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淺析Zephyr在ESP32上的啟動(dòng)流程

ZephyrProject ? 來源:開源中國(guó) ? 作者:HalfCoder ? 2021-06-07 17:04 ? 次閱讀

理解Zephyr在一款soc上的啟動(dòng)流程,有利于分析和調(diào)試開機(jī)過程卡死,驅(qū)動(dòng)異常等的問題。因此在上手一款新的soc時(shí)掌握Zephyr在其上面的啟動(dòng)流程非常必要。本文對(duì)Zephyr在ESP32上的啟動(dòng)流程進(jìn)行分析,說明ESP32從上電開始如何執(zhí)行到Zephyr應(yīng)用的main函數(shù)。

Zephyr支持兩種ESP32引導(dǎo)方式:

配置CONFIG_BOOTLOADER_ESP_IDF=n:ROM Boot -》 Zephyr

配置CONFIG_BOOTLOADER_ESP_IDF=y. ROM Boot -》 ESP32 Bootloader -》 Zephyr

本文只分析CONFIG_BOOTLOADER_ESP_IDF=y的流程,在該流程理解另一種也類似,在CONFIG_BOOTLOADER_ESP_IDF=n的情況下相當(dāng)于是在ESP32的bootloader處放了一個(gè)zephyr應(yīng)用。

ESP32下Zephyr是被當(dāng)作ESP32的APP被引導(dǎo),因此有必要簡(jiǎn)單了解ESP32的啟動(dòng)流程

ESP32啟動(dòng)階段

ESP32是雙核CPU,其中cpu0叫做PRO CPU, cpu1叫做APP CPU,啟動(dòng)流程如下:

SOC上電, PRO CPU開始運(yùn)行,跳到ROM 0x40000400 處復(fù)位向量代碼處執(zhí)行

在PRO CPU上運(yùn)行ROM上一級(jí)引導(dǎo)代碼從Flash的0x1000讀出二級(jí)引導(dǎo)程序加載到內(nèi)部IRAM

跳轉(zhuǎn)到內(nèi)部IRAM上二級(jí)引導(dǎo)程序執(zhí)行

二級(jí)引導(dǎo)程序從 Flash 的 0x8000 偏移地址處讀取分區(qū)表, 從分區(qū)表中讀到APP的信息

二級(jí)引導(dǎo)程序?qū)ephyr數(shù)據(jù)和代碼段復(fù)制到DRAM和IRAM。對(duì)于Zephyr內(nèi)一些加載地址位于DROM和IROM區(qū)域的段,通過配置 Flash MMU 為其提供正確的映射。

二級(jí)引導(dǎo)程序會(huì)從Zephyr二進(jìn)制鏡像文件的頭部尋找的入口地址,然后跳轉(zhuǎn)到該地址處運(yùn)行。

以上流程中1~3是已經(jīng)被固化到ESP32的ROM中無法修改,4~6是由modules/hal/espressif/components/bootloader完成,可以做定制修改,但一般不修改。以上1~6都是在PRO CPU中執(zhí)行。

Zephyr的入口地址就是函數(shù)__start,第六步后就會(huì)跳轉(zhuǎn)到__start中執(zhí)行

Zephyr階段

Zephyr階段運(yùn)行到main主要步驟:__start-》z_cstart-》bg_thread_main-》main

__start

文件位置zephyr/soc/xtensa/esp32/soc.c, 主要完成下面內(nèi)容:

搬移中斷向量表

初始化bss段

關(guān)閉中斷

確保APP CPU沒有運(yùn)行(將在后面SMP初始化階段打開)

代碼摘要如下

void __attribute__((section(“.iram1”))) \_\_start(void)

{

//搬移中斷向量表

__asm__ __volatile__ (

“wsr %0, vecbase”

: “r”(&_init_start));

//BSS段初始化

(void)memset(&_bss_start, 0,

(&_bss_end - &_bss_start) * sizeof(_bss_start));

__asm__ __volatile__ (

“”

: “g”(&_bss_start)

: “memory”);

//關(guān)閉中斷

__asm__ __volatile__ (

“wsr %0, PS”

: “r”(PS_INTLEVEL(XCHAL_EXCM_LEVEL) | PS_UM | PS_WOE));

//關(guān)閉APP CPU

*app_cpu_config_reg &= ~DPORT_APPCPU_CLKGATE_EN;

//初始化cpu指針

__asm__ volatile(“wsr.MISC0 %0; rsync” : : “r”(&_kernel.cpus[0]));

//開始zephyr初始化

z_cstart();

CODE_UNREACHABLE;

}

是否發(fā)現(xiàn)跳到zephyr的__start是一個(gè)C函數(shù),但之前Zephyr并沒有做C堆棧(SP指針)初始化?這是因?yàn)樵贓SP32的bootloader階段已經(jīng)做了,Zephyr無需再做。

z_cstart

主要完成kernel初始化,PRE_KERNEL_1和PRE_KERNEL_2級(jí)別的驅(qū)動(dòng)初始化,然后啟動(dòng)main thread:bg_thread_main,剩下的其它初始化和應(yīng)用程序的main都在bg_thread_main中。

代碼摘要如下

__boot_func

FUNC_NORETURN void z_cstart(void)

{

//架構(gòu)相關(guān)的內(nèi)核初始化

arch_kernel_init();

// static devices初始化

z_device_state_init();

//初始化PRE_KERNEL_1和PRE_KERNEL_2驅(qū)動(dòng),大多都是硬件相關(guān)

z_sys_init_run_level(_SYS_INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_1);

z_sys_init_run_level(_SYS_INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_2);

//創(chuàng)建并切換到main thread運(yùn)行

switch_to_main_thread(prepare_multithreading());

CODE_UNREACHABLE; /* LCOV_EXCL_LINE */

}

__boot_func

static char *prepare_multithreading(void)

{

char *stack_ptr;

//初始化OS調(diào)度器

z_sched_init();

//創(chuàng)建main thread

stack_ptr = z_setup_new_thread(&z_main_thread, z_main_stack,

CONFIG_MAIN_STACK_SIZE, bg_thread_main,

NULL, NULL, NULL,

CONFIG_MAIN_THREAD_PRIORITY,

K_ESSENTIAL, “main”);

//將main thread加入到就緒態(tài)

z_mark_thread_as_started(&z_main_thread);

z_ready_thread(&z_main_thread);

//為每顆CPU 創(chuàng)建idle thread

for (int i = 0; i 《 CONFIG_MP_NUM_CPUS; i++) {

init_idle_thread(i);

_kernel.cpus[i].idle_thread = &z_idle_threads[i];

_kernel.cpus[i].id = i;

_kernel.cpus[i].irq_stack =

(Z_KERNEL_STACK_BUFFER(z_interrupt_stacks[i]) +

K_KERNEL_STACK_SIZEOF(z_interrupt_stacks[i]));

}

initialize_timeouts();

return stack_ptr;

}

main thread被加入到就緒態(tài),因此下一次調(diào)度時(shí)bg_thread_main就會(huì)被執(zhí)行

bg_thread_main

在bg_thread_main中完成剩余的驅(qū)動(dòng)初始化,并且啟動(dòng)esp32的第二顆CPU: APP CPU, 然后運(yùn)行到應(yīng)用的main函數(shù)。

代碼摘要如下

1

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6

7

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9

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11

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26

27

28

29

__boot_func

static void bg_thread_main(void *unused1, void *unused2, void *unused3)

{

z_sys_post_kernel = true;

//初始化POST_KERNEL級(jí)別驅(qū)動(dòng)

z_sys_init_run_level(_SYS_INIT_LEVEL_POST_KERNEL);

boot_banner();

//初始化APPLICATION級(jí)別驅(qū)動(dòng)

z_sys_init_run_level(_SYS_INIT_LEVEL_APPLICATION);

//初始化靜態(tài)聲明的thread

z_init_static_threads();

#ifdef CONFIG_SMP

//初始化SMP, 到這里才會(huì)啟動(dòng)ESP32的另一顆CPU

z_smp_init();

//初始SMP級(jí)別的驅(qū)動(dòng),例如跨CPU通信的mailbox, ipm驅(qū)動(dòng)

z_sys_init_run_level(_SYS_INIT_LEVEL_SMP);

#endif

extern void main(void);

//執(zhí)行應(yīng)用程序的main

main();

/* Mark nonessenrial since main() has no more work to do */

z_main_thread.base.user_options &= ~K_ESSENTIAL;

}

關(guān)于main

這里調(diào)用的main函數(shù),是在Zephyr應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn),最后通過鏈接器鏈接在一起。Zephyr應(yīng)用程序的main是在main thread中執(zhí)行,由于main thread的默認(rèn)優(yōu)先級(jí)比較高0, 因此要注意不要在main中去做while(1),避免導(dǎo)致其它搶占式線程拿不到CPU。

關(guān)于SMP

從前面的分析可以看到z_smp_init前,Zephyr上包括main thread的所有代碼都是在PRO CPU上執(zhí)行,在z_smp_init后Zephyr的代碼才有機(jī)會(huì)運(yùn)行到APP CPU上, SMP是一個(gè)很大的議題,不是在本文分析范圍內(nèi)。這里簡(jiǎn)單列出esp32 SMP初始化的主要流程供參考:

z_smp_init(smp.c)-》arch_start_cpu(esp32-mp.c)-》appcpu_start-》esp32_rom_ets_set_appcpu_boot_addr-》appcpu_entry1-》z_appcpu_stack_switch-》appcpu_entry2-》smp_init_top(smp.c)

參考

https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/latest/esp32/api-guides/startup.html

編輯:jq

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原文標(biāo)題:Zephyr ESP32啟動(dòng)流程

文章出處:【微信號(hào):ZephyrProject,微信公眾號(hào):ZephyrProject】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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