog.csdn.net/houxiaoni01/article/details/124152941
• RTC唤醒是什么意思？如何操作？, https://zhidao.baidu.com/question/1900179422888970220.html
• 应用程序的启动流程，https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/latest/esp32/api-guides/startup.html
• Espressif IoT Development Framework, https://github.com/espressif/esp-idf
• FreeRTOS, https://github.com/FreeRTOS/FreeRTOS